摘? 要：?介紹了一種基于DSP的足球機器人" title="足球機器人">足球機器人的車體系統。該系統充分利用TMS320F240接口豐富、運算速度快" title="速度快">速度快的特點,采用PWM方式,實現了對直流電動機" title="直流電動機">直流電動機的控制,從而使足球機器人車體系統的運動性能、控制精度和抗干擾性都得到了很大的提高。
關鍵詞： DSP? 足球機器人? PWM? 直流電動機
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足球機器人比賽是最近幾年在國際上迅速開展起來的高技術對抗活動,雖然歷時不長,但由于它集高新技術、娛樂、比賽于一體,所以引起了社會的廣泛關注。足球機器人融計算機視覺、模式識別、決策對策、無線電數字通訊、自動控制和最優控制、智能體設計與電機傳動等技術于一體,既是一個典型的智能機器人系統" title="機器人系統">機器人系統,又為研究發展多智能體等系統提供了生動的研究模型,是理論密切聯系實際的極富生命力的成長點。
足球機器人系統由四個子系統構成:視覺子系統、決策子系統、通信子系統、機器人車體子系統。根據比賽規定,雙方機器人在賽場上進行足球比賽,視覺系統通過CCD攝像頭和圖像采集卡對場上情景進行實時采集和處理,把辨識結果送給決策系統,通過無線發射器向車體系統發出一系列控制命令,車體系統在場上的表現直接體現了整個機器人系統的好壞。為適應比賽需要,機器人車體系統應滿足以下幾點設計要求:尺寸小于7.5cm×7.5cm×7.5cm;運動性能好(直線、轉向)；反應靈活;平穩性好;抗干擾性好;可維護性好;制造成本低。
1 微處理器的選擇
傳統的微處理器如51、96系列應用于機器人系統,雖然開發周期短,但在實時控制時,由于其指令功能不強,采用串行指令,乘除法所用周期過多,外圍電路數據轉換速度慢,使機器人的性能得不到充分的發揮。高速、低成本的集成電路和數字信號處理器(DSP)的出現,使得系統的模塊化和全數字化的實現成為可能。由于DSP特別適用于數據量多、速度快的數據采集系統和實時控制系統" title="控制系統">控制系統,而且在機器人控制系統中,要求控制系統在極短時間內對反饋信號進行處理,因此將DSP應用于機器人控制系統不失為一種好的策略。
美國TI公司推出的TMS320F240具有DSP內核,將DSP的高速運算能力及適用于電機控制的優化的外圍電路集于一體,可以為高性能的控制系統提供可靠的信號處理與控制,因此這種控制系統是目前最具競爭力的數字電機控制器。其主要特點如下:
·32位中央處理單元,32位累加器,16位定點運算。
·運算速度快,指令周期為50ns。
·指令豐富,具有單周期循環指令,單周期乘/加指令和快速FFT變換尋址能力。
·544字×16位的片內數據/編程雙尋址RAM,16K字×16位的片內編程ROM,共可尋址224K字×16位的存儲器。
·事件管理器包括12路比較/脈寬調制(PWM)通道,3個16位通用定時/計數器,4個捕獲單元。
·雙10位A/D轉換器。
·看門狗與實時中斷定時器均為8位增量計數器,前者用于監控系統軟件和硬件工作,在CPU出錯時產生復位信號,后者用于產生周期性的中斷請求。
·28個可獨立編程和復用的I/O口。
·具有串行通訊接口和串行外設接口。
本文以TMS320F240為核心,設計結構簡單、性能穩定的足球機器人車體系統。
2 系統構成
機器人車體系統相當于整個足球機器人系統的執行機構,它直接體現教練的戰術意圖。因此,機器人車體系統性能的優劣對整個機器人系統起著舉足輕重的作用。足球機器人車體系統的基本行為(射門、帶球、攔截等)都是通過調整左右輪速度來實現的。就機器人的功能而言,主要是對左右輪速進行調整。機器人車體系統通過無線通訊接收上位機的命令字,而后根據協議得出左右輪的速度給定,再根據檢測單元的反饋值及方向鑒別標識,通過一定的控制算法得到控制量,最后通過PWM方式驅動電機以實現速度的閉環控制。整個控制系統的結構如圖1所示。
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2.1 電機與驅動電路
