（机械电子工程专业论文）足球机器人控制系统与无线通信系统研究.pdf

山东理工人学硕士学位论文摘要 摘要 本文对足球机器人控制系统与无线通信系统进行研究及设计，并成功运用 于f i r a 半自主机器人足球赛。 首先，建立机器人的运动学模型，奠定控制理论基础；建立直流电机的数 学模型并仿真，完成控制算法的参数整定及采样周期确定；对机器人控制系统 进行分析，建立它的总体设计方案；重点设计了控制系统的各个子模块，给出 了硬件电路图以及控制算法流程。 其次，对足球机器人的无线通信系统进行设计。对该系统的通信机理进行 分析，设计了基于突发模式的无线通信程序；给出了整个通信系统的硬件电路 图以及通信算法流程：针对传统拨码开关费时、可靠性差等缺点，设计了通信 拨号软件及下位机车号显示模块，实现了调试、拨号过程简单化。 最后，制作出两大系统电路板，试验结果和比赛均验证了该系统的可靠性。 其中，硬件电路在p r o t e ld x p 下实现，软件在s i l i c o nl a b o r a t o r i e si d e 环境下 用p l m 语言实现。 关键词：足球机器入；控制系统；无线通信系统；电路板 山东理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o n t r o ls y s t e ma n dw i r e l e s ss y s t e mo fr o b o ts o c c e rw a sd e s i g n e di nt h e p a p e ra n dt h e yw e r eu s e ds u c c e s s f u l l yi nf i r ac o m p e t i t i o n t h ef i r s t ，s e t t l i n gt h et h e o r yb a s i sb yp r e s e n t i n gi t sk i n e m a t i c sm o d e l t h e p a r a m e t e ro fc o n t r o la l g o r i t h mw a s d e t e r m i n e db yb u i l d i n gt h ed cm o t o rm o d e l w i t hs i m u l a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h es a m p l i n gp e r i o dtw a sd e t e r m i n e d t h e c o n t r o ls y s t e mo fs o c c e r r o b o tw a sa n a l y z e da n dt h ew h o l ed e s i g np r o je c tw a ss e t u p t h ep a p e rm a i n l yd e s i g n e dt h es u b s y s t e mh a r d w a r ec i r c u i ta n dg i v e st h e a r i t h m e t i cn o wo fs o f c w a f e t h e n ， t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e mw a sd e s i g n e d t h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r eb a s e do ns h o c kb u r s tm o d ew a sd e s i g n e db ya n a l y z i n g t h ec o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m t h ep a p e rm a i n l yg i v e st h eh a r d w a r ec i r c u i ta n d t h ea r i t h m e t i cn o wo fs o f t w a r e t h ec o m m u n i c a t i o nd i a l i n gs o f t w a r ea n dd i s p l a y m o d u l ew e r ed e s i g n e dt os i m p l i f yt h ed i a l i n gp r o c e s sb e c a u s eo ft h et r a d i t i o n a l c o d es w i t c hw i t hp o o rr e l i a b i l i t ya n dt i m e - c o n s u m i n g t h e e n d ， t h ec i r c u i tw a f e r so ft w os y s t e m sw e r em a d ea n di tw a s d e m o n s t r a t e dt h a tt