陳 楊，鞏 博

(第四軍醫(yī)大學 體育教研室，西安 710032)

多自由度籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)設計

陳 楊，鞏 博

(第四軍醫(yī)大學 體育教研室，西安 710032)

針對籃球機器人復雜路徑識別精度偏低，運行能耗較大等問題，提出基于超聲波的多自由度籃球機器人復雜復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)設計方法；通過MAX232芯片設計控制系統(tǒng)的接口電路，采用低功耗CMOS監(jiān)控電路芯片MAX706構建監(jiān)控電路，超聲波能夠精確提供機器人所遇障礙物距離信息，如有障礙則將接收到的信息進行轉換，以電信號的形式反饋給主控板；軟件部分利用主控板控制器的程序以及超聲波測距程序的設計實現(xiàn)；實驗表明，該控制系統(tǒng)有效提高了籃球機器人對障礙物的識別率，減小了系統(tǒng)運行所用能耗。

多自由度；籃球機器人；復雜路徑；跟蹤控制

0 引言

多自由度機器人方面的技術在工業(yè)及軍事等方面的廣泛應用[1]，機器人學其本身也存在著獨特的專業(yè)性[2]，內容比較豐富和寬泛。機器人復雜路徑控制，作為機器人航跡控制的關鍵，其運動控制器是機器人的執(zhí)行機構之一，針對機器人平穩(wěn)的運轉有非常重要的意義。由此對多自由度機器人的控制系統(tǒng)進行設計具有很高的現(xiàn)實意義，可給未來的多自由度機器人的開發(fā)提供支撐[3]。

近年來各領域的機器人應運而生，特別是足球、籃球、乒乓球等球類項目的機器人。其中籃球機器人作為籃球競賽中的重要成員，對籃球領域的發(fā)展有著重要的作用[4-5]。但當前的機器人復雜路徑控制系統(tǒng)設計方法中存在著很多問題。這迫使著更多的相關人員對其進行鉆研，以下是幾種研究方法。

為了提高移動機器人復雜路徑跟蹤精度，王洪泉[6]等人提出將模糊邏輯系統(tǒng)向控制器中未知的函數(shù)逼近，對未知參數(shù)的自適應規(guī)律進行設計，利用魯棒控制器補償逼近的誤差。該方法可保障閉環(huán)系統(tǒng)中全部信號有界，但存在穩(wěn)定性差的問題。陳浩[7]等人設計了機器人換擋機械手，把拖拉機換擋操縱桿的三維球面運動變換為直角坐標中二維直線運動。該機械手能夠沿著X、Y兩個方向運動，實現(xiàn)選、換擋。雖然該方法具有較強的魯棒性，但是耗時較長。以農業(yè)機器人精密的軌跡優(yōu)化跟蹤控制為目標，袁鑄[8]等人在優(yōu)化算法中引入了BP神經網絡以及計算力矩陣相結合的跟蹤控制器。提出了解決不確定因素的自適應學習法。實驗結果表明該方法具有較好的穩(wěn)定性，但自適應能力較差[10]。

1 籃球機器人路徑控制系統(tǒng)硬件設計

在籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)中，將TMS320F2812當作主控板的控制中心，以MAX706監(jiān)控模塊為輔助，然后根據(jù)超聲波的測距調理模塊，完成籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)硬件結構的設計，具體的系統(tǒng)設計參數(shù)如表1所示。

表1 籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)參數(shù)

1.1 控制系統(tǒng)整體框架設計

對籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)的硬件部分進行設計，首先制定出控制系統(tǒng)的整體框架。機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)硬件部分整體框架如圖1所示。

圖1 機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)整體框架

圖1的多自由度籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)整體框架，以主控芯片TMS320F2812和外圍電路組成，外圍電路中包含：復位電路、接口電路以及測距調理電路等部分組成。主控板的任務是：各個模塊的接口管理與通信，通過主控芯片完成超聲波測距的構建與多自由度機籃球機器人的定位，框架設計中的主控板可以嵌入相關的開發(fā)系統(tǒng)，便于后續(xù)的設計開發(fā)及升級。

1.2 路徑跟蹤控制系統(tǒng)接口電路

多自由度籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)的接口電路是利用RS-232串口實現(xiàn)的。給出機器人路徑跟蹤控制系統(tǒng)接口電路如圖2所示。

