全自主足球机器人的运动控制系统研究

1、第36卷第7期2004年7月哈尔滨工业大学学报JOURNA L OF H ARBI N I NSTIT UTE OF TECH NO LOGYV ol 136N o 17July ,2004全自主足球机器人的运动控制系统研究黄庆成,洪炳,Javaid K hurshid(哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院,黑龙江哈尔滨150001摘要:全自主足球机器人要完成踢球任务,需要一个快速可靠的运动控制系统,但是大多数以前的电机控制系统都是基于MC U 或DSP 系统的.为此,提出基于PC104总线控制的直流伺服电机控制系统,介绍了运动控制系统的组成、电动机控制板和系统控制软件.该控制系统具有体积小、功

2、能强、反应速度快和控制简单等特点,完全可以满足足球机器人的运动要求,并可应用于其他小型装置的电动机控制系统上.关键词:PC104总线;直流电机控制;运动系统;足球机器人中图分类号:TP24文献标识码:A文章编号:0367-6234(200407-0914-03Motion control system for autonomous soccer robotH UANG Qing 2cheng ,H ONG Bing 2rong ,Javaid K hurshid(School of C omputer Science and T echnology ,Harbin Institute of T

3、 echnology ,Harbin 150001,China Abstract :It needs a rapid and reliable m otion control system for the autonom ous s occer robot to accom plish its own tasks ,such as to cover an opponent s attack or run for a ball ,but alm ost all the traditional m otor control systems are based on MC U (Micro C on

4、troller Unit or DSP (Digital Signal Process or system.A DC serv o m otor control sys 2tem based on PC104bus is presented ,and the construction of the m otion control system ,m otor control board and application s oftware are introduced.This system has the advantages of small v olume ,powerful functi

5、on ,fast re 2sponse and easy control ,meets the m otion demand of s occer robot com pletely ,and can be used in other similar m o 2tor drive systems for small m obile device.K ey w ords :PC104bus ;DC m otor control ;m otion system ;s occer robot收稿日期:2004-基金项目:国家高科技发展计划资助项目(2001AA422270作者简介:黄庆成(1965-

6、,男,博士后,副教授;洪炳(1937-,男,博士,教授,博士生导师.全自主足球机器人运行于竞争对抗的工作环境中,为了在比赛中战胜对手,需要提高足球机器人的智能与适应性,表现在足球机器人在场上奔跑的同时,随时随地要判定自身与周围环境的位置关系,以便选择路径或做出正确决策.要完成这一系列工作任务必须具有灵活可靠的运动系统,而直流伺服电机的控制是全自主足球机器人运动控制系统的关键部分.伺服电机是一种受输入电信号控制、并作快速响应的电动机.实际使用时通常经齿轮减速后带动负载,在系统中作执行元件,因此伺服电机又称执行电动机1.伺服电机具有结构紧凑、控制容易、运行稳定、响应快等优异特性,已越来越成为现代工

7、业自动化系统中的一个重要执行元件,在自动化程度高、需精确控制速度、位置、力矩等的场合,如印刷机械、造纸机械、纺织机械、工业机器人、高速电梯、数控机床等重要行业中,得到了普遍的应用2.随着大规模集成电路制造工艺的迅速发展,微机的性能越来越高,价格越来越便宜,此外,电力电子技术的发展,也使得大功率电子器件的性能迅速提高.因此,电机的控制,特别是机器人的电机控制,越来越多采用微机控制的方式3.由于普通PC 机存在着体积庞大、功耗高、可靠性差等缺点难以应用于工业现场控制中,因此,1987年有关厂家推出了PC104总线模块,因其具有体积小、功耗低、可靠性高等优点而受到控制工程界的普遍重视,其应用领域正在

8、逐步扩大47.本文介绍了应用运动控制专用芯片和H 桥组件在PC104总线控制下实现的直流伺服电动机的控制系统,实践证明该系统具有很好的控制性能.1运动控制系统的组成111电动机控制系统电动机控制系统是机器人运动控制和行为决策的基础,足球机器人的电动机控制系统总体结构如图1所示.系统主要由直流电动机、电动机控制板、嵌入式计算机主板、电动机控制程序和机器人运动控制程序组成.左轮电机、右轮电机通过皮带连接左右轮子构成机器人的移动系统.位于机器人顶部的上目摄像机安装在具有一维自由度的云台上,摄像机云台电机控制云台使上目摄像机能围绕机器人车体中心水平旋转±165°.上述三个电动机型号

9、完全相同,选用的是FAU L 2H ABER 公司生产的3042直流电动机.而机器人踢球装置电机只需要小功率的微型直流电动机,PC104总线输出控制电平通过功率放大直接驱动该电机带动踢球板旋转;电机控制板通过PC104总线接收控制指令,向电动机发送各种控制信号,完成对电动机的反馈控制或踢球装置的起停控制;嵌入式计算机是足球机器人控制决策的核心,完成机器人的所有控制功能 .图1电动机控制系统总体框图112系统控制软件由于电动机控制板使用了高性能的运动控制芯片,电动机控制程序只需要对电机控制板设定一些运动轨迹参数.运动控制程序根据机器人的运动模型,协调控制各个电动机,使机器人完成一些基本的动作,如