h e ys a t i s f i e dt h ef i r ac o m p e t i t i o nc o m m a n d t h eh a r d w a r e w a sr e a l i z e di nt h ep r o t e ld x pa n dt h es o f i t w a r ec a m et r u ei nt h es i l i c o n l a b o r a t o r i e si d ec i r c u m s t a n c ew i t hp l ml a n g u a g e k e yw o r d s ：s o c c e rr o b o t ；c o n t r o ls y s t e m ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；c i r c u i tw a f e r i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：形磊匆 时间： w r 年多月f 7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：秋毳电 导师签名： 细l l ：3 考 时间：撕孑年f 月l - 7 日 时间：o 胆6 凡砌日 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 机器人足球简介 第一章绪论 机器人足球比赛是近十年来在国际上迅速开展起来的高科技对抗运动， 它集娱乐、竞赛和高科技于一身，因而引起了社会的广泛关注。目前具有世界 影响力的机器人足球比赛主要有两个，国际机器人世界杯联合会主办的机器人 足球世界杯比赛r o b o c u p ( r o b o tw o r l dc u p ) 和国际机器人足联主办的微型机 器人足球世界杯锦标赛f i r a ( f e d e r a li n t e r n a t i o n a lr o b o to fa s s o c i a t i o n ) 。f i r a 与r o b o c u p 的最大区别是前者是集中控制，而后者是分布控制【l 】。为了交流 和比较，这两大组织从1 9 9 7 年开始每年都举办相应的机器人足球世界杯赛和 相关国际会议。 目前，f i r a 和r o b o c u p 所开展的主要比赛类型如表1 1 所示【2 j ： 表1 1 机器人足球比赛类型 机器人足球赛涉及到人工智能、机器人学、无线通信、传感器和精密机械 等诸多领域的前沿研究，它从一个侧面反映了一个国家信息自动化领域和高科 技发展的水平1 2 3 l 。另外，机器入足球比赛又是一个典型的多智能体系统，它 之所以成为多智能体系统的研究平台，因为它是多智能体系统的理想突破口， 能够为多智能体系统理论与实际的结合提供一个具有吸引力的载体。随着人工 智能的发展，研究方向已经由原来的静态系统转为动态实时系统，从符号学转 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 为非符号学，从单智能体转为多智能体，所以它是继机器人象棋之后人工智能 发展的又一个里程碑。 机器人足球赛主要有以下特性【3 4 】： ( 1 ) 机器人足球比赛是一个机器人群体对抗另一个机器人群体的分布式 多机器人系统。双方都为了一个共同目标，想取得最终的比赛胜利。 ( 2 ) 比赛场上，双方的态势时时刻刻变化的。双方的机器人必须实时了 解对方和我方阵营的动态变化，并根据这一变化判断出目前的形势，重新组织 阵形。 ( 3 ) 比赛双方除了要进行实时判断之外，还要尽可能在己方各智能体之 间通过无线通信来进行协调，这是机器人之间的协调机制和实时知识处理。 ( 4 ) 群体中相互作用的个体是分布式的，这样更能适应当前网络环境下 的工作状态。 ( 5 ) 由于机器人之间是通过非直接通信来进行合作，这样的系统具有更 好的扩展性。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国外研究现状 机器人足球由加拿大哥伦比亚大学教授a i a n 在19 9 2 年的一次国际人工 智能会议上提交的论文o ns e e i n gr o b o t 首次提出的。l9 9 3 年，这篇文章 又被收入到c o m p u t e rv i s i o n ：s y s t e m ，t h e o r ya n da p p l i c a t i o n 一书【5 】。他的目 的是想通过机器人足球赛，为人工智能和智能机器人的发展提供一个具有标志 性和挑战性的课题。此想法一经提出，便得到了各国科学家的普遍赞同和积极 响应，并付诸使之实现。 自九十年代以来，国际上已经有各种各样的足球比赛，机器人足球波及的 范围越来越广，比赛类型不断升级，从起初的软件方针比赛，到轮式机器人， 直到今天的人形机器人比赛出现，比赛规模在逐年扩大，比赛水平迅速提高。 目前，韩国和日本在机器人领域处于领先地位，他们不仅参赛种类多，而且技 术实力明显领先于其它国家。 