圖2 機器人路徑跟蹤控制系統(tǒng)接口電路設計

根據(jù)RS-232串口的標準協(xié)議，該接口電路適用于數(shù)據(jù)傳輸速率為0～20000bit/s的通信設備，RS-232信號于正電平與負電平間發(fā)生波動，假設在發(fā)送機器人復雜路徑相關數(shù)據(jù)時，其發(fā)送端驅動器能夠輸出+5～+15 V的正電平，以及-5～-15 V的負電平。假設沒有機器人復雜路徑相關數(shù)據(jù)傳輸，線上的電平為TTL電平，從機器人復雜路徑數(shù)據(jù)傳輸開始至結束，線上電平先是TTL電平，然后轉換至RS-232電平，最后返至TTL電平。接收器所接收的電平一般在+3～+12 V和-3～-12 V范圍內，RS-232的串行通信接口為根據(jù)電壓正負表示不同邏輯方式，要使計算機經過接口與TTL終端進行連接，必須將電壓正負轉換成電平的高低。可將分立元件或芯片集成電路放在RS-232與TTL電路間。針對多自由度籃球機器人復雜路徑相關數(shù)據(jù)的雙向傳遞，根據(jù)MAX232芯片可完成從TTL至RS-232的雙向電平轉換。MAX232芯片是美信生產的低功耗和單電源雙RS-232收發(fā)器，適用在多種串行通信接口中。

1.3 機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)監(jiān)控電路

多自由度籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)監(jiān)控電路，也可以稱為“看門狗”電路。所設計的系統(tǒng)采用MAX706電路芯片進行監(jiān)控電路設計，監(jiān)控電路設計如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)控電路設計

MAX706是一種低功耗CMOS監(jiān)控電路芯片，內部電路根據(jù)上電復位和可重觸發(fā)的“看門狗”定時器以及電壓比較器等構成。其中，MAX706僅在1.6 s內就可以檢測到WCI引腳，有高低電平的跳變信號，那么“看門狗”的定時器清零，并重新計時，假如超出1.6 s，WCI引腳還是沒有高低電平的跳變信號，則“看門狗”的定時器將會溢出，WDO引腳也會輸出電平，從而觸發(fā)MR手動復位引腳并使MAX706復位，進而使“看門狗”的定時器清零，重新計時，WDO引腳開始輸出高電平MAX706中RET復位引腳的輸出寬度，大概為200毫米的低電平脈沖，該脈沖可使籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)穩(wěn)定復位，并重新開始運行。

1.4 機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)復位電路

為籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)安設復位電路，可使籃球機器人對復雜路徑進行準確機記憶，能夠快速移動到先前的位置，完成準確、快速復位。選用TMS320F2812芯片進行復位電路設計，TMS320F2812的復位不能屏蔽外部中斷，根據(jù)TMS320F2812數(shù)據(jù)手冊，芯片復位引腳中有效額電平必須要持續(xù)6個時鐘周期，在籃球機器人的設計中，考慮到機器人并不是于強電磁干擾環(huán)境下工作，因此復位電路利用RC電路、按鍵組成。

1.5 機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)電源電路

電源電路是籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分，對電源電路的合理設計，是提高籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)質量的關鍵。它的主要作用是，為跟蹤控制系統(tǒng)中所有模塊提供電源，改進系統(tǒng)中所有電源均為直流電源。驅動電機電源是+24 VDC、超聲波測距電壓是+5 VDC。其余和TMS320F2812有關的器件電壓均是+3.3 VDC。且在多自由度籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)中，功率最大的驅動電機，其工作電壓為+24 VDC，最大工作電流為0.825 ADC。3.3 VDC電源利用穩(wěn)壓芯片TPS76822來構建。

1.6 路徑跟蹤控制系統(tǒng)超聲波測距調理電路

超聲波測距調理電路是所設計的籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)創(chuàng)新所在。超聲波測距功能可提供籃球機器人所遇障礙物的距離信息。發(fā)射超聲波路遇障礙物，返至超聲波換能器，將其接收的信號轉化成電信號，超聲波于空氣中經過，會有比較大的損耗。所傳回的超聲波信號十分微弱，于是在機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)超聲波測距調理電路中，JP3是接收換能器的輸出端，其中換能器輸出的引腳與0.047 μF電容濾波并接。5 VDC電源接入0.1 μF的電容濾波，連接好電路之后無需調制，僅需注意超聲波換能器的模擬地，就可以減少超聲波往返中的損耗和噪聲。

