足球机器人控制系统设计

安徽

毕 业 设 计 （论 文）

课 题： 足球机器人的控制系统设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 07城建机械3班 学生姓名： 蒋严 学 号： 07290070325 指导教师： 李辉

2011年6月8日

安徽建筑工业学院本科毕业设计（论文）

摘要

本文主要介绍了对遥轮足球机器人运动控制算法的研究。首先，本文建立了四轮全向足球机器人运动学和动力学模型。通过对机器人运动学和动力学模型的分析，对其控制方程进行合理简化，提出了四轮全向足球机器人的运动控制算法。该算法可以对机器人同时完成或位置控制和速度控制，并且控制时间最优。该算法分为两个部分：机器人速度轨迹生成算法和机器人速度轨迹跟随算法。机器人速度轨迹生成算法基于开关控制原理，它根据机器人当前位置、当前速度、目标点位置和目标点速度，生成一条从“当前点”到“目标点”的时间最优的速度轨迹。机器人速度轨迹生成算法利用模糊PID复合算法实时控制机器人四组驱动轮速度。通过四组驱动轮的速度矢量合成，使得机器人跟随设定的速度轨迹。实验表明该速度控制算法完全满足控制足球机器人运动快速、准确、灵活的控制要求。

本文还对四轮足球机器人的控制系统进行了研究和设计。控制系统采用主一从式双DSP为核心的设计方案。系统中，主DSP对从DSP进行管理和控制、双DSP配合，完成速度跟随控制、无线通讯、传感器数据读取等任务。该方案传统方案相比，更加稳定、实用、可靠，功能更强。 关键词：足球机器人、FIRA 、 DSP、运动控制

ABSTRACT

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The robot of RoboCup games must travels in a confused dynamic circumstance freely and achieve an accurate positioning in the competition．In this paper，the kinematics equations and the dynamic equations of the holonomic omni—directional wheeled mobile robot are presented． Analysing those equations，this paper propose a motion control method for the robot．The method includes two pans，Velocity Trajectory Generation(VTG)and Velocity Trajectory Tracking(VTT)．The VTG is based on Bang—Bang control and generates a velocity trajectory from start—point to end—point for the robot．The VTT is based on PID control and controls the velocity of the robot tracking the velocity trajectory generated by VTG．

This paper presents the design of Robot Soccer’s circuit system．The core of the circuit is dual DSP,TMS320LF2407A．One DSP is the master, the other is slavery．Under the control of the master ,the slavery DSP realizes the motion control Algorithm．

Key words: Soccer robot、TMS320LF2407、、Motion control、Digital signal

processing

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目录

摘要................................................................................................................................ 2 1 绪论.......................................................................................................................... 6

1.1.足球机器人的简介…………………………………….. ………………………9 1．2 .Robocup挑战计话 ...................................................................................... 9 1．3论文内容..................................................................................................... 10 1.4本章小结........................................................................................................ 10 2足球机器人的体系结构………………………………………………………….11

2.1. 足球机器人的系统原理组成……………………………………………11 2.2.足球机器人的系统工作模式........................................................................ 13 2.3足球机器人的系统组成................................................................................ 14 2.4.足球机器人的技术要求................................................................................ 15 2.5.机器人机电结构系统.................................................................................... 17 .6.本章小结.......................................................................................................... 20 3 以双DSP为核心的控制系统电路设计 .............................................................. 21

3.1 控制电路系统结构....................................................................................... 21 3.2 MCU模块设计 ............................................................................................. 22 3.3.主从工作模式下的软件设计........................................................................ 25 3.4. 驱动电路模块的设计.................................................................................. 28 3.5.传感器电路模块设计.................................................................................... 33 3.6. DC-DC升压电路模块设计 ......................................................................... 35 3.7. 本章小结...................................................................................................... 36

4 足球机器人控制对象建模…………………………. …………………………37

4.1控制系统的总体设计…………………………………………………………37

4.2足球机器人的动力学建模…………………………………………………………38

4.3足球机器人的运动学建模…………………………..……………………….42

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4.4本章总结………………………………………………………………………48 5 研究工作总结及展望............................................................................................ 49 参考文献...................................................................................................................... 51 致 谢.......................................................................................................................... 53 附录一 毕业设计任务书.......................................................................................... 62

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1 绪论

1.1足球机器人简介 一、起源。

机器人足球的最初想法由 University of British Columbia, Canada 的 Alan Mackworth 教授于1992年正式提出。

他在 On Seeing Robots 一文中以机器人足球为例，指出传统的机器人研究中存在的不足：Definite Knowledge, Complete Knowledge, Static Environment, Deterministic World, Discrete Sequential Actions...

为解决这些不足，他和同事提出了一种新的机器人体系 ---- Situated Agents ，并实际设计了踢足球的机器人（见下图）。他们指出：

Not only can situated robots play soccer but they also should!

最早的机器人足球。 此图来自 On Seeing Robots 一文

随后，众多学者和科技人员对机器人足球的可行性及技术问题进行了研究。在一些实验室或研究所之间也相继开展了小型的比赛。

二、世界性比赛。

目前许多国家都开展了机器人足球比赛。在世界上比较有影响的比赛主要有两个：

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?FIRA （Federation of International Robot-soccer Association 国际机器人足球联合会）

?1995年，韩国的 Jong-Hwan Kim 教授提出设想。 ?1996年11月在韩国举行了第一届赛事。 ?1997年正式成立了FIRA。

?RoboCup （The Robot World Cup Soccer Games and Conferences 机器人足球世界杯赛及学术大会）

?1993年，日本的 Minoru Asada 等学者创办了RoboCup。 ?1997年8月，在日本举行了第一届 RoboCup 赛事。

三、机器人足球赛的主要类型及规则。

机器人足球有仿真赛和实物赛两种。仿真赛是在计算机上进行的虚拟比赛。由比赛举办方提供仿真平台，参赛双方用各自开发的程序控制“运动员”进行比赛。 实物赛是由实际的机器人在指定的场地上进行的比赛，以下的分类都是对实物赛而言的。