目前，从国际机器人足球比赛看，随着硬件技术的提高，特别是机器人制 造技术水平，无线通信技术以及计算机视觉信息处理水平的提高，研究的重点 已经转向了多个机器人的协作和单个机器人的控制水平研究。尤其在决策系统 中，每个参赛队伍都投入了较大技术力量进行研究。在人工智能方面：可视图 2 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 法【6 1 、b s p l i n g 法【、动态二叉树表示环境的a 算法等均在足球机器人得到了 研究与应用。 另外，国际产业界也在关注并参与机器人的发展，日本的s o n y 公司和 韩国的s u n s u n g 公司都是机器人组织的长期赞助商。机器人比赛正以一种高 科技对抗性的形式赢得了国际学术界的认可，一些学术刊物都出版了机器人足 球系列专辑。一年一度的世界杯赛同时召开学术会议，一些有影响的国际学术 会议都安排了这方面的专题讨论，这都有力地推动了机器人足球的发展。 1 2 2 国内研究现状 我国足球机器人虽然起步较晚，但充分利用后发优势，近几年发展也非常 迅速，有些已经接近甚至达到了国际领先水平。在仿真方面起步较早，研究的 内容主要集中在策略开发。哈尔滨工业大学开发的仿真软件平台在国内得到了 很好的应用，武汉工程大学的仿真机器人足球队也有五连冠的美誉。但实体型 机器人的研究起步较晚，与国外差距比较大，只是近几年在国家8 6 3 国家专家 组基金和国家自然科学基金委的支持下，才逐渐有了这方面的研究。在f i r a 半自主足球机器人方面，国内已经出现了两强鼎立的局面，最早开发的是东北 大学，近几年来，河海大学的发展势头也很猛。对于f i r a 机器人来说，大多 数高校和科研所主要在上位机( 视觉系统和决策系统) 方面进行开发。但是， 实际比赛证明，下位机作为比赛的载体，在整个系统中也占有非常重要的地位， 它是整个足球机器人系统性能好坏的反应。 在控制系统方面，历年参赛的队伍所使用的c p u 主要是单片机和d s p 。虽 然d s p 应用已越来越广泛，但从比赛成绩看，尤其在f i r a 赛制下，国内的两强 东北大学和河海大学均采用增强型单片机作为主控芯片。另外，控制系统作为 移动机器人研究的一个重要领域，许多学者在该领域做了大量的研究。比如： 在文献 8 1 1 】中，叙述了利用高性能处理芯片( 如：a r m 7 、l f 2 4 0 7 d s p 芯片、 l f 2 81 2 d s p 芯片) 作为的机器人底层运动控制核心，并用p i d 控制算法、智能p i d 控制算法及单神经元自适应p i d 控制算法实现对机器人的速度控制。在无线通 信系统方面，目前以采用b i m 4 18 4 3 3 f 模块的队伍较多，比如：广东工业大 学、东北大学等。该领域的研究重点已经由硬件研究转向了通信协议设置，以 使机器人有尽可能短的通信时间和比较高的可靠性。总体说来，下位机已经向 集成化、快速化和智能化方向发展。 目前国内具有代表性的机器人队伍有：东北大学“牛牛队”、河海大学“e 龙队”、中国科学技术大学“蓝鹰队”、清华大学“t s i n 曲u a e o l u s 队”等l l2 。我校 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 足球机器人研究起步较晚，主要在f i r a 半自主足球机器人方面进行了研究与 设计。 1 3 关键技术 足球机器人各个子系统涉及到多种相关技术，可以用表1 2 简单表示【1 3 】。 本课题主要涉及到其中的无线通信技术和机电一体化技术。 无线通信技术的目的解决各球员机器人之间的通信，通过通信不但能实现 各机器人之间的合作与协调，而且还能提高目标的定位精度。该技术可适应于 无线网络、分布式控制、信息电气工程系统的开发。 机电一体化技术给机器人球队提供一个具有一定知识的大脑，供机器人部 分决策使用，因而它是机器人的控制核心。在机器人控制系统中，硬件与软件 的综合是一项很重要的课题，该技术可适用于各种嵌入式计算机系统的开发。 表卜2 机器人关键技术 涉及关键技术 计算机视觉技术 在线检测技术 人工智能应用系统 机电一体化技术 模糊控制技术 多传感器融合技术 无线通信技术 人机接口技术 软硬件集成技术 多智能体协作技术 通信抗干扰技术 精密制造技术 1 4 课题来源、意义及主要研究内容 1 4 1 课题来源及意义 本课题来源于山东理工大学制造业信息化技术创新研究团队项目“竞赛机 器人研发”。 “机器人足球赛”是以足球为载体的高科技研究和对抗，它涉及到人工智 能、计算机视觉、自动控制、精密仪器、传感和信息等一系列学科的创新研究 和集成，一定程度上反映出一个国家在信息和自动化技术方面的实力。 机器人足球课程是素质教育、创新教育与前沿研究相结合的一条可行途 径。与传统的知识传授和技能培养为目标的课程不同，足球机器人及球队的研 4 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 制具有实践性强、探索性强和综合性强等特点，有利于迅速接触前沿研究，并 促使选课同学的创新能力和专业素质得到提高。 机器人足球赛既是高科技的竞争，它又具有足球的观赏性和娱乐性。因此， 必将吸引大批的“球迷”。