劉銀萍，蔡樂(lè)泉，楊宜民

(1.廣東工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，廣東廣州510006;2.廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510006)

機(jī)器人足球比賽是近年來(lái)出現(xiàn)的一項(xiàng)集娛樂(lè)、體育和科研于一體的比賽活動(dòng)。目前國(guó)際上主要有兩項(xiàng)規(guī)模較大的機(jī)器人足球比賽:機(jī)器人足球世界杯(RoboCup)和國(guó)際機(jī)器人足球聯(lián)合會(huì)(FIRA)。中型組機(jī)器人足球賽是RoboCup 機(jī)器人足球世界杯的主要項(xiàng)目之一，自1997年第一屆比賽開(kāi)始即是正式比賽項(xiàng)目［1］。由于中型組機(jī)器人足球比賽中要求機(jī)器人完全自主，所以最具挑戰(zhàn)性，也最能代表參賽隊(duì)伍的機(jī)器人研究水平。從功能上看，每個(gè)RoboCup 中型組足球機(jī)器人可以分為視覺(jué)、通訊、決策和運(yùn)動(dòng)控制4 個(gè)子系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是整個(gè)全自主足球機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其主要涉及有電動(dòng)機(jī)控制、通信、踢球機(jī)構(gòu)、電源轉(zhuǎn)換及匹配等功能。根據(jù)全自主足球機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)要求，采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)構(gòu)成足球機(jī)器人控制單元，并運(yùn)用Fuzzy-PID 控制算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)單一PID 控制，使控制效果更為理想。

1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的足球機(jī)器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是由4 只全向輪組成的4 輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。采用單片機(jī)對(duì)實(shí)現(xiàn)多電機(jī)控制來(lái)說(shuō)，其硬件設(shè)計(jì)存在結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、算法控制實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)，因此采用美國(guó)TI(德州儀器)公司的TMS320F2812 微控制器。DSP2812 控制器具有豐富的外圍接口，它將DSP 的高速控制能力和面向電機(jī)的高效控制能力集于一體，使機(jī)器人控制系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，而且算法控制的實(shí)時(shí)性提高，使系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠［2］。但單個(gè)DSP2812 芯片具有雙事件管理器EVA 和EVB，每個(gè)事件管理器只有1 個(gè)電機(jī)碼盤接口(QEP)單位，因此，單個(gè)DSP 只能接兩路的電機(jī)碼盤信號(hào)，而4 個(gè)全向輪的中型組機(jī)器人有4 臺(tái)電機(jī)。因此，采用雙DSP 架構(gòu)，其中一個(gè)DSP 芯片為主處理器控制1、2 號(hào)電機(jī)，另外一個(gè)DSP 芯片為從處理器控制3、4 號(hào)電機(jī)，主從DSP 共同處理底層硬件信息和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

足球機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)電路可以分為以兩片DSP 為核心的硬件電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)編碼盤接口電路、串口通信電路、射門機(jī)構(gòu)控制電路、電子羅盤等外設(shè)模塊、電源模塊等幾大塊。它完成的主要工作包括:接收上位機(jī)發(fā)送的控制命令并解析;控制4 個(gè)運(yùn)動(dòng)電機(jī);控制帶球電機(jī);將充電、射門等命令發(fā)送給射門控制電路;監(jiān)測(cè)電源電壓等。

圖1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元

該設(shè)計(jì)要求被控電機(jī)不僅能夠調(diào)速而且還要正反轉(zhuǎn)，而PWM 控制波形可由DSP 按需要編程直接產(chǎn)生，因此采用H 橋式PWM 電動(dòng)機(jī)控制結(jié)構(gòu)，如圖2所示。它由4 個(gè)開(kāi)關(guān)管和4 個(gè)續(xù)流二極管組成，單電源供電。在橋中4 只開(kāi)關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)，Q1、Q2 為一組，Q3、Q4 為一組，這兩組狀態(tài)互補(bǔ)，當(dāng)一組導(dǎo)通時(shí)，另一組必須關(guān)斷。其H 橋上橋臂驅(qū)動(dòng)電路圖如圖3所示，其下橋臂的驅(qū)動(dòng)電路圖類同。圖中，IR2101 是專為驅(qū)動(dòng)半橋逆變器中同橋臂的兩個(gè)MOSFET 或IGBT 而設(shè)計(jì)的高壓、高速驅(qū)動(dòng)器［3］，它將隔離后的PWM 信號(hào)放大，然后驅(qū)動(dòng)H 橋功率驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速。IRF650 為N 溝道增強(qiáng)型功率管，組成H 橋電路驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。DSP 給出的PWM1 信號(hào)通過(guò)IR2101 放大后輸出接近于電源電壓的高電平，加到Q1 的柵極驅(qū)動(dòng)它導(dǎo)通。同理，若PWM4 也為低電平，則Q4 也導(dǎo)通。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)兩端加正向電壓，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動(dòng)。同理，若PWM2、PWM3 均為高電平，驅(qū)動(dòng)Q2、Q3 導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)兩端為反向電壓，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動(dòng)［4］。