从机器人的自主性方面看，有半自主型和全自主型。半自主型机器人比赛中，允许参赛方用一台主机对机器人进行集中控制；全自主型中的机器人则是完全独立的， 机器人只能依靠自身的设备去获取信息、做出判断、配合队友及实施行动。

从机器人的行走方式看，有轮式和足式。轮式机器人靠轮子行走的，早期的机器人足球都是这种型式的；足式机器人用脚行走，又可分为多足和两足机器人。1999年，RoboCup 首次开展四足机器人足球比赛。完全类似人的两足机器人足球是机器人足球比赛的最高目标，但其涉及较为复杂的技术，目前还只是在足球赛上进行行走、避障碍、点球等表演，还不能真正进行足球比赛。

发展至今，机器人足球比赛已经拥有一整套规范和规则，诸如对球场、球、机器人的尺寸规定，对角球、界外球、任意球、点球等的定义，对球员犯规的判罚等 。 机器人足球比赛每个半场一般只有十几分钟。由于目前机器人的视觉系

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统主要依靠色彩信息对物体进行识别，所以球场内外各设备和器材的颜色都有比较严格的规定，参赛双方的机器人也必须贴上醒目的颜色标识。 主机与机器人或机器人与机器人之间靠无线电进行通讯，所以对无线电的使用也有相应规定。

四、机器人足球的相关技术。

机器人足球是一个综合性的项目，它涉及众多的传统理论和前沿技术。 机器人制造本身就集合了结构工程、电子电路、精密机械、仿生材料等多种技术，而计算机、自动控制、传感、无线通讯等技术则是机器人能够运动和踢球所不可缺少的， 多个机器人之间的配合更是涉及比较复杂的关于多主体的协调、合作与策略等问题。

五、机器人足球的意义和目标。

在第15届国际人工智能联合大会上，由Kitano, Veloso和Tambe等来自美、日、瑞典的9位国际著名或知名学者联合发表重要论文\RoboCup synthetic agent challenge 97\， 系统阐述了机器人足球的研究意义、目标、阶段设想、近期主要内容和评价原则。概括的说，过去50年中人工智能研究的主要问题是“单主体静态可预测环境中的问题求解”，其标准问题是国际象棋人－机对抗赛； 未来50年中，人工智能的主要问题是“多主体动态不可预测环境中的问题求解”，其标准问题是足球的机－机对抗赛和人－机对抗赛。由此可见机器人足球具有重要的意义。

机器人足球是人工智能的新兴研究领域，是联系理论与应用的一个有效手段。它以体育竞赛为载体，集中展示了各国高新科技的发展，并且检验了参赛国的技术水平， 从而促进科技的发展和人才的培养。

机器人足球的最终目标是建立仿人机器人足球队，让机器人像人一样踢足球，甚至打败人类足球队。实现这一目标将是一个艰巨而漫长的过程。

六、中国机器人足球的发展情况。

目前机器人足球发展比较好的国家有欧美、日韩、澳大利亚等国家和地区。中国在这方面虽然起步较晚，但近年来有较大的发展。

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2001年6月，中国自动化学会机器人竞赛工作委员会 成立，每年举办包括 RoboCup 和 FIRA 两个项目在内的中国机器人足球比赛。

1.2 RoboCup挑战计划

RoboCup提供了一些重大的长期挑战，将会需要几十年的时间来完成。然而，由于最后目标很明确，我们可以得到几个子目标，这就是中短期的挑战。RoboCup吸引了这么多研究者的主要原因就是它需要将很大范围的技术集成到一个完整的智能体团队中，这就有别于一些基于专门任务的功能模块。长期的研究问题实在太广泛，难以编撰成一系列条目的列表。虽然如此，我们还是可以说，这些挑战包括了从物理部件的开发(如高性能电池、马达)到高智能化的实时感知和控制软件这些极其广泛的技术问题。

中期技术挑战是今后十年的目标，可以说得更具体一些，也就可以编撰出一个部分列表。以下就是RoboCup中涉及到的研究领域的部分列表，主要以中期时间段为目标：(1)通用的智能体体系结构；(2)综合反应式方法和建模/规划式方法；(3)实时识别、规划和推理；(4)在动态环境中推理和行动；(5)传感器数据融合；(6)通用的多智能体系统；(7)复杂任务中的行为学习；(8)策略获取；(9)通用的认知模型。

除了这些技术，提供一个带有高质量3D图形能力的网络足球服务器需要在模拟足球运动员的实时动画和基于网络的交互式多用户系统方面有一定的技术进步。这些都是今后几年基于网络的服务中的关键技术。

RoboCup的挑战应该理解为更大、更长期的挑战，而不是一个一次性的挑战。因此，我们希望提供一系列的短期挑战，这将会很自然的引导中长期挑战的完成。RoboCup挑战主要分为三类：(1)合成智能体挑战；(2)物理智能体挑战；(3)基础组织挑战。RoboCup合成智能体挑战处理可以用软件模拟器开发的技术；RoboCup物理智能体挑战的意图是促进使用实际机器人的研究，因此需要更长的时间来完成每一项挑战。它们将和RoboCup合成智能体挑战同时进行研究，但需

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要更长的时间。提出基础组织挑战是为了方便研究而建立一个关于RoboCup、人工智能和机器人学的总的基础组织。这些挑战包括教育计划、通用机器人平台和部件标准、自动评论员系统和进行RoboCup比赛的智能体育场系统。