另外，随着普及程度的提高，越来越多的非专业人员 可以参与非专业性的机器人足球赛。可以预计，机器人足球赛将产生和人类足 球赛类似的吸引力，进而形成类似的“职业联赛”和“俱乐部”体制。举办机器人 足球比赛为人工智能和机器入学的研究者提供了交流的机会，加速了相关技术 的发展。在比赛及其准备中，各种新的理论、方法和技术层出不穷【1 4 】。由于 我国在足球机器人方面与世界最高水平的差距远远小于我国人类足球与世界 先进水平的差距，因而会对社会产生更大的吸引力，所以，机器人足球赛本身 将可以形成一个与人类足球赛类似的产业。概括来说，机器人足球是以体育竞 赛为载体的前沿科研竞争和高科技对抗，是培养信息与自动化科技人才的重要 手段，同时也是展示高科技进展的生动窗口和促进科技成果实用化和产业化的 新途径。 在上述教育普及和”职业联赛”的带动下，有望形成一系列新的市场需求和 相关的产品，如面向非专业人员的网络比赛环境、网络直播软件、自动评论员、 各种硬件机器人的产品和配件( 如高性能电源、电机、传感器、无线通讯设备) 等。 1 4 2 课题的主要研究内容及创新点 本课题以f i r a 半自主足球机器人为背景，对它的控制系统和无线通信系 统两大模块进行了研究。其中，控制系统的主要研究内容有：c p u 控制单元、 电机驱动单元，车号显示单元，控制反馈单元等。无线通信系统的主要研究内 容是基于突发式( s h o c kb u r s t ) 的无线通信控制，包括它们的硬件和软件设计。 最后，编写了通信测试软件及制作电路板。控制系统c p u 采用c 8 0 51 f 0 19 单 片机，通信系统采用2 4 g h z 频段的无线收发模块n r f 2 4 0 1 a 。 本论文将在上述几个方面展开深入的研究，各章的主要内容及创新点如 下： 第一章：从机器人足球比赛是多智能体研究平台这一角度出发，介绍了足 球机器人比赛的国内外研究现状、发展趋势，涉及的关键技术与意义。 第二章：介绍了f i r a 半自主足球机器人比赛系统的构成，并对整个比赛 系统四个子系统的工作原理及其作用作了简单介绍。 第三章：首先分析了足球机器人的运动学模型，为后续足球机器人研究奠 定理论基础。重点对足球机器人控制系统的硬件进行设计，包括c p u 控制单 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 元、电机驱动电路等、反馈电路等。另外，摒弃了传统的拨码开关电路，创新 性的设计车号显示电路，方便了调试过程且增强了系统的可靠性。 第四章：对足球机器人控制系统的软件进行设计，包括各个子模块的软件 及下位机测试拨号程序。 第五章：对足球机器人通信机理进行研究；摒弃了传统的b i m 4 18 4 3 3 f 通信模块，设计了基于n r f 2 4 0 l a 的通信硬件电路和基于s h o c kb u r s t 的无线 通信程序；设计了通信拨号软件，实现了拨号、调试简单化。 第六章：对电路板进行制作、调试。最后对足球机器人控制系统和无线通 信系统进行性能测试，测试结果与实际比赛都验证该系统完全f i r a 半自主比 赛要求。 第七章：结束语。总结了全文的研究工作，同时也指出了不足之处，提出 了需要进一步研究和开发的工作。 论文结构如图1 1 所示。 第一章绪论 一 8 第二章f i r a 足球机器人比赛系统 0o0 第三章足球机器人第四章足球机器人第五章足球机器人无线 控制系统硬件设计控制系统软件设计 通信系统研究与设计 0且旦 第六章电路板的制作、调试和性能测试 疗 第七章总结与展望 图1 1 论文结构图 6 山东理工大学硕士学位论文第二章兀l 认半自主足球机器人比赛系统 2 1 引言 第二章f i r a 半自主足球机器人比赛系统 国际机器人足球联合会( f i r a ) 成立于1 9 9 7 年，总部设在韩国的大田， 该组织每年组织一次机器人足球世界杯赛，相伴而行的还要举行这一领域的学 术研讨。其中f i r a 半自主形式国内的比赛主要有3 v s 3 ，5 v s 5 和1 1 v s l l 三个 组别，下面以1 1 v s “的比赛为例简单介绍。 根据f i r a 比赛规则，比赛双方各有1 1 个长、宽、高都不超过7 5 c m 的 足球机器人组成，在长4 4 m ，宽2 8 m ，墙高5 c m 的场地上进行比赛，机器人 的任务就是将橘红色的高尔夫球( 足球) 弹进对方的球门同时要尽量保证本方 少失球。它与真实的比赛规则稍微不同，但大部分都是一样，比如点球、门球 等。图2 1 为机器人足球比赛赛场的全视图【l 引。 2 2 比赛简介 图2 1 机器人足球比赛全视图 足球机器人和机器人足球运动是近几年在国际上迅速开展起来的高科技 对抗运动。比赛由两只球队组成，由位于场地上方的摄像头捕捉场地信息，并 把图像信息传递给场地外计算机，由主机对图像信息进行识别以辨识场上局 势，并根据分析结果调用决策，控制指令通过无线通信系统发送给场地内的机 器人，最后，由机器人小车完成比赛任务。具体的比赛规则可以参见比赛规则 说明书，在此不做叙述。m i r o s o t1 1 v s l l 是目前f i r a 最具观赏性的一个项目， 7 山东理工大学硕f ：学位论文 第二章f i r a 半自主足球机器人比赛系统 实际比赛照片如图2 2 所示。