圖2 H 橋式PWM 電機(jī)控制結(jié)構(gòu)

圖3 H 橋上橋臂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

1.3 通信單元

在該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，各控制器之間采用DSP的SCI 和SPI 模塊串口方式通信。DSP2812 的串行通信接口SCI 模塊支持CPU 與其他使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通信。而串行同步通信SPI DSP2812 硬件資源中，帶有一個(gè)4 引腳的串行外設(shè)接口(SPI)模塊，SPI 是一個(gè)高速、同步串行I/O 口，能夠?qū)崿F(xiàn)DSP 與外部設(shè)備或另一個(gè)DSP 之間的高速通信。該設(shè)計(jì)采用雙DSP2812，其與上位計(jì)算機(jī)、數(shù)字指南針等外圍設(shè)備的通信模塊連接電路如圖4所示。主DSP 通過(guò)SCI 模塊與上層計(jì)算機(jī)通信，主DSP和從DSP 采用SPI 通信，從DSP 通過(guò)SCI 模塊與數(shù)字指南針通信等外圍設(shè)備通信，各控制器之間通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232 連接。

圖4 控制系統(tǒng)通信電路

主DSP 負(fù)責(zé)與上層計(jì)算機(jī)通信，接收PC 機(jī)決策庫(kù)輸出的4 個(gè)電機(jī)速度值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(射門機(jī)構(gòu)等)一些控制命令，返回底層的信息(電機(jī)碼盤信號(hào)，指南針，電池電壓)給PC 機(jī)。主DSP 將從上層計(jì)算機(jī)接收到3 號(hào)電機(jī)和4 號(hào)電機(jī)的速度值發(fā)送給從DSP，從DSP 將3、4 號(hào)電機(jī)的編碼盤，電池電壓，指南針等信息通過(guò)SPI 通信傳送給主DSP。從DSP 和主DSP 通信完后，將串口切換到與外設(shè)連接的備用引腳，改變波特率，然后采用一問(wèn)一答的通信方式，即先向外設(shè)發(fā)送特殊命令字，再等待外設(shè)返回?cái)?shù)據(jù)。正確接收到外設(shè)返回的數(shù)據(jù)后，將串口重新切換到正常引腳，與DSP 連接。

2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件編程采用C 語(yǔ)言，程序采用模塊化的方式進(jìn)行編寫。其實(shí)質(zhì)是在CCS 開(kāi)發(fā)環(huán)境中對(duì)DSP 的編程，控制系統(tǒng)軟件主要包括以下幾個(gè)模塊:各模塊的初始化、主程序、串口通信中斷服務(wù)子程序、定時(shí)器中斷服務(wù)子程序、電動(dòng)機(jī)控制算法調(diào)速模塊、射門控制模塊、電源電壓檢測(cè)模塊等。其工作流程為:進(jìn)行系統(tǒng)初始化之后，主程序進(jìn)入等待中斷信號(hào)的循環(huán)。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送信息后，將觸發(fā)串口通信中斷，串口通訊模塊開(kāi)始接收上位機(jī)發(fā)送的信息，在對(duì)上位機(jī)發(fā)送的信息進(jìn)行分析和解包后，判斷是否執(zhí)行電動(dòng)機(jī)調(diào)速、射門機(jī)構(gòu)挑球和SPI 通信等子程序。與此同時(shí)，若定時(shí)時(shí)間到，將觸發(fā)定時(shí)器中斷，在定時(shí)器中斷子程序中，將讀取電動(dòng)機(jī)碼盤信息，并用于電動(dòng)機(jī)調(diào)速算法，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)調(diào)速。

2.2 電機(jī)控制算法

(1)直流電動(dòng)機(jī)的特性［5］

對(duì)足球機(jī)器人來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵問(wèn)題是如何控制左、右輪的轉(zhuǎn)速。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程為

式中:N 為轉(zhuǎn)速，U 為電源電壓，R 為電樞電阻，i為電樞電流，Ke為反電動(dòng)勢(shì)常量。

(2)算法的實(shí)現(xiàn)