1.3论文的主要内容

中型自主足球机器人赛在RoboCup国际机器人足球世界杯中具有重要的地位，中型自主足球机器人要求控制系统感应灵敏、响应速度准确、重量轻、体积小。

本课题目的是研究设计一种RoboCup中型机器人控制系统，着重于从电路设计方面提高其感应灵敏性、响应迅速性等。

1.4本章小结：

首先根据控制对象的控制要求来分析系统所需要的硬件结构，然后针对每一部分进行详细的电路设计分析，最后根据系统的结构通过对机器人系统的动力学建模，完成了速度轨迹规划，为各种机器人的速度规划提供了一个方法，再次通过机器人运动学建模，采用PID算法，实现电机的速

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第二章 足球机器人的体系结构

足球机器人是机器人足球系统中的本体部分，一切控制策略及算法最终都是通过足球机器人来实现的。所以中型组足球机器人的本体设计对比赛起了至关重要的作用。不同的控制要求决定了不同机器人的结构设计和控制策略。所以本章首先讨论机器人足球赛中型组比赛的系统组成、工作模式及系统结构。然后简要介

足球机器人的比赛的要求。

图2-1足球机器人比赛场景

2.1机器人足球的系统原理组成??

5RoboCup中型组比赛是由两支各有多个自主式足球机器人的球队在标准场地进行的比赛，自主式足球机器人系统如图2-2所示，场上的每个机器人都具有完全的自主能力，自身具有独立的传感器系统、决策系统以及执行机构，机器人将各自搜集到的信息同本队的其它自主机器人沟通，通过机器人本体或场外监控站上数据融合得到所需的信息，然后根据这些信息进行决策，并执行相应的动作。

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图2-2 自主式足球机器人系统

足球机器人系统分为下面几个部分： 1）机器人小车子系统 2）视觉子系统 3）无线通讯子系统 4）机器人控制子系统 5）决策子系统

上述五个子系统构成了大的闭环系统，如图2-3所示。决策系统的指令通过无线通讯系统发送给机器人小车系统，控制子系统根据指令控制机器人相应的运动，再由视觉子系统采集场地信息，反馈给决策系统，完成闭环控制。 下面分别简要介绍各部分的组成以及系统对各部分的设计要求。

图2-3 足球机器人系统组成原理图

机器人小车子系统是比赛的本体部分，其性能的好坏直接关系到比赛的结果。它设计的关键在于机器人的软硬件设计。

视觉子系统是整个比赛的最终检测反馈机构，它扮演机器人的“眼睛”。它

的主要任务是利用摄像头实时采集比赛场地上的图像信息，通过图像卡处理并且 12

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辨别这些图像，得到场地上运动物体(包括双方8个机器人和球)的相关数据，主要是每个机器人的横坐标X、纵坐标Y和其方向角度，并且将这些数据传给主机，以供主机上的决策系统进行分析决策使用。

无线通讯子系统的作用主要是完成决策指令的传输，将决策系统的结果发送给各个机器人，使其执行相关的动作。

决策系统上接视觉子系统，下连通讯子系统，是整个智能系统的中心枢纽，是系统的“大脑”，它主要功能是根据图像系统提供的一系列的场景信息与及各种传感器信息，对本方机器人的运动做出最佳的决策，同时将机器人的运动指令通过无线通讯系统传给机器人。它的优劣关系到机器人的智能化水平以及比赛的成败。

控制系统是决策系统和机器人本体之间的联接部分，它是机器人运动的核心处理部分，如果决策系统是教练，那控制系统就是队员的本领，它的好坏关系到机器人体现决策系统指令的好坏。它的作用就是根据一定的算法来解析决策系统的指令将它转化为具体的机器人的运动指令，并且控制机器人实现相应运动。

2.2足球机器人的系统工作模式

明白了足球机器人的系统组成，对于我们来说，选择合适的硬件和软件系统还得考虑机器人系统的整体工作模式。根据机器人的决策部分在整个系统的作用位置，可以将足球机器人系统工作模式分为以下两种：

(i)基于视觉的足球机器人系统 (Vision-Based Mobile Robot System)； (ii)基于机器人的足球机器人系统(Robot-Based Mobile Robot System)，而根据机器人智能程度，(i)又可以分为：

①基于视觉遥控的无智能足球机器人系统(Remote Brainless Vision-Based Mobile Robot System)，简称遥控机器人；

②基于视觉智能足球机器人系统(Brain On-board Vision-Based Mobile Robot System)；

这样就可以得到三种足球机器人的系统工作模式：

第一种基于视觉遥控的无智能足球机器人系统，它所有的视觉处理、策略决策和位置控制都在主机上完成，就像遥控小车一样。

第二种基于视觉智能足球机器人系统，这个时候机器人本体具有速度控制、 13

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位置控制和自动避障等功能。主机仅通过视觉数据来进行决策处理，然后发出命令给各个机器人，机器人在根据命令做出行动反应，为了实现自动避障和速度控制，机器人上面都装有红外、加速度等传感器。

第三种基于机器人的足球机器人系统，这时足球机器人具有很多自主性，所有的计算包括决策、控制都在机器人上面完成，而主机只处理视觉数据，然后将有关信息传给机器人。这个时候视觉系统就类似于一种传感器。

不过，任何一种模式的机器人都应该具备一些基本模块：驱动模块、通讯模块和CPU控制模块。不过采用的模式不同，其设计方案都不同而已。本文系统的设计就是基于第二种模式(即基于视觉智能机器人系统)来设计的。

2.3足球机器人的系统结构组成

有了前面的足球机器人系统的组成，而最终要实现整个系统的运行还要硬件来实现。系统的硬件方面包括以下几个方面：足球机器人小车系统、无线通讯系统、视觉系统和通讯系统。下面讨论一下系统的硬件组成，以方便后面控制平台硬件系统的设计。 1．足球机器人小车系统