2 籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)軟件設計

機器人復雜路徑控制系統(tǒng)的軟件設計中，僅有控制器需進行軟件策劃?？刂破鱐MS320F2812的主要任務：超聲波的測距設計管理。結合籃球機器人復雜路徑控制系統(tǒng)的硬件部分，對系統(tǒng)軟件進行設計。由硬件中路徑跟蹤控制器實現(xiàn)的跟蹤控制功能是所提控制系統(tǒng)軟件部分的最核心操作。主控板的控制器軟件設計包含超聲波測距，這里將對此進行介紹。

在主控板控制器的流程中，籃球機器人的復位向量地址為程序入口和程序初始化。其中初始化內容包含：擴展方式、DARAM、倍頻等基本配置，這些配置均是多自由度籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)中的控制器使用的，最為基本的配置流程。初始化之后，會開啟相關的中斷程序，然后進入超聲波測距，并一直循環(huán)。如果產生中斷，那么立即中斷服務程序。

程序初始化中包含10 ms定時器0和定時器1以及串口，據(jù)此超聲波的測距流程：發(fā)射超聲波后，如有超聲波的反射信號返回，則由外中斷0計算接收的距離。如在定時器1，超聲波信號發(fā)射時，打開了定時器，定時的時間為最大超聲波測量距離傳輸時需要的時間。在定時器1中斷時，沒有外中斷0發(fā)生，則斷定并沒有超聲波反射回來，那么進入定時器1中斷時，將超聲波返回中斷以及超聲波傳輸時間定時器關閉，繼續(xù)下一次的超聲波測距并循環(huán)。

假設將各種定時器、計時器一起打開，并假設定時時間是14.7 ms，其對應的障礙物距離為5 m，如在定時器中斷時，還未收到超聲波，那么說明5 m內無障礙物，退出測距，并進入下個測距模塊。也就是說超聲波最大的測距為5 m，發(fā)射超聲波后的延時大概是1.2 ms，這是因為超聲波發(fā)射之后，可能會經過一定的耦合，至超聲波接收換能器中。如不經過延時而立即打開接收中斷，超聲波發(fā)射時基本就已經存在接收到的超聲波，發(fā)射超聲波延時的經驗值大概是1.2 ms，相當于超聲波在常溫下，空氣中傳播了40 cm，也就是說超聲波測的距盲區(qū)大概為20 cm，但這并不影響籃球機器人正常的多自由度。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗參數(shù)

實驗對象如圖4所示，實驗樓道環(huán)境俯視模型如圖5所示。其中的參數(shù)：機器人的驅動輪直徑為21 cm，輪寬為8.5 cm，輪距為46.5 cm，機器人的長度為110 cm，寬度為67.9 cm，線速的最大值為±100 cm/s，角速度最大值為±268°/s，最大負重為60 kg。設計選取超聲波發(fā)射的周期為10，40 kHz方波。超聲波測距的參數(shù)為：工作電壓+5 VDC，數(shù)據(jù)傳輸方式是串口RS-232，量程為40 cm，分辨率為1 cm，響應的時間為30 ms。

圖4 實驗對象 圖5 實驗樓道環(huán)境俯視模型圖

3.2 實驗環(huán)境

實驗平臺搭建在WINCC 6.0上，實驗在室內且周長為50 m*50 m的空間內，將圖4的實驗對象置于該室內，將所設計的復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)安裝在該籃球機器人內部，觀察改進系統(tǒng)的整體效果。

1)超聲波測距結果，很大程度上決定了控制系統(tǒng)呈現(xiàn)的效果優(yōu)良，將實驗迭代6次，觀察改進系統(tǒng)超聲波測距結果，實驗結果如圖6所示；

圖6 改進系統(tǒng)超聲波測距結果

2)將不同控制系統(tǒng)，應用在多自由度籃球機器人中，設置障礙物為10個，實驗迭代5次，觀察不同系統(tǒng)對障礙物的識別率(%)，結果如圖7所示；

圖7 不同系統(tǒng)障礙物識別率對比

3)觀察不同控制系統(tǒng)運行所用能耗對比，設能耗單位為μ，結果如圖8所示；

圖8 不同系統(tǒng)密集環(huán)境下最優(yōu)路徑搜索能力對比

4)在實驗環(huán)境中加入較為密集的障礙物，觀察不同系統(tǒng)在密集環(huán)境下跟蹤最優(yōu)復雜路徑的能力，實驗結果如圖9所示。

圖9 不同控制系統(tǒng)運行所用能耗對比結果

3.3 實驗結果

超聲波測距結果，很大程度上決定了控制系統(tǒng)呈現(xiàn)的效果優(yōu)良。為了驗證所設計的籃球機器人復雜路徑跟空控制系統(tǒng)超聲波測距精準度，采用改進系統(tǒng)進行超聲波測距，將實驗迭代6次，觀察改進系統(tǒng)超聲波測距結果，得到超聲波測距誤差結果如圖6所示。