该系统在硬件方面主要包括足球机器人、摄像装 置、计算机主机、无线发射接收装置。从功能上可分为控制、视觉、决策和通 信四个子系统。整个过程不得有人的参与，完全是计算机自主指挥机器人比赛。 图2 2m i r o s o t1 1 v s l l 比赛照片 目6 订，f i r a 比赛的主要项目如表2 1 所示： 表2 1f i r a 比赛主要项目 机器人场地 项目 名称 尺寸( c m )队员数尺寸( c m )球 n a r o s o t超微机器人足球赛4 4 5513 0 9 0 乒乓球 s m i r o s o t单微机器人足球赛7 5 7 5 7 51 1 3 0 9 0 高尔夫球 3 1 5 0 13 0 52 2 0 1 8 0 m l r o s o t微机器人足球赛7 5 7 5 7 5 高尔夫球 72 8 0 2 2 0 1 14 0 0 2 8 0 r o b o s o t小型机器人足球赛】5 15 3 03 曲棍球 h u r o s o t拟人机器人足球赛1 5 4 01 高尔夫球 2 3 系统组成 f i r a 半自主足球机器人系统由四部分构成，即：视觉系统、决策系统、 无线通信系统和机器人控制系统。从自动控制理论角度看，这四部分构成了一 个大的闭环系统【16 1 ，其系统构成如图2 3 所示。 对该系统的整体技术要求如下： ( 1 ) 视觉系统 山东理工人学硕士学位论文第二章f l r a 半自主足球机器人比赛系统 速度2 5 帧秒，位置精度优于士2 5 m m ，方向精度优于士2 5 。 一日 l ： 图像识别 i 软件 io -_- 一 i视觉系统 1r - 一一= = 。= ：二：一 i 决策系统 控制芦统 ri 无 蚓上囫 线 通 - 一 信 。1 7 。一一r 一l 固囱 系 ； 统l 园 豳 i - 一一 摄像头 图2 3f i r a 足球机器人结构图 ( 2 ) 决策系统 进攻有力，防守稳固，有多种转换且攻防转换迅速、协调性好。 ( 3 ) 通信与控制系统 通讯频率3 8 4 k h z ，两种以上调制频率，帧误码率小于1 ，每帧通讯数 据量为2 5 b y t e s ( 5 b y t e s 头尾，4 幸5 b y t e s 命令数据) 。 。 控制响应时间短，运动平稳，速度稳定误差优于士5 ，动作切换平滑。 ( 4 ) 机械结构 车轮运行平稳，连接件牢靠，重心低，电池更换方便。 2 3 1 视觉子系统 视觉子系统一般由数字摄像头、1 3 9 4 卡等硬件设备及图像处理软件组成。 它由悬挂在球场中圈上空大约2 米的摄像头获取球场上的信息，产生连续的视 频图像。由装在主机内的视频卡将图像数字化，再由专门的软件对图像进行理 解，得出机器人与球的位置和朝向，并将这些辨识数据提供给决策系统供决策 使用。 足球机器人视觉系统预处理主要包括图像恢复、图像增强和场地标定。图 像恢复主要是补偿由光学镜头所带来的图像畸变。图像增强是根据光照条件调 整图像的色度、亮度等，使图像的效果达到清晰和亮度分明。场地标定的任务 是指定场地的边界，通过场地标定，在识别时就可以只处理边界内的信息。 9 山东理工大学硕士学位论文 第二章f i r a 半自主足球机器人比赛系统 视觉子系统工作流程如图2 4 所示。 2 3 2 决策子系统 图2 - 4 视觉系统工作流程图 一般认为，决策子系统由决策模型和机器人行为控制两个部分组成【1 7 】。 它根据辨识数据安排己方的策略，决定是进攻还是防守，同时确定出机器人队 形及其角色分配。机器人的策略存在于自己的策略库中，根据比赛情况和经验 进行提取，各种智能算法如人工智能、神经网络、遗传算法等都可以应用到策 略编程中。该子系统根据所选择的策略，计划机器人的任务，从动作函数库中 调出相应的动作函数，产生控制机器人左右轮的速度控制命令，整个决策子系 统流程如图2 5 所示。 图2 5 决策子系统流程图 实际比赛中，决策子系统的载体是一台计算机，其决策功能由计算机内运 行的决策程序实现【1 引。视觉子系统返回的图像数据，经分析后，从决策库中 调出合适的决策方式，对各个机器人进行角色分配、路径规划、战术配合等。 现在存在着大量的决策模型和算法，例如：时间分区控制法【1 9 1 、角色分配 法【2 0 1 等等。目前以徐心和教授提出的足球机器人的六步推理模型最为成熟， 1 0 山东理工大学硕士学位论文第二章f i r a 半自主足球机器人比赛系统 以此为基础设计的足球机器人系统在国内外取得的成绩也比较好。它的主要思 想是：在足球机器人系统中，决策子系统的任务是根据当前球场上的比赛形式， 做出部署，发出控制指令，做了教练员的职责。但是，人对球场上的信息处理 通常是在模糊的概念上，如远、近、快、慢、有利、无利等等，可用自然语言 进行推理、决断，而足球机器人面对的是精确的数据和刻板的程序设计语言， 如何将教练员的决策思维过程形式化、规范化，并用计算机程序表现出来，这 是决策子系统的难点。