一般来说，足球机器人小车包括CPU模块、电机驱动模块、无线通讯接收模块和传感器模块。而这除了无线通讯接收模块外都属于控制平台的硬件系统。运动电机通常都是单独驱动，大部分都采用轮式结构，也有采用履带结构的。如图2-4所示。为了得到足球机器人更好的运动特性，我们采用的是三轮设计，可以实现全向运动的全方位机器人，在下节机器人的机电设计里面会详细介绍。

图2-4足球机器人组成机构框图

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2.无线通讯系统

对机器人指令传送采用的是无线数字通讯。主机的信息经过RS-232由发射模块发送出去，而由机器人上面的接受模块接收数据。在比赛规则中以不妨碍对方的前提下，双方的频率大小不加以限制。采用的通讯模块是英国的Radiometrix，它具有433MHZ/418 MHZ两个频段。 3.视觉系统

视觉系统主要由摄像头、图像采集卡等硬件设备和处理软件组成。在比赛中，规定每方机器人采用黄色或者蓝色作为自己的队标，队标规定采用直径为 40mm的圆，贴在机器人的上方的中央部分。而机器人的号码识别所采用的色彩不加以限制。它的主要功能就是完成图像信息的采集与分析功能。 4.主机系统

为了提高系统的计算速度，主机系统一般采用一台P4的计算机，不过也有的队伍采用双CPU的计算机。主机的功能主要是处理经过处理的图像数据，得出球和队员的位置、方向和速度，根据比赛场上的攻守局势，做出决策，并且将数据通过串口传给发射器。

2.4足球机器人的技术要求??

5足球机器人小车在整个足球机器人系统中相当于执行机构，但它的作用又不仅限与此。从比赛的角度来说。它是上场比赛的队员；从表演的角度来说，它又是登台表演的演员。导演的创作艺术或者教练的战术意图最终都是通过机器人来实现。所有机器人本体整体性能的好坏对整个系统都起着举足轻重的作用。

设计机器人本体应该满足以下的技术要求： 1.大小要求

RoboCup中型机器人组的场地大小相当于9个兵乓球台，机器人的直径不超过50cm，高度在30cm-80cm之间，每个队由4台机器人组成，采用橙色足球进行对抗比赛。

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图2-5 RoboCup中型组比赛场地示意图

中型组比赛场地是一个结构化、彩色化的环境，如图2-5所示。结构化是指场地上的固定物体或标识都有比较规则的几何形状：球门由三个平面构成，角柱是一个圆柱体，场地标识线由直线、圆、圆弧构成。同样，彩色化指场地上的每个物体都对应一种颜色或颜色的组合：球场底色为绿色，一方球门为蓝色，另一方为黄色，角柱中间三分之一为对方球门颜色、场地标识线为白色，比赛用球为橙红色的5号标准足球，机器人主体为黑色。 2.基本功能

总体来讲，足球机器人应能准确接收主机指令并迅速做出反应，完成带球、传球、拦截、射门、防守等技术动作。因此机器人应该具备了以下功能：无线信号的接受、电机驱动及其调速、障碍识别与避障还有就是对机器人各部分功能的控制以及上述功能的协同。 3.运动性能

为适应激烈对抗的比赛环境，机器人还应具备高度的机动性能和灵活性，能平稳快速的完成各种前进、后退、转向及急停等基本动作，且满足以下要求： 1）前进后退：尽量走直线 2）转向：转弯半径尽量小 3）急停/碰撞：不能翻倒

为满足上述要求，机器人要求总体质量轻，重心低，尽量处在机器人对称轴线上，运动系统灵活、可靠，系统转动惯量小，连接部件牢固、防松，整体刚性好，具备良好的撞击性能。

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4.其它性能

比赛中机器人之间的顶牛现象经常发生，所有要求机器人具有良好的坚固性，一旦碰撞时，机器人不能变形，各种接插件不能松动，零部件不能脱落。同时应该避免顶牛时候，电路元器件不能烧毁。由于比赛时候的工作环境毕竟恶劣，有许多来自外面的干扰，所以机器人的结构以及控制系统的设计都应该具有高可靠性，在强干扰下不死机或者失控。对于足球机器人而己，可维护性是很重要的，包括软件和硬件的维护，在硬件结构的设计方面，考虑便于安装测试和检修；软件设计上面要便于调试、纠错和升级。同时经济性也是在设计中必须考虑的问题。

2.5足球机器人机电结构系统??

6 整个足球机器人硬件系统设计包括两个方面：控制系统设计和机电系统设计。所有在进行机器人控制系统设计前，必须对它的控制对象足球机器人的机电系统设计阐述清楚，这样以便于后面的控制系统的选型和控制电路设计。

机电系统设计包括控制电机选型及性能参数、机器人底盘选型和设计，由于机电系统的设计不是本文的重点，所以这里概要阐述一下足球机器人的机电系统的结构。

机器人的运动离不开电机的选择，对于移动小机器人的控制电机，均选用微电机，其有直流电机和步进电机两种选择。我们在充分考虑步进电机与直流电机的优缺点的时候，最后选用的是调速性能优良、调速方便、平滑范围广的直流电机。根据电机转矩、功率损耗、转速和外形尺寸，经过我们的设计计算，最后我们采用的是瑞士的Maxon电机。

根据上面机器人设计要求，为了实现各种基本功能，所以我们设计的足球机器人主体结构主要由机体、行走机构、带球机构、击球机构和各种传感器组成。 为了获得良好的机动性和灵活性，我们设计的足球机器人的行走机构采用的三轮式驱动机构，三个车轮互呈1200，分布在同一个圆周上面，如图2-6。每个车轮分别由直流伺服电机(主动电机)、齿轮减速器、码盘和车轮等零部件组成，同时每个车轮都采用全方位轮。全方位轮的机构是圆形大轮的圆周上密布小滚动轮子，车轮可以沿周向和轴向两个方向作滚动运动。，这样无论直线移动，还是转弯，总以滚动代替滑动，大大减少摩擦力。采用这样的机构可以很方便地实现任