觀察圖6可知，采用改進系統(tǒng)進行超聲波測距，觀察其超聲波測距誤差曲線，超聲波測距誤差值起初隨著迭代數(shù)量的增加而增大，當?shù)鷶?shù)量到4次時，出現(xiàn)最大超聲波測距誤差為0.5 cm，而后誤差值隨迭代數(shù)量的增加而減小。相比傳統(tǒng)系統(tǒng)，改進系統(tǒng)的超聲波測距誤差遠遠小于傳統(tǒng)系統(tǒng)的超聲波測距誤差，且誤差值有減小趨勢，充分說明改進系統(tǒng)的超聲波測距精準度更高，對機器人復雜路徑跟蹤控制效果更好。

分別將所設計的籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)與文獻[8]系統(tǒng)、文獻[10]系統(tǒng)應用在多自由度籃球機器人中，測試三種不同系統(tǒng)對障礙物的識別率(%)，驗證所設計的控制系統(tǒng)對障礙物的識別效果，三種不同系統(tǒng)障礙物識別率對比結果如圖7所示。

由圖7可知，依照超聲波測距為機器人提供了所遇障礙物距離信息，經發(fā)射超聲波路遇障礙物之后，會反射回來，從而識別障礙物的原理，采用文獻[8]系統(tǒng)測試機器人對障礙物的識別效果，其障礙識別率在迭代數(shù)量持續(xù)增加的情況下，沒有較大變化，障礙識別率的平均值為55%，障礙識別率曲線以平均值為基準上下波動。采用文獻[10]系統(tǒng)測試機器人對障礙物的識別效果，其障礙識別率隨迭代數(shù)量的變化不大，平均保持在70%，相較于文獻[8]系統(tǒng)，對障礙物的識別效果有所提高，但提高不明顯。采用改進系統(tǒng)對機器人障礙物識別效果進行測試，改進系統(tǒng)的障礙識別率隨著迭代數(shù)量的增加穩(wěn)步上升，當?shù)鷶?shù)量為5次時，障礙識別率近乎達到了100%。對比改進系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的障礙識別率可得，應用改進系統(tǒng)的機器人對障礙物識別能力遠遠超過應用傳統(tǒng)系統(tǒng)的機器人識別能力，充分說明改進系統(tǒng)的障礙物識別精度更高，應用改進系統(tǒng)的機器人具有更高的移動靈活度，對障礙物的識別效果更好。

分別對裝有改進設計的籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)、文獻[7]系統(tǒng)、文獻[8]系統(tǒng)的機器人，進行密集環(huán)境下最優(yōu)路徑搜索能力測試。在實驗環(huán)境中加入較為密集的障礙物，測試三種不同系統(tǒng)在密集環(huán)境下跟蹤最優(yōu)復雜路徑的能力，測得多障礙物環(huán)境下機器人運動軌跡如圖10所示。

圖10 多障礙物環(huán)境中機器人運動軌跡

由圖10可知，Start端為機器人運行起始點，Goal端為機器人運行終結點，周圍黑色圖形為實驗所設置的障礙物。安設三種不同系統(tǒng)的機器人均以此運行軌跡運行，所得三種不同系統(tǒng)最優(yōu)路徑搜索能力對比結果如圖8所示。

由圖8可知，當環(huán)境中的障礙物增多時，即密集環(huán)境下，采用文獻[7]系統(tǒng)進行最優(yōu)路徑搜索，其最優(yōu)路徑搜索時間的起始值為11 s,在實驗過程中，搜索時間雖有下降值，但總體隨著障礙物數(shù)量的增加，呈上升趨勢，說明障礙物越多，最優(yōu)路徑的搜索耗時越長。相同環(huán)境下，采用文獻[8]系統(tǒng)進行最優(yōu)路徑搜索，最優(yōu)路徑搜索時間起始值為6 s，隨障礙物的增多，搜索時間小幅度上升，曲線波動較為平穩(wěn)，相比文獻[7]系統(tǒng)，其最優(yōu)路徑搜索能力有所提升。而采用改進系統(tǒng)進行最優(yōu)路徑搜索，其最優(yōu)路徑搜索時間的起始值為4 s,遠遠小于文獻[7]系統(tǒng)、文獻[8]系統(tǒng)的搜索時間，說明改進系統(tǒng)最優(yōu)路徑搜索速度更快。再由改進系統(tǒng)最優(yōu)路徑搜索時間曲線可知，其搜索時間平均保持在4 s，不會隨著障礙物數(shù)量的增加而增加。對比三種系統(tǒng)的測試結果，充分說明采用改進系統(tǒng)的機器人，在密集環(huán)境下，最優(yōu)路徑搜索能力更強，改進系統(tǒng)的性能更優(yōu)，極具有效性和實用性。