從式(1)可以看出，在足球機(jī)器人的電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要通過(guò)改變電樞電壓的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。它采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)，通過(guò)PWM 控制電源電壓的開(kāi)斷來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，其系統(tǒng)接近于一個(gè)轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)控制電路特性的研究可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中存在著非線性環(huán)節(jié)。其中，PWM 輸出放大環(huán)節(jié)是非線性的，電機(jī)環(huán)節(jié)可以認(rèn)為是線性環(huán)節(jié)。為使控制更加平滑，該設(shè)計(jì)采用了Fuzzy-PID 構(gòu)成的復(fù)合控制器算法，使兩種控制器在不同范圍內(nèi)發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，在誤差較大的情況下發(fā)揮模糊控制器的快速性和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在誤差和誤差變化率都較小的情況下，發(fā)揮PID 穩(wěn)態(tài)特性好、控制精度高的優(yōu)勢(shì)。即系統(tǒng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速誤差值來(lái)判斷何時(shí)進(jìn)行Fuzzy 控制向PID 控制方式的轉(zhuǎn)換，從而調(diào)用相應(yīng)的控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。Fuzzy-PID 控制器結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。具體做法如下:首先根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定左車輪的PWM 信號(hào)占空比。然后計(jì)算左車輪轉(zhuǎn)速與目標(biāo)誤差，若偏差超過(guò)某個(gè)特定值，則將轉(zhuǎn)速的偏差及偏差的變化率，作為模糊控制器的輸入，通過(guò)模糊控制器內(nèi)部推理，得出左車輪的實(shí)時(shí)PWM 控制信號(hào)為輸出;相反，若轉(zhuǎn)速偏差未超過(guò)特定值，則通過(guò)經(jīng)典PID 控制理論，計(jì)算左車輪的實(shí)時(shí)PWM 控制信號(hào)為輸出。按相同的方法，可求得右車輪的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速［6－7］。

圖5 Fuzzy-PID 控制器結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用到中型組足球機(jī)器人上，并對(duì)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)性能和直線運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)試。

(1)轉(zhuǎn)動(dòng)性能測(cè)試:足球機(jī)器人以相同的線速度(0 m/s)，不同的角速度自轉(zhuǎn)，測(cè)得機(jī)器人自轉(zhuǎn)中心的軌跡偏差如表1所示。從表中可以看出，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的軌跡偏差都小于3 cm，這表明機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)性能較好。

表1 機(jī)器人自轉(zhuǎn)中心的軌跡偏差

(2)直線運(yùn)動(dòng)性能測(cè)試:足球機(jī)器人以相同的角速度(0 rad/s)，不同的線速度作直線運(yùn)動(dòng)，測(cè)得機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與期望軌跡角度偏差如表2所示。從表中可以看出，機(jī)器人基本能按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，但存在一定的偏差。由于機(jī)器人在場(chǎng)上運(yùn)動(dòng)時(shí)4 個(gè)輪子之間存在耦合關(guān)系，機(jī)械特性等不同導(dǎo)致電機(jī)響應(yīng)不能夠同步，并且場(chǎng)地材料不同使機(jī)器人各個(gè)輪子與場(chǎng)地之間的摩擦力不一致，使機(jī)器人在加速的過(guò)程中，由于4 個(gè)輪子的加速度不一樣導(dǎo)致機(jī)器人的姿態(tài)發(fā)生改變，而且機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度越大，姿態(tài)變化越大。因此，即使單個(gè)電機(jī)的控制器參數(shù)達(dá)到最優(yōu)，對(duì)機(jī)器人而言也不一定達(dá)到好的效果。為此，可適當(dāng)修正各個(gè)電機(jī)的控制器參數(shù)，并應(yīng)用到機(jī)器人上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，記錄分析機(jī)器人的姿態(tài)變化，如此循環(huán)，使機(jī)器人的4 個(gè)電機(jī)能夠更好地同步動(dòng)作，直至機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能符合要求。

表2 機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與期望軌跡角度偏差

4 結(jié)束語(yǔ)

研究了一種采用雙DSP 的方式共同處理機(jī)器人底層硬件信息的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，有效地解決了單個(gè)DSP 或者單個(gè)控制芯片導(dǎo)致電路復(fù)雜、電路可靠性降低、系統(tǒng)處理速度不高、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)等問(wèn)題。同時(shí)采用了Fuzzy-PID 控制算法，此算法既具有模糊控制靈活且適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID 控制精度高的特點(diǎn)，可以取得比單一的PID 控制或模糊控制更好的控制效果，為機(jī)器人足球系統(tǒng)建立了一個(gè)更為良好的硬件平臺(tái)。

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