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何方向地直线运动

图2-6 足球机器人的行走机构和全方位轮

击球机构设计主要考虑蓄能和瞬间释放机构，弹簧应为首选方案。已设计的击球机构主要由电机，蜗杆，蜗轮，扇形齿轮，齿条击杆，压缩弹簧，击球板等组成。其设计思路为：不击球时弹簧始终处于压缩状态，击球时，控制信号让电机转动，带动蜗杆蜗轮，与蜗轮共轴的扇形齿轮与齿条脱离啮合，弹簧力推动击杆击球，当扇形齿轮与齿条重新进入啮合，击杆回收，当扇形齿轮转过一定的角度时，击杆回收到位，控制信号让电机停转，依靠蜗杆蜗轮自锁性，保持击杆处于回收状态。如图2-7。

图2-7 足球机器人的击球

带球就是需要球和机器人粘在一起，机器人在比赛过程中往往需要带球运行，寻找最佳射门点或传球点，所以带球机构是足球机器人中又一个不可缺少的关键机构。机器人能够实现在前进，转弯，后退等运行状态下带球是带球机构所要达到的目标。根据RoboCup比赛规则：机器人持球的时候，从上往下看必须有80%的球的面积在控球装置外面，所以不能采用抱球的机构。我们从运动学角

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度出发，利用相对运动关系设计了我们的带球机构，如图2-8。其关键设计思想为：机器人在前进，转弯，后退的运动中对球产生一个驱动力或力矩，使球产生相应的运动，并使球始终保持与机器人在一起，为此运动过程中，需要两者速度满足匹配关系。

图2-8 足球机器人的带球机构

根据以上设计思路我们设计了由电机，齿轮及带传动机构，滚轮，支架等组成的带球机构。在机构设计中，关键是使球产生相对机器人运动结构，用一个具有一定弹性的滚轮与小球发生滚动式接触，靠摩擦力产生的转矩带动球在地面产生朝向机器人的滚动。这里设计的重点是弹性滚轮与球之间的摩擦力以及滚轮转速，最终作用效果为球心的水平运动速度。

除了击球、带球功能外，在机器人车体上同时安装了六路近距离红外传感器，如图2-9所示。6是正前方传感器，4是正后方传感器，3, 5是另外两主运动方向的传感器，1, 2是击球和控球动作中找球传感器，位于机器人正前下方。目的就是为了保证机器人的击球机构击球的准确性和带球机构能够顺利带球以及在运动过程中实现自动避障。同时为了能够更好的控制机器人的运动，在机器人上面安装加速度传感器，来实时检测系统的运动速度。

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图2-9 足球机器人传感器

2.6本章小结

本章主要对足球机器人的体系结构做了系统设计,主要包括以下内容： （1）足球机器人的系统原理组成，通过机器人小车子系统、视觉子系统、无线通讯子系统、机器人的控制子系统及决策子系统组成构成了大的闭环系统。 （2）足球机器人的系统工作模式，根据机器人的决策部分在整个系统作用位置来决定。

(3)足球机器人控制系统总体结构分为两个：决策控制和运动控制。 (4)足球机器人的系统结构组成包括无线通讯子系统、决策子系统、视觉子系统、机器人车体子系统等组成。

(5)机器人总体结构结构设计包括：尺寸限制、功能要求运动功能等 (6)机电机构设计，驱动机构、带球机构、击球机构。

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第三章双DSP为核心的控制系统电路设计

3.1 RoboCup小型组足球机器人控制电路系统结构

RoboCup小型组足球机器人在场上是实时、高速、高对抗的．为了满足比赛要求，足球机器人控制电路系统必须具备以下功能：

(1)MCU运算速度高，能够执行运算量大的控制算法，方便扩展各种接口电路；

(2)能配合无线通讯模块实现波特率115200bps的无线信号接收； (3)能够以脉宽调制的方式驱动四路驱动轮电机；

(4)可以处理四路以上的正交码盘信号、检测各驱动电机电枢电流信号盘来实时地对四组驱动轮进行精确的闭环速度控制；

(5)对机器人供电电池组进行DC-DC升压变换至200v，用以驱动“踢球”电磁铁高速击出“球”；

(6)使用多路红外传感器和加速度计来感知机器人状态。

通过对足球电路系统功能和性能特点的分析，综合足球机器人体积和电源等方面的要求，我们将电路系统各种功能大胆融合、进行优化，提出本文所述的设计方案。

电路系统是作为整体进行设计和优化的，可划分为以下几个功能模块： 。

①MCU模块。该模块的核心为采用主从工作模式的双DSP。MCU模块可配合无线通讯模块接收上位机(PC)发送的无线通讯信号，根据接收到的指令和自身传感器信息完成对机器人的实时控制。

②驱动电路模块。该模块在MCU模块的控制下，以脉宽调制的方式对机器人 21

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驱动电机进行实时调速控制。

③DC-DC升压电路模块。足球机器人使用可充电镍氢电池组供电，电源变换模块将电压升高到DC200v，储存到大容量的电容中，作为击球电磁铁的电源。

④传感器电路模块。该模块使用红外发光管和红外接收管来探测机器人是否带到球以及周围障碍物与机器人的距离。

足球机器人电路系统构成框图如图3-l所示：

无线通讯板指令主MCU模块（2407）12V电源从MCU实现程序下载IO\\CAN\\SCI指令\\码盘信低层控制程序号从MCU模块（2407）DC DC12V 5Vi\\oFLASHMEMORY红外传感器控制信号光耦隔离号电路击挑球升压电路带球电机红外传感器螺线管运动电机驱动电路11VDC驱动电路信号处理电路220VDC驱动电路i\\oi\\opwm编码器信电机检测放大器信号电机电枢电流检测电路供电击挑球螺线管带球电机电机编码器电电电机机机编码编码编码器器器红外传感器红外传感器红外传感器