因此，东北大学徐心和教授提出：决策子系统在制定决 策时应更多的参照盲人教练思维过程展开，以实现专家知识和决策过程形式 化，并提出了如下的六步推理模型【2 1 】【2 2 】【2 3 】： ( 1 ) 输入信息预处理( 计算有关实体速度、相对距离、角度等) ； ( 2 ) 态势分析和决策选择； ( 3 ) 队形确定和角色分配； ( 4 ) 目标位置确定； ( 5 ) 运动轨迹规划； ( 6 ) 轮速确定； 2 3 3 无线通信子系统 根据机器人足球比赛的规则，需要采用无线通信。主机的控制指令通过计 算机的串行口发送出去，机器人的通信接收器接收信号，然后传递给机器人控 制系统，由于机器人的空间有限，通常采用单向通信方式。通信系统能够利用 一台发射机对多个机器人发动任务信号，特点是：一对多、频率可选、结构紧 凑、通信速率高和性价比高等【2 引，具体要求如下： ( 1 ) 足球机器人系统由一台主机( 若有必要，可以增加) 指挥多个机器 人进行比赛，每个机器人得到的命令各不相同，因此要求无线通信系统能够利 用一个发射器对不同机器人发射不同的信号。 ( 2 ) f i r a 规定，为了避免干扰，每支机器人足球队至少要有两种通信频 率可供选择。 ( 3 ) 对机器人尺寸大小有严格限制，因为其电路空间资源非常宝贵，所 以在机器人电路板设计过程中必须考虑无线接收器尺寸，尽可能使其集成化。 ( 4 ) 由于足球机器人是一个实时的快速系统，所以要求它的通信速率尽 可能高。 ( 5 ) f i r a 比赛是一种基于全局视觉的足球机器人系统，机器人本身的智 能水平较低，要靠上位机的指挥来准确快速的完成攻防转换，如果发生通信错 误会造成机器人的误动作，所以要求通信系统有非常高的可靠性。 山东理丁大学颂l j 学位论义第二章f i r a 半自主足球机器人比赛系统 2 3 4 机器人小车子系统 足球机器人是机器人足球系统的执行者，其性能好坏在一定程度上决定了 比赛的胜负，所以机器人小车应该具有良好的稳定性和灵活性，并能准确接收 上位机指令且完成基本动作【2 川。机器人( 小车) 子系统一般由动力驱动装置、 无线通信接收单元、c p u 电路板和能源部分组成。 由于受尺寸限制，选择一个在功能、尺寸和功率消耗均合适的c p u 是非 常重要的，本课题采用s i l i c o n 公司生产的增强型单片机芯片c 8 0 5 1 f 0 1 9 作为 机器人的c p u 。由于f i r a 足球机器人一般采用双电机驱动，且电机都带有光 电编码器，所以通过它可以获得电机的反馈速度。机器人通过减速箱可以获得 较高的力矩。另外，它的能源系统必须存有足够能量，以供半场比赛需要。图 2 6 是目前f i r a 半自主足球机器人的外观图。 顶 图2 6 机器人外形图 对于机器人的机械结构，必须满足f i r a 如下规定1 2 川。 ( 1 ) 每个机器人的尺寸被限定为7 5 c m 7 5 c m 7 5 c m ，在确定机器人尺 寸时不考虑通讯天线的高度。 ( 2 ) 每个机器人必须完全独立，自带电源和运动机构。主计算机和机器 人之问的联系只允许使用无线通讯。 ( 3 ) 机器人允许装配手和腿等，但即使其附肢充分伸展，也应遵守尺寸 约束。除守门员外，其它机器人不允许抓球或静态持球超过球体的3 0 ，无 论从顶部或侧面看均如此。 2 4 本章小结 本章介绍了f i r a 半自主足球机器人比赛系统的系统构成，并对整个比赛 系统的四个子系统作了简单的介绍。 山东理工大学硕士学位论文 第三章足球机器人控制系统硬件设计 第三章足球机器人控制系统硬件设计 本章主要开展了以下研究工作：( 1 ) 对轮式移动机器人( w h e e l e dm o b i l e r o b o t ，w m r ) 瞄7 】的移动机构进行分析，并建立了双轮移动机器人的运动学方 程，为足球机器人的控制奠定理论基础。( 2 ) 建立整个控制系统硬件电路的设 计方案，对硬件电路的各个子模块( 如：时钟电路、电压转换电路、电机驱动 电路、鉴相与测速电路、j t a g 接口电路) 分别进行详细的设计。( 3 ) 当前足 球机器人的号码识别模块采用费时且稳定性差的拨码开关，在本系统中，设计 了省时、简单且可靠的车号显示电路。 3 1 引言 足球机器人控制电路是整个足球机器人子系统的核心，电路控制性能体现 了整个足球机器入系统的好坏，它的性能优劣对整个系统起着举足轻重的作 用。 在足球机器人系统包括的四个子系统( 视觉、决策、通信和控制) 中，机 器人小车是最终的执行者，其性能好坏在一定程度上决定了比赛的胜负，评价 一个足球机器人小车的性能指标主要如下： ( 1 ) 稳定性 ( 2 ) 快速性 ( 3 ) 灵活性 机器人小车一般由车体、车轮、驱动装置( 电机、减速器、光电编码器) 、 通信接收模块、控制模块和电源模块等组成。整个系统中足机器人的任务是正 确接收来自上位机的运动指令，并根据指令的要求，迅速、准确的完成决策系 统所要求的动作，因此机器人子系统是整个系统设计的关键之一。 根据以往经验，机器人的设计制作应满足以下功能和要求： ( 1 ) 几何尺寸：根据f i r a 的比赛规定，7 5 幸7 5 幸7 5 c m 是机器人的最大尺 寸，因此机器人车体包括各个功能模块应尽可能小型化，各功能元件尽可能采 用专用芯片。 ( 2 ) 运动方式：在轮式机器人移动中，不易采用自由度太多，因为小车受 到外力作用时，其位置会轻易变化。 ( 3 ) 节能性：由于机器人的每个功能模块都是以车载能源驱动，所以应尽 可能选择高效、通用的能源。一般应采用充电电池驱动，同时各功能模块尽可 1 3 山东理工大学硕士学位论文第三章足球机器人控制系统硬件设计 能设计成低功耗，以便节能。 ( 4 ) 坚固性：在比赛过程中，机器人之间碰撞和顶牛现象经常发生，因此 在机械设计方面，机器人必须有较高的强度，良好的坚固性，并且各模块之间 连接要牢固。顶牛时，零部件不能脱落，元件不能烧毁。 ( 5 ) 性价比：在经济成本上要适当，在保证性能的基础上，尽可能使用通 用器件，尽可能通过软件来提高系统性能，保持比较高的性价比。 ( 6 ) 可靠性和安全性：由于机器人受到多方面的干扰，因此对机器人的结 构及控制系统都提出了更加严格的要求。它应具有较高的可靠性，在干扰下不 失控。 3 2 足球机器人运动学分析 目前，w m r 和自动向导小车( a u t o m a t e dg u i d e dv e h i c l e ) 已在商业中得 到了广泛应用，对这两种不同结构小车的研究近年来也得到了广大学者的关 注。w m r 是指能够仅仅凭借安装在机器人身上的轮式装置与平面接触并在平 面上运动的机器人。车轮式移动结构与步行式移动机构相比，它所消耗的能量 要比步行式小得多，另外它的移动方向容易控制且效率高，所以得到广泛的应 用。根据轮数的多少可以分为2 轮、3 轮、4 轮、6 轮以及多轮移动机构。本 课题的足球机器人是一种采用双轮的轮式移动机器人。 3 2 1w m r 移动机构 移动机器人的轮子可以分为两种类型：传统轮( c o n v e n t i o n a lw h e e l s ) 和 瑞典轮( s w e d i s hw h e e l s ) 。传统轮是指与地面接触且满足纯流动而不滑动的 条件，可分为固定轮( f i x e dw h e e l s ) 、中心方向轮( c e n t e r e do r i e n t a b l ew h e e l s ) 和偏心轮( o f f - c e n t e r e dw h e e l s ) 。瑞典轮由于应用较少，在此不作解释。 固定轮的轮子固定在机构上，方向不能转动，运动限制条件是不能沿着垂 直于轮面的方向运动。中心方向轮的方向转动轴在轮子与机构固定点到轮子中 心的连线上，同时轮子还可以沿转动轴进行转动。偏心轮是指在工程中常将曲 柄设计成偏心距为曲柄长的偏心圆盘。 3 2 2 双轮机器人运动学方程 足球机器人采用的是固定轮子的双轮式结构，两个轮子共轴但独立。如图 1 4 山东理工大学硕士学位论文第三章足球机器人控制系统硬件设计 3 1 所示，点p 在y 方向没有运动，假定地面和轮子之间没有滑动，沿直线作 纯滚动运动，即每瞬时与地面接触点c 的速度等于零。点p 的速度： 矿= ( 尺缈) 易。用坐标( x ，y ) 和小车纵轴与x 轴之间的夹角口，来描述机器人 的位姿p 【2 8 】。 图3 1 车轮运动示意图 其中：q 为x 轴的单位向量。 一般情况下，足球机器人的运动模型可以认为是一种无侧滑、纯滚动的两 轮独立驱动的移动小车模型。小车的运动包括两个部分：小车中心的平动和绕 、 中心的转动。如下图3 2 所示： y 图3 2 理想移动小车模型 根据该运动模型，小车的位姿( 位置、方向) 与速度( 线速度、角速度) 之间存在如下关系2 9 】： 心甜吮( 3 1 ) 气ij lj 【2r 其中：，- 一车轮半径 国加缈r 一左右轮角速度 机器人质心的瞬时速度： y = ( 圪+ ) 2 ( 3 - 2 ) 其中：圪，分别是机器人左右轮速度。 对于一个转动构件，它任意一点的转动角速度相同，所以有：珞= k + 础 则机器人质心的瞬时角速度为：缈= ( 一圪) 2 ( 3 3 ) y 为质心的瞬时线速度，因为速度瞬心位于轮轴线上，因为y 的方向始终 1 5 山东理工大学硕士学位论文 第三章足球机器人控制系统硬件设计 垂直于轮轴，即y 的正向方向与小车正向标线重合：缈为小车的角速度，它的 正向设定如上图所示；( x ，y ) 为质心坐标；秒为小车正向标线与似轴的夹角。 小车的速度向量定义为： u ：m ： l 国j 1 2 1 2 三 ( 3 4 ) 从式( 3 4 ) 可以看出机器人质心线速度儿角速度向量缈与轮速向量u 的关系。由于存在着非奇异的转换矩阵，因此可以通过控制任意速度向量来改 变机器人的位姿。从控制的角度来说，这两个向量是等价的。 根据小车轮子侧向没有滑动的假定，在运动过程中等式( 3 5 ) 始终满足， 其物理意义是小车在轮轴方向的速度始终为零。即小车受到非完整约束 ( n o n h o l o m i cr e s t r i c t i o n ) 3 们。 x s i n 秒一y c o s 目= o ( 3 - 5 ) 式( 3 5 ) 意味着，小车运动时的瞬时速度方向，始终与小车的朝向相同， 小车的方向改变只能通过两个轮子的差速来实现，如下图3 3 所示。 i c r 图3 3 小车运动示意图 其中：三一小车两轮之间的长度 r 一机器人小车的回转半径 在图( 3 3 ) 中，r 为瞬时圆心的半径，很容易推导出下面的等式关系： r ：旦：墨! 