摘  要： 介绍了一种基于DSP的足球机器人" title="足球机器人">足球机器人的车体系统。该系统充分利用TMS320F240接口丰富、运算速度快" title="速度快">速度快的特点,采用PWM方式,实现了对直流电动机" title="直流电动机">直流电动机的控制,从而使足球机器人车体系统的运动性能、控制精度和抗干扰性都得到了很大的提高。

　　关键词： DSP  足球机器人  PWM  直流电动机

　　足球机器人比赛是最近几年在国际上迅速开展起来的高技术对抗活动,虽然历时不长,但由于它集高新技术、娱乐、比赛于一体,所以引起了社会的广泛关注。足球机器人融计算机视觉、模式识别、决策对策、无线电数字通讯、自动控制和最优控制、智能体设计与电机传动等技术于一体,既是一个典型的智能机器人系统" title="机器人系统">机器人系统,又为研究发展多智能体等系统提供了生动的研究模型,是理论密切联系实际的极富生命力的成长点。

　　足球机器人系统由四个子系统构成:视觉子系统、决策子系统、通信子系统、机器人车体子系统。根据比赛规定,双方机器人在赛场上进行足球比赛,视觉系统通过CCD摄像头和图像采集卡对场上情景进行实时采集和处理,把辨识结果送给决策系统,通过无线发射器向车体系统发出一系列控制命令,车体系统在场上的表现直接体现了整个机器人系统的好坏。为适应比赛需要,机器人车体系统应满足以下几点设计要求:尺寸小于7.5cm×7.5cm×7.5cm;运动性能好(直线、转向)；反应灵活;平稳性好;抗干扰性好;可维护性好;制造成本低。

1 微处理器的选择

　　传统的微处理器如51、96系列应用于机器人系统,虽然开发周期短,但在实时控制时,由于其指令功能不强,采用串行指令,乘除法所用周期过多,外围电路数据转换速度慢,使机器人的性能得不到充分的发挥。高速、低成本的集成电路和数字信号处理器(DSP)的出现,使得系统的模块化和全数字化的实现成为可能。由于DSP特别适用于数据量多、速度快的数据采集系统和实时控制系统" title="控制系统">控制系统,而且在机器人控制系统中,要求控制系统在极短时间内对反馈信号进行处理,因此将DSP应用于机器人控制系统不失为一种好的策略。

　　美国TI公司推出的TMS320F240具有DSP内核,将DSP的高速运算能力及适用于电机控制的优化的外围电路集于一体,可以为高性能的控制系统提供可靠的信号处理与控制,因此这种控制系统是目前最具竞争力的数字电机控制器。其主要特点如下:

　　·32位中央处理单元,32位累加器,16位定点运算。

　　·运算速度快,指令周期为50ns。

　　·指令丰富,具有单周期循环指令,单周期乘/加指令和快速FFT变换寻址能力。

　　·544字×16位的片内数据/编程双寻址RAM,16K字×16位的片内编程ROM,共可寻址224K字×16位的存储器。

　　·事件管理器包括12路比较/脉宽调制(PWM)通道,3个16位通用定时/计数器,4个捕获单元。

　　·双10位A/D转换器。

　　·看门狗与实时中断定时器均为8位增量计数器,前者用于监控系统软件和硬件工作,在CPU出错时产生复位信号,后者用于产生周期性的中断请求。

　　·28个可独立编程和复用的I/O口。

　　·具有串行通讯接口和串行外设接口。

　　本文以TMS320F240为核心,设计结构简单、性能稳定的足球机器人车体系统。

2 系统构成

　　机器人车体系统相当于整个足球机器人系统的执行机构,它直接体现教练的战术意图。因此,机器人车体系统性能的优劣对整个机器人系统起着举足轻重的作用。足球机器人车体系统的基本行为(射门、带球、拦截等)都是通过调整左右轮速度来实现的。就机器人的功能而言,主要是对左右轮速进行调整。机器人车体系统通过无线通讯接收上位机的命令字,而后根据协议得出左右轮的速度给定,再根据检测单元的反馈值及方向鉴别标识,通过一定的控制算法得到控制量,最后通过PWM方式驱动电机以实现速度的闭环控制。整个控制系统的结构如图1所示。

2.1 电机与驱动电路

　　在电器驱动中,电动机是机器人驱动系统中的执行元件。它将外来的控制信号转换成机械能,驱动机器人运动,通常采用步进电动机、直流伺服电动机或无刷电动机。本系统采用瑞士MINIMOTOR公司的2224-006SR型微型直流电动机。直流电动机的最大特点是具有良好的线性特性、优异的控制性能、非常高的效率等。在小功率系统中,常采用永磁直流电动机,它只需对电枢回路中的一个回路进行控制,电子控制电路相对简单。

　　为了控制直流电动机,需用半导体功率器件进行驱动。对于数瓦以下的微小功率电动机,常采用线性放大型驱动方式,由于功率器件工作于线性放大区,因此系统功率较低。大多数直流电动机驱动则采用开关型驱动方式,其中定频脉宽调制(PWM)最为常见,其优越性在于驱动电子设备的简单性和与计算机接口的容易性。PWM式驱动使晶体管工作在开或关的状态,不是饱和就是截止,因此功率损耗低、效率高,更重要的是拓宽了系统频带,使系统具有调速范围广、线性度好、影响速度快等特点。当输入信号为零时,用PWM 式放大器驱动的伺服电机处于微振状态,克服了静摩擦力的影响,减少了电机死区,有利于改善伺服系统低速运行时的平稳性。考虑到电压、电流的等级及尺寸、外观等因素,可选用集成电机驱动芯片L298来代替三极管构成的驱动电路。L298是双H桥高电压大电流集成电路,可用于驱动继电器、线圈、直流电动机和步进电动机等电感性负载,每个H桥的下侧桥臂晶体管发射极连在一起,其输出脚(SENSEA和SENSEB)用来连接电流检测电阻。Vss接逻辑控制部分的电源,常用+5V。Vs为电机驱动电源。IN1~IN4输入引脚采用标准TTL逻辑电平信号,用来控制H桥的开与关,EnA、EnB引脚则为使能控制端,功率集成电路采用了SGB公司特有的Multiwatt塑料封装,15个引脚,可用螺钉固定在散热器上。