图3-1 足球机器人电路系统框图

3.2 MCU模块设计

机器人控制MCU需要完成机器人速度轨迹跟随控制算法，还需要接收指令、处理多路传感器信号等。由于这些处理所需要的运算量相对比较庞大，而且需要使用大量的控制接口，所以一些传统的简单运算芯片(如8051等)和单片机无法满足我们的需求，我们采用运算能力相对强大的DSP芯片。

系统采用TI的DSP芯片TMS320LF2407A，它属于TI工公司DSP中专门用于电机控制的TMS320LF240X系列中的一种。它是TI在以TMS320C2xLP系列为内部运算核心的基础上，整和了丰富的外围控制电路和接口而形成的一类面向电机控制特殊片种。它具有以下一些优点：运算速度快、运算精度高；体积小、功耗低；

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指令系统功能强大、高效；存储空间大、扩展简便；片内“外设”丰富、接口简单；带有多个事件管理器方便对电机进行控制。TMS320LF2407A的具体参数为：最高内部频率为40MHz，时钟周期为25ns，具有40MIPS的处理能力；

32K内部FLASH为，可加密；两个事件管理器(Event Managers)，每个EM包括：两个16位时钟；8个通道的脉宽调制(PWM)单元；三个事件捕获单元(Cap)；

10位A／D转换器，16通道，375-500ns的转换时间；CAN2．0、异步串行口(SCI)、同步串行口(SPI)；40个管脚可用作通用10。

本文所述的设计中，针对机器人控制算法和控制要求的特点，针对前两代足球机器人控制电路系统出现的做了体系结构上的改变。 1、双MCU系统特点

足球机器人控制电路系统的MCU在实际工作中要承担很大的运算量，它最大的两项系统开销是以115200bps的波特率来接受SCI通讯、以定时中断的方式实时的对四路驱动电机进行速度闭环控制。此外，还有驱动轮速度分配运算、无线指令校验解析、传感器信号处理等工作。

由于驱动轮控制的定时中断需要很高的系统开销，用于机器人控制的MCU无法以中断的方式配合无线通讯模块来进行高波特率的无线指令接收和处理。为了解决这一矛盾，在前两代机器人控制电路系统中，我们另行设计了一块电路版，使用专门的MCU来以中断的方式配合无线通讯模块来进行无线指令接收、校验和转发。而机器人控制用MCU以查询的方式，通过有线SCI的形式接收无线通讯电路转发的指令，这样较好的解决了这一矛盾。但是增加了一块电路板，大大的增加电路系统的体积、功耗、复杂性、可靠性。

另外，我们选用TMS320LF2407来作为控制用MCU有一个很大的因素是因为它的“事件管理器”具有正交码盘信号处理的能力，但是2407只有两个“事件管理器”。因此在以往的控制电路系统中，采用的方法是外扩两个正交码盘计数芯片，2407以扩展10空间的方式对码盘计数芯片读数。这样的方案成本高、系统复杂。

此外，原有的电路系统中存在内部定时器不够，导致PWM波频率无法优化的问题。

综合上面的问题，在四轮全向足球机器人的控制电路设计方案中，采用双DSP2407的来构建控制系统。

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2、主要工作原理和方法

一片DSP2407为主MCU：

(1)主DSP以I/O口连接从DSP的错误!不能通过编辑域代码创建对象。错误!不能通过编辑域代码创建对象。等芯片控制端。这样主DSP就可以配置从DSP的工作状态，管理从DSP重启、从片内或者片外执行程序；

(2)主DSP配合无线通讯模块接收无线通讯指令。主DSP以SCI接收端与无线模块连接接收数据；以I/O连接无线模块的配置端，配置无线模块的工作状态、波特率、频点；主DSP以SCI接受中断的方式逐个字节的接受无线指令，并进行校验，将通过校验的无线指令从SCITX传送给从DSP。

(3)主DSP根据从DSP的请求，读取2路电机的码盘信号，从SCITX传送给从DSP。

(4)主DSP扩展了32K*16的SRAM作为片外程序RAM，用于通过JTAG进行仿真调试。

另一片DSP2407为从MCU，其相应工作为：

(1)接收主DSP处理完毕的无线指令，解析并执行指令，控制机器人运动、带球、击球。

(2)根据指令分配各驱动轮速度，以定时中断方式实现对四组驱动轮的速度控制。该过程应用机器人的速度轨迹跟随算法，控制机器人的运动。算法中的驱动电机速度控制需要应用驱动电机正交码盘信号作为反馈。其中两组正交码盘信号由从DSP自身“事件管理器”读出，另两组正交码盘信号向DSP请求，主DSP读出后通过SCI接口，发送给从DSP。

(3)使用AD读取多路电机电枢电流信号、传感器信号、控制带球电机和击球 电磁铁。

(4)从DSP扩展了32K*16的SRAM作为片外程序RAM，用于通过JTAG进行仿真调试。另外还可通过SPI接口扩展EEPROM，可对控制程序进行外部存储。必要的时候可支持控制程序的无线下载。

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图3-2主从式DSP硬件结构图

3.3．主从工作模式下的软件设计

机器人的控制系统采用双DSP的形式，降低了硬件系统的复杂度。但是，同时主、从DSP之间的耦合度较高，主、从DSP之间需要进行大量的数据交换、管理、及握手信号。这样就给DSP内的软件提出了要求。下面来介绍在主、从DSP的软件设计，说明是如何实现各种功能的。

足球机器人的速度轨迹控制是一个重要的研究对象，因此需要执行速度轨迹控制算法的DSP中的程序能够很方便的改变。主DSP对从DSP进行管理，上位机可以通过发送控制指令给主DSP，由主DSP来管理从DSP的控制算法程序。这样从DSP上的控制程序的执行就有了更大的灵活性。