分別將傳統(tǒng)系統(tǒng)和所設計的籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)安裝到實驗對象上，通過對復雜路徑進行跟蹤控制，測試兩種系統(tǒng)的運行能耗情況，設能耗單位為μ，兩種系統(tǒng)運行能耗對比結果如圖8所示。

觀察圖8可知，應用文獻[8]控制系統(tǒng)共的機器人在對復雜路徑進行跟蹤控制時，其運行所用的能耗平均值約為96 μ，當障礙物數(shù)量為6個時，出現(xiàn)最大運行能耗，為105 μ，從圖中可以看出，該系統(tǒng)的運行能耗隨著障礙物數(shù)量的增加快速增長。應用文獻[9]控制系統(tǒng)的機器人在對復雜路徑進行跟蹤控制時，其運行所用的能耗平均值約為85 μ，當障礙物數(shù)量為6個時，出現(xiàn)最大運行能耗值為90 μ。應用改進系統(tǒng)的機器人對復雜路徑進行跟蹤控制后，其運行所用能耗平均保持在45 μ，當障礙物數(shù)量為2個時，運行能耗最大，為49 μ。對比改進系統(tǒng)與文獻[8]系統(tǒng)、文獻[9]系統(tǒng)的運行能耗平均值，相差45 μ，改進系統(tǒng)的運行能耗僅僅是文獻[9]系統(tǒng)運行能耗的一半，是文獻[8]系統(tǒng)云性能耗的四分之一。實驗結果可充分說明，改進系統(tǒng)的運行能耗更低，應用改進系統(tǒng)的籃球機器人具有長久的使用時長，運行效果更佳，同時驗證了改進系統(tǒng)的實用性。

綜上所述，通過超聲波測距誤差分析、障礙物識別率分析、運行能耗分析及密集環(huán)境下最優(yōu)路徑搜索能力分析，實驗結果充分表明，所設計的籃球機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)具有超聲波測距精度高、障礙物識別率高、運行能耗低、最優(yōu)路徑搜索能力強等良好性能，驗證了該系統(tǒng)的可行性、有效性及實用性。

4 結束語

當前的機器人學所涉及的現(xiàn)代技術、計算機系統(tǒng)和傳感器技術等多門學科，其中機器人復雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)，是使機器人正常運轉的關鍵。經過上述的實驗可知，本文所提方法具有可行性，但也有一些方面需要進一步提高。

考慮到機器人運動控制系統(tǒng)易用性，應將相關獨立硬件更好地連接到同一系列電路上，盡量減少系統(tǒng)的連接線，應對移動機器人復雜路徑跟蹤控制策略進行深度研究，這樣可以更好地服務大眾。

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Design of Complex Path Tracking Control System for Multi DOF Basketball Robot

Chen Yang,Gong Bo

(Fourth Military Medical University,Xi′an 710032,China)

In order to solve the problem of low complexity, low running energy consumption and so on, the design method of complex complex path tracking control system of multi degree of freedom robot based on ultrasonic is proposed. Through the interface circuit design of the control system of MAX232 chip, the construction of monitoring circuit with low power consumption CMOS monitoring circuit chip MAX706, ultrasonic wave can provide accurate robot with obstacle distance information, such as a barrier will receive the information converted to form electrical signals back to the main control board. The software uses the program of the main board controller and the design of ultrasonic ranging program. The experimental results show that the designed control system can improve the recognition rate of the obstacle and reduce the energy consumption of the system.

multi degree of freedom;basketball robot;complex path;tracking control

2017-09-01；

2017-10-13。

陳 楊(1986-)，男，陜西商洛人，大學，助教，主要從事體育教育方向的研究。

1671-4598(2017)12-0095-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.025

TP242

A