10、走直线、走弧线等.机器人的软件系统在Windows 环境中采用面向对象的VC +语言开发实现,应用软件由电机控制程序和机器人运动控制程序组成,分别被封装成相应的C +类:class m otor 和class robot.控制程序class m otor 负责操作电机控制板上的运动控制芯片LM629,一个class m otor 对象控制一个LM629.电机控制板有三个LM629分别控制机器人左、右轮电机和摄像机云台电机,所以运动控制程序class robot 由三个class m otor 对象组成.class robot 根据机器人的高层决策结果把所要完成的动作分解成基本动作序列,依次完成

11、一系列基本动作就实现了各种运动任务.2电动机控制板电动机控制板是电动机控制系统的重要组成部分,负责直接向左轮、右轮和摄像机云台三个直流电动机发送PW M 速度控制信号并接收电机光电编码器的码盘反馈,从而实现了三个电动机的速度闭环控制.而踢球装置电机采用直接控制方式,TT L 高低电平分别用来控制电动机工作或使电动机停止.电动机控制板通过PC104总线与嵌入式主控计算机相连,为上层控制软件提供比较简单的控制指令接口.电机控制板的核心部件是美国国家半导体公司生产的运动控制专用芯片LM629和H 桥组件LM D18200.LM629是为使用增量式编码器作为位置反馈信号的各种直流或无刷直流伺服电机伺服

12、系统或其他伺服机构而设计的.LM629的PW M M AG (19脚输出PW M 信号,PW M SIG N (18脚输出PW M 的方向信号,两个管脚共同对H 桥功率开关作PW M 控制.H 桥功率放大器LM D18200芯片上集成有C M OS 控制电路和DM OS 功率器件,峰值输出电流高达6A ,连续输出电流达3A ,工作电压最高可达55V ,还具有温度报警、过热与短路保护功能.由LM629和LM D18200组成的直流伺服电动机控制原理示意图如图2所示.有关LM629的控制指令、位置反馈接口、速度图的产生、PI D 控制方法等以及LM D18200外电路应用的详细信息可参阅其数据手册

13、.足球机器人上安装了三个直流伺服电动机分别驱动左右动力轮和上部摄像机云台,故电动机控制板上集成了三组由LM629和LM D18200构成的伺服电动机控制电路,三组控制电路的控制过程都是通过PC104总线完成的.PC104总线提供了8位和16位两种总线类型,由于LM629的数据总线是8位的,因此控制板只用了总线的J1/P1部分.三片LM629的片选、读写、指令口或数据口519第7期黄庆成,等:全自主足球机器人的运动控制系统研究选择等信号的逻辑控制通过可编程逻辑芯片对PC104总线的S A0S A9地址总线译码获得,I OR为可编程逻辑芯片提供时钟信号 .图2单个电动机控制原理示意图3电动机控制软

14、件电动机控制软件通过PC104总线直接操作LM629,从而实现对电动机的运动控制.控制软件的主要任务是:控制系统复位,主要将滤波系数及其输入缓存清0、轨迹参数及其输入缓存清0、中断屏蔽位清0,并将当前的绝对位置设为初始值等;初始化LM629寄存器参数,把控制电机所用到的相关寄存器设置为初始值;设定加速度;设定PI D 滤波器参数和运动轨迹参数.然后LM629按照预定参数输出PW M 控制信号完成对电动机的PI D 控制.针对LM629进行操作的单个电动机控制软件流程图如图3所示 .图3电动机控制程序流程图4结语电动机控制系统采用PC104总线进行控制,克服了采用单片机、DSP 等作为底层控制,

15、再通过串口或并口与主控计算机相连实现控制的缺点,总线控制可以直接操作,无论从软件和硬件的角度考虑,都具有效率高、响应快、控制简单等优点.此外,电动机控制系统体积小、功耗低、可靠性高,完全满足了机器人的运动要求.本文介绍的控制方法特别适合应用于嵌入式控制系统中,适当改进就可以应用于其他小型控制装置中.参考文献:1陈进,许建凤,杨志兵.伺服电机的直接数字控制J .控制工程,2003,10(2:179-181.2张新华,李伟,刘强.基于C AN 总线的伺服电机通信控制J .机电工程,2003,20(1:39-41.3柯建伟,周嘉农,姚雪峰,等.用于机器人伺服电机的PW M 功率接口的设计与实现J .

16、昆明理工大学学报(理工版,2003,28(3:85-88.4Z UI M R L ,JUNI OR C J N C ,M OREIRA L F E ,et al.Dy 2namic recon figuration behavior using generic FPG As and FPI DsA.Proceedings of 16th Brazilian Symposium on In 2tegrated Circuit and Systems DesignC.2003.5H A LL C E.On board flight computers for flight testing small uninhabited aerial vehicles A .The 200245th Midwest Sy