无线模块接收的指令经过主DSP的接收和校验后，通过SCI发送从DSP。从DSP需要主DSP读取两组正交码盘信号的时候，主DSP也是通过SCI发送给从DSP的。也就是说经过校验的指令和码盘信号都是通过同一个通道传送的。因而需要采用一定的机制来解决。实际设计中，使用了两个I／O作为握手信号，主DSP根

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不允许两者同时发生，同时也是出于保护升压电路考虑，我们在信号输入端加上了硬件互斥电路。如图

图（3-7） 电磁铁控制电路 我们采用的是非隔离升压电路，其原理为，TL494按照设计好的频率

与占空比对外产生PWM信号，当电压为高时，MOS管导通，电感两端电压为12V，因此电流不断增长，二极管截止，当电压为低时，MOS管截止，电感通过二极管向电容充电，电流不断减小。

要注意调整R3，R4的分压，通过不同的分压比可以调节升压高低。S1,S2是电磁线圈，充电的时间取决于L的工作电压，TL494的占空比以及电容C的大小。放电时间取决于已经充好的电压以及S1，S2的内阻和M2.M3的饱和电压和压降。

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由于电容储能公式为Wc=1/2CUU，为了尽量提高储能，我们选择了6800的大电容，并将输出电压设定为90V，实验测得其充电时间小于4S，达到的最大击球速度大于4M/S，挑球最远距离可达2M。

互斥电路真值表见下图，I1，I2表示击球或挑球命令其中一个输入，而O1和O2则表示在同一时间只能执行击球或挑球动作中相应的一个动作。该电路稳定，可靠，响应速度。

(3)带球电机的驱动

由于带球电机只需要向一个方向旋转，所以可以使用一个N沟道功率型MOSFET来驱动电机。一路PWM控制信号经光耦6N137隔离并调整输出电压范围，然后经一个三极管调整使输入输出电平逻辑上保持一致，最后以IRF2407作为开关来控制带球电机的开关。转速大小通过PWN来调节。该电路具有简单，可靠的特点。

D1用来防止电机产生反电动势，起疏流的作用，从而保护IRF2407。：

图3-8“带球”电机驱动电路

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3.5近红外探测传感器的电路设计

在机器人比赛过程中,为了让机器人在高速运动的时候可以准确的发现球的位置，从而提高击球和带球命令的准确性，同时防止机器人之间的碰撞，所以在机器人本体上面设计了红外探测传感器，它的位置和功能前面己经讲述了，这里主要讨论红外探测传感器的原理和电路设计方案。

近距离红外传感器测量原理如图(3-8)所示，红外发光管发出红外光，光敏接收管接收前方物体反射光，接收管接收的光强随反射物体的距离变化，所以可以判断前方是否有障碍物同时根据接收信号强弱来判断物体的距离。近距离红外传感器，其体积小，容易安装使用，对环境的要求不高，而且可避开外部的干扰光线。

图3-9 红外线传感器原理和传感器系统设计框图

每一路传感器都是由红外发光管，红外光电管，发光管驱动电路，光电管信号前置放大电路等组成。因为红外发光管的能耗很高，每个发光管的功耗接近机器人上的一个电机空载运行时的功耗(100mA以上电流)，所以如果六路传感器同时工作的话，多个发光管一起工作时的能耗将不可小视。机器人的能量来源于电池，降低能耗对机器人系统设计非常重要，而且从减轻机器人总体质量，提高运动灵活性角度出发，要尽可能少带电池，所以必须要在不影响传感器正常的工作的情况下大幅度的减小功耗。所以我设计了一个循环扫描的选通电路，通过对这个电路的控制每一时刻只让一路传感器工作，这样就使功耗降低到原来的1/6。如果再考虑采用脉冲调制信号来驱动红外发光管，就可以使能耗再降低一个数量

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级。传感器系统设计的框图如上图(3-8)。

系统的运作流程是：由主控芯片DSP输出选通信号，信号通过选通电路来选择某路传感器工作，驱动这路传感器的红外发光管发出红外光，而相对应的红外光电管的输出信号被选择进入信号处理电路，如果加上调制电路的作用，红外发光管发出的是脉冲红外光。在探测范围内遇到障碍物，反射回来的光线被红外光电管接收，输出脉冲的信号，此信号经过前置放大电路后被放大，通路选择电路将放大后的信号送到信号处理电路。经处理后输出的是电压模拟信号，直接输送到主控芯片DSP的模数转换器(A/D)转化成数字信号。主控芯片DSP对此数字信号进行处理计算，从而得到前方障碍物的距离。根据前面的传感器系统方案我设计了传感器系统电路。为了使得电路调试时候的更方便，我按照电路的逻辑关系，将整个电路分成下列几个模块来分别实现不同的功能。它们是红外发光管驱动模块，传感器信号前置放大模块，红外发光管选通模块，信号处理模块等组成。这些模块的功能是独立的，设计时可以独立设计。下图(3-10)就是我所设计的传感器系统电路原理图。

图3-10红外探测传感器系统电路设计

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3.6 DC-DC升压电路模块设计

机器人在比赛中需要“踢球”，也就是将一个重量为46克的高尔夫球击出，所以需要设计一个击球系统，并要求将球击出的初速度最高达到5m/s并能够控制。经过分析和实验，使用200v以上的直流电压来驱动电磁铁可以使得机器人“踢球”的最大速度达到5m/s。这就需要设计DC-DC升压电路将10v的机器人电池电压变换成200v以上。

利用开关电源的原理，设计升压电路如所示：

图3-911 DC-DC升压电路模块原理图

如图3-11，大功率MOS管是一个电子开关，PWM发电器发出的PWM波控制它的导通和关断。

当MOS管导通时，电源与电感组成一个回路。此过程中，回路电流线性上升，电源将能量储存到电感线圈中。当MOS管关断时，电源电感与储能电容组成回路。此过程中，电感会因为电流下降而产生感应电压，该电压与电源电压叠加给储能电容冲电。这样储能电容两端就可以得到远高于电源电压的电压。