在電器驅動中,電動機是機器人驅動系統中的執行元件。它將外來的控制信號轉換成機械能,驅動機器人運動,通常采用步進電動機、直流伺服電動機或無刷電動機。本系統采用瑞士MINIMOTOR公司的2224-006SR型微型直流電動機。直流電動機的最大特點是具有良好的線性特性、優異的控制性能、非常高的效率等。在小功率系統中,常采用永磁直流電動機,它只需對電樞回路中的一個回路進行控制,電子控制電路相對簡單。
為了控制直流電動機,需用半導體功率器件進行驅動。對于數瓦以下的微小功率電動機,常采用線性放大型驅動方式,由于功率器件工作于線性放大區,因此系統功率較低。大多數直流電動機驅動則采用開關型驅動方式,其中定頻脈寬調制(PWM)最為常見,其優越性在于驅動電子設備的簡單性和與計算機接口的容易性。PWM式驅動使晶體管工作在開或關的狀態,不是飽和就是截止,因此功率損耗低、效率高,更重要的是拓寬了系統頻帶,使系統具有調速范圍廣、線性度好、影響速度快等特點。當輸入信號為零時,用PWM 式放大器驅動的伺服電機處于微振狀態,克服了靜摩擦力的影響,減少了電機死區,有利于改善伺服系統低速運行時的平穩性。考慮到電壓、電流的等級及尺寸、外觀等因素,可選用集成電機驅動芯片L298來代替三極管構成的驅動電路。L298是雙H橋高電壓大電流集成電路,可用于驅動繼電器、線圈、直流電動機和步進電動機等電感性負載,每個H橋的下側橋臂晶體管發射極連在一起,其輸出腳(SENSEA和SENSEB)用來連接電流檢測電阻。Vss接邏輯控制部分的電源,常用+5V。Vs為電機驅動電源。IN1~IN4輸入引腳采用標準TTL邏輯電平信號,用來控制H橋的開與關,EnA、EnB引腳則為使能控制端,功率集成電路采用了SGB公司特有的Multiwatt塑料封裝,15個引腳,可用螺釘固定在散熱器上。
作為機器人的傳動裝置,目前在機器人上使用最多的是電動機。由于電動機的轉速高、扭矩低,為了驅動機器人,不得不與適當的減速機構相組合。在足球機器人的系統中,對減速器也有一定的要求,如間隙要小、傳動精度要高、運動平穩、傳動效率高等;并且應滿足體積小、重量輕、傳動扭矩大等要求。機器人車體根據機器人的質量(0.5kg),要求最大線速度為160cm/s,車輪直徑4.5cm,傳動齒輪設計為一級減速,電機軸到輪軸的減速比為1：9等。
2.2 速度檢測與方向鑒別
在TMS32OF240的事件管理器(EA)中,雖然有一個正交編碼脈沖(QEP)電路,可以對引腳CAP1/QEP1和CAP2/WEP2上的正交編碼脈沖進行解碼和計數,但在檢測電機的轉速上要想達到很高的精度,其方法比較復雜,運算量也很大。因此本系統采用定時計數器82C54和專用方向判別電路ST288A實現對脈沖的計數和方向鑒別。方向判別電路ST288A可接單雙光電傳感器,具有內部整形電路和數字濾波功能,可去除抖動誤差;具有正向脈沖、反向脈沖、方向指示、雙向脈沖輸出等功能;具有集成度高、功耗小、抗干擾能力強等特點。本系統采用電磁式碼盤和電機復合在一起,型號為IE2-128。IE2-128碼盤具有128線,2通道脈沖輸出。這是兩相具有90度相位差的脈沖,將這兩相脈沖直接接到方向判別電路集成芯片ST288A上,就可以得到電機的轉向。另外,在此系統中,需要對碼盤輸出的脈沖進行計數,采用集成芯片82C54作為計數器,向DSP提供反饋數字量,DSP將給定值與反饋值進行比較,通過預定的控制算法,實現對電機轉速的控制。
2.3 電流檢測
在橋式驅動電路的輸出腳SENSEA和SENSEB與地之間連接電流檢測電阻,用來進行電流的檢測。檢測電阻上的電壓由TMS320F240上的A/D轉換器變為數字電流信號。為實現20kHz的電流環,采樣周期為50μs。在新的PWM波產生前,載入電流檢測值,與給定的參考電流值一起控制PWM波的寬度,從而產生新的PWM波。
2.4 通訊環節
在足球機器人系統中,主機和機器人車體之間以無線方式進行通信。主機的決策指令通過串行方式輸出至無線發射器,經調制后發射出去。機器人車體系統通過無線接收模塊接收主機的命令字,而后根據規定的協議譯碼得出左右輪的速度給定值,然后根據反饋單元的反饋值及方向標識,按