匕幺2( 3 6 ) 国 一圪 在式( 3 6 ) 中存在如下关系：当琢= 圪时，小车做直线运动；当= 圪， 尺= o 时，小车以质心为圆心原地旋转( 即旋转半径是零) ；其它情况下，小车 围绕零到无穷大的转弯半径作圆周运动。 1 6 山东理工大学硕士学位论文 第三章足球机器人控制系统硬件设计 由此可以推出小车运动的轨迹，它是由一系列绕瞬时圆心的圆弧组成，所 以通过控制左右轮的速度大小即可实现机器人小车的位姿。 3 3 控制电路硬件设计 3 3 1 控制系统设计方案 由于参加f i r a 比赛的足球机器人尺寸必须不大于7 5 c m 7 5 c m 7 5 c m ， 所以内置其中的控制电路板尺寸要有严格的限制。设计电路时要尽量选择功能 强大，集成度高的芯片。以往的足球机器人采用的微控制器由于片内外设较少， 所以外围电路比较多，整个控制系统的体积就显得比较庞大，不太适合对尺寸 有严格要求的足球机器人。同时由于采用串行指令，不可避免的存在采样周期 长，复杂的算法难以实现的缺点，所以在设计与开发之前，设计者需要对应用 有最清楚的了解。 通过对本课题研究，得出机器人小车的电路所执行的功能：接收决策的命 令参数，并根据参数对两个电机进行闭环控制，从而控制车轮速度。由于主机 命令不断改变，因此该控制系统是一个随动控制系统。 机器人控制系统c p u 选用增强型单片机c 8 0 5 1 f 0 1 9 ，它具有4 8 个引脚， 有最小的资源和最低的成本，其主要特点如下： ( 1 ) 逐次逼近型( s a r ) 高速a d c ( 2 ) 与m c s 5 1 兼容的高速微控制器c i p 5 1 ( 3 ) 1 2 8 0 b 内部数据x r a m 和1 6 k b 的程序存数器f l a s h ( 4 ) 4 个字节宽的i o 端口，均能上拉到5 v 电压 3 3 2 控制电路结构及工作过程 足球机器人控制系统具体硬件结构如图3 4 所示，整个电路由以下部分组 成：c 8 0 5 l f 微处理器、无线通信模块、p w m 驱动单元、直流电机及光电编码 盘、电源、时钟和反馈模块等。 整个控制系统硬件电路的工作过程如下： ( 1 ) 决策系统的控制指令经过无线通信系统传送给c 8 0 5 1 f 处理器。 ( 2 ) 反馈模块把电机的转速值传送给c 8 0 5 1 f 微处理器。 ( 3 ) 微处理器根据控制指令与速度反馈值，经过积分分离式p i d 运算， 得到控制信号，输出p w m 波。 1 7 山东理工大学硕士学位论文第三章足球机器人控制系统硬件设计 ( 4 ) p w m 信号与反馈的电机方向信号一起送入电机驱动单元，驱动电机。 i 通信接收模块卜单 ，i 驱动单元 直流电机 片 i 监相环节i 上 光 l 复位单元卜 机 电 编 测速环节 码 器 3 3 3c 8 0 5 1 f 单片机简介 图3 4 机器人控制原理图 c 8 0 5 1 f 系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片( s o c ) ，具有与 m c s 5 1 指令集完全兼容的全新c i p 5 1 内核。它在一个芯片里集成了一个单片 机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其它功能部件。这 些外设或功能部件包括：d a c 、a d c 、可编程增益放大器、电压比较器、温度 传感器、定时可编程计数器定时器( p c a ) 看门狗定时器、电源监视器、u a r t 及s p i 等。这些外设部件的高速集成为设计小体积、低功耗、高可靠性的测试 系统提供了方便，也可使系统的整体成本大大降低。c i p 5 1 与m c s 5 1 指令集 完全兼容，因此可以使用标准的m c s 5 1 汇编器、编译器及软件包进行软件开 发。c 8 0 5 1 f 采用全新的c i p 51 内核，指令以时钟周期为运行单位，平均每个 时钟可以执行l 条单周期指令。与最初的8 0 5 1 单片机相比，在相同时钟下， 但周期指令运行速度为原来的1 2 倍，全指令集平均运行速度为原来的9 5 倍。 现今许多微处理器的i o 口大多是固定为某个特殊功能服务的，这种固定的i o 端口，既占用过多引脚，配置又不够灵活。而在c 8 0 5 1 f 中，采用交叉开关以 硬件方式实现i o 端口的灵活配置。在这种通过交叉开关配置的i o 端口系统 中，单片机外部为通用i o 端口，内部则通过配置相应的寄存器控制交叉开关配 置到所选的端口上【3 。 c 8 0 5 l f 单片机的片内j t a g 调试支持功能允许使用安装在最终应用系统 上的m c u 进行非侵入式( 不占片内资源) 、全速和在线系统调试，可在s i l i c o n l a b s 集成开发环境( i d e ) 下通过j t a g 接口进行编程，还可通过软件对f l a s h 进行编程。c 8 0 5 1 f 虽然采用3 v 供电，但所有的i o 端口可以接收5 v 逻辑电 平的输入，在选择漏极开路输出加上拉电阻到5 v 电源后，也可驱动5 v 逻辑 器件，所以c 8 0 5 1f 和系统的其它电路有很好的兼容性。 c 8