PWM发生器发出的PWM波控制MOS管以3.6KHz高速地导通和关断，该升压电路就能不断的给储能电容充电。当储能电容中的电压达到我们预先设定的电压时，PWM发生器停止工作，充电电路停止给储能电容充电。如果储能电容因为驱动电磁铁等原因造成电压下降，就会触发PWM发生器。PWM发生器将重新开始工作，给储能电容充电。通过这样的过程，就可以把储能电容中的电压维持在设定的电压上。

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3.7本章小结

主要DSP控制系统电路设计做了系统设计包括控制电路系统结构、MCU模块设计、主从工作模式下的软件设计、驱动电路模块的设计，主DSP对从DSP进行控制和管理，双DSP配合，完成速度跟随控制、无限通讯、传感器数据读取等任务

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第四章 足球机器人的控制对象建模

因为足球机器人比赛是在高速对抗中进行，要求机器人运动准确、快速、灵活，因此对机器人运动控制非常重要。同时足球机器人比赛系统是个群体机器人协调作战系统，如同人类足球竞技比赛一样，每个机器人不仅要充当整体角色中的一员，而且自身也要具备很强的单兵作战能力。机器人控制系统是保证机器人跑位、带球、传球、截球、阻挡、射门、战术配合等一系列技术动作得以完美实现的关键环节。控制系统要以最优的控制方式来完成比赛过程中的各种技术动作，所谓的最优控制是指：两个动作之间的平稳切换、动作组合、运动惯性的控制、电机特性控制、路径规划、快速准确的定点移动等。 4.1控制系统总体设计

足球机器人是一个惯性系统，具有一定的超调响应和滞后效应。在比赛过程中机器人始终处于动态，同时要求速度快、运动稳定和准确等，但是对于惯性系统而言两者是矛盾的，速度越快，系统的惯性越严重，控制比较困难。图4-1是足球机器人的控制系统框图。

。 图 4-1足球机器人控制系统框图

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主控单元采用DSP作为系统的处理器，接收场景信息并处理，进行整体战术决策分析。姿态控制部分由MPU和电机驱动电路组成，电机采取PWM调速，各种传感器信息同时反馈到DSP和MPU系统，实现对机器人运动精确控制

控制系统是机器人运动的核心，机器人的每一个动作都需要经过决策、姿态控制、电机运行、信号检测循环过程。其中决策和姿态控制联系非常紧密，两者之间是相辅相成。机器人的许多动作，例如走直线、转弯、射门、带球、传球等动作既可以在决策中完成，也可以在姿态控制部分完成，两者都需要占用较多的CPU运算时间。这些都给机器人控制系统的设计带来了难题。为了解决好决策与姿态控制之间的关系，解决好多机器人协调控制所带来的问题，我采用分级控制的处理方法。所谓分级控制就是将控制系统分为组织级、协调级和执行级三级对机器人进行控制，使得整个系统运行更加快速、灵活、准确。三级之间采用一些接口参数进行彼此联系。图4-2是足球机器人控制系统的三级结构图：

图4-2 足球机器人控制系统的三级结构图

4.2足球机器人的动力学建模

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控制系统的好坏关系到决策系统指令执行的好坏，所以如何根据电机的特性、自身运动状态、控制命令等信息生成比较好的控制运动指令，从而实现控制目标。这都依赖于系统控制方程的建立。控制方程包括动力学方程和运动学方程，而控制方程的好坏往往依赖于所控制球机器人的动力学建模。

为了分析轮子对机器人运动性能的具体影响，我们以单个轮子的运动分析它的具体工作原理（见图4-3）假设一个电机上配一个减速比为I：1的减速箱驱动一个轮子在地面上滚动，电机经减速后的输出扭矩T可表示

T?i?（?0U??0?0）??U???控制的足

（ 4-7）

2其中

???0i，??i??0，??i??

U是电机电压，?0是电机转速，?表示减速效率，?0,?0均为电机常数。此时，轮的加速度可表示为；

J??T?fl

（ 4-8）

其中J表示轮子的转动惯量，l表示轮子的半径，f为轮子与地面的摩擦力。 M为质量， g为重力加速度，G为重力，?为摩擦系数。

图4-3 轮子动力学分析

首先分析摩擦系数的影响。考虑两种情况：电机功率有限和摩擦系数有限。电

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机功率有限时指电机以最大电压工作的情况下轮子不会打滑。

首先分析电机功率有限情况。在不打滑的情况下，满足线加速度a??l?结合公式（4-7）和公式（4-8）可得

f?M?lU??Ml?J?Ml2fM，

?M?lJ?Ml22U??MlJ?Ml2?

???J?Ml2U??J?Ml （ 4-9）

? （ 4-10）

当电压保持为额定电压不变时，电机输出扭矩T，地面摩擦力f， 。由式4-9知道，摩擦力f随着转速w的增加而减小，当加速过程结束，即摩擦力减为0时，轮子的最大转速为

?max??Ul???0Uli?0 （ 4-11）

为了保证不打滑，在电压一定的情况下，需满足在初始时刻摩擦力足够，由此可推出 ??i??0Ul? （4-12） 22（J?Ml）g（J?Ml）g?Ul由此可知，电压越高，减速比越大 ，则摩擦力就越大，轮子的加速度就越大，但是，随着电压和减速比的增加，对摩擦系数的要求越来越大。

近两年来各队纷纷采用了大功率的电机组合，由此造成的直接结果是轮子的摩擦系数很难带到让机器人不打滑的要求，因此，在实际设计过程中碰到的往往是摩擦系数有限的情况，据此可将分析分为两个阶段。初级打滑阶段和不打滑阶段。在打滑阶段f= fmax??Mg ，在不打滑阶段满足， ?l?两者的分界点为 ?l?fmMaxfM

??g 结合4-7 4-8可

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