　　作为机器人的传动装置,目前在机器人上使用最多的是电动机。由于电动机的转速高、扭矩低,为了驱动机器人,不得不与适当的减速机构相组合。在足球机器人的系统中,对减速器也有一定的要求,如间隙要小、传动精度要高、运动平稳、传动效率高等;并且应满足体积小、重量轻、传动扭矩大等要求。机器人车体根据机器人的质量(0.5kg),要求最大线速度为160cm/s,车轮直径4.5cm,传动齿轮设计为一级减速,电机轴到轮轴的减速比为1：9等。

2.2 速度检测与方向鉴别

　　在TMS32OF240的事件管理器(EA)中,虽然有一个正交编码脉冲(QEP)电路,可以对引脚CAP1/QEP1和CAP2/WEP2上的正交编码脉冲进行解码和计数,但在检测电机的转速上要想达到很高的精度,其方法比较复杂,运算量也很大。因此本系统采用定时计数器82C54和专用方向判别电路ST288A实现对脉冲的计数和方向鉴别。方向判别电路ST288A可接单双光电传感器,具有内部整形电路和数字滤波功能,可去除抖动误差;具有正向脉冲、反向脉冲、方向指示、双向脉冲输出等功能;具有集成度高、功耗小、抗干扰能力强等特点。本系统采用电磁式码盘和电机复合在一起,型号为IE2-128。IE2-128码盘具有128线,2通道脉冲输出。这是两相具有90度相位差的脉冲,将这两相脉冲直接接到方向判别电路集成芯片ST288A上,就可以得到电机的转向。另外,在此系统中,需要对码盘输出的脉冲进行计数,采用集成芯片82C54作为计数器,向DSP提供反馈数字量,DSP将给定值与反馈值进行比较,通过预定的控制算法,实现对电机转速的控制。

2.3 电流检测

　　在桥式驱动电路的输出脚SENSEA和SENSEB与地之间连接电流检测电阻,用来进行电流的检测。检测电阻上的电压由TMS320F240上的A/D转换器变为数字电流信号。为实现20kHz的电流环,采样周期为50μs。在新的PWM波产生前,载入电流检测值,与给定的参考电流值一起控制PWM波的宽度,从而产生新的PWM波。

2.4 通讯环节

　　在足球机器人系统中,主机和机器人车体之间以无线方式进行通信。主机的决策指令通过串行方式输出至无线发射器,经调制后发射出去。机器人车体系统通过无线接收模块接收主机的命令字,而后根据规定的协议译码得出左右轮的速度给定值,然后根据反馈单元的反馈值及方向标识,按照预定的算法进行控制。由于足球机器人的空间有限,通常采用单向通信方式。为提高通信效率,保证质量,要精心设计通信电路及通信协议。通信协议和控制结构也与机器人的智能程度有关。传递的命令主要包括:机器人标识、命令部分和数据部分。命令部分指明动作模式,数据部分指明机器人以多大的速度走多远。根据机器人的智能程度,其命令格式的复杂度也不尽相同。

2.5 控制算法

　　在足球机器人中,对电机的控制采用了普遍应用的PID控制算法。PID控制在数字化的计算机时代仍能得到广泛应用,主要有以下优点:技术成熟、算法简单、易被人们熟悉和掌握、不需要求出数学模型、鲁棒性好、可靠性高。另外,这种控制方法使用方便,运用灵活。如需要获得较好的稳态精度,则采用PI控制;对于惯性较大的系统,可以采用PID控制。此外,这种控制方法还可以方便地进行参数整定(如比例范围、积分时间、微分时间等)。

　　对于速度环的控制,根据给定的速度值与反馈的速度值相减得到的速度误差,通过PI控制得到新的参考电流。

    对于电流环的控制,根据速度调节器输出的参考电流值与反馈的电流值相减得到电流误差,通过PID控制产生一定宽度的PWM波。电流误差的大小和正负决定了PWM波的宽度。当参考电流大于反馈电流时,PWM波宽度增大,使电机加速;当参考电流小于反馈电流时,PWM波宽度为零,使电机减速;当参考电流等于反馈电流时,PWM波宽度不变。

3 程序设计

　　足球机器人车体子系统应用程序主要包括主程序、串行接收中断子程序、软件定时器中断子程序三大部分,系统的软件方框图如图2所示。控制任务包括检测电机的方向和速度,作为反馈信号;控制电机的转速和方向;接收主机的速度命令信息并进行译码。

　　将DSP应用于机器人控制系统,充分利用DSP实时运算速度快的特点,是当前发展的趋势。以TMS320F240为核心的足球机器人车体系统,在运动性能、控制精度和抗干扰性等方面都得到了很大的提高。在控制系统中,只需很少的元件,且具有很高的性能价格比。

参考文献

1 张雄伟. DSP芯片的原理与开发应用. 北京:电子工业出版社,2001

2 谭建成.电机控制专用集成电路.北京:机械工业出版社,1997

3 TMS320C24X DSP Controller. TI Guide Book. TI, 1998

4 TMS320F24X的高速数字信号处理器原理与应用. 北京:闻亭科技发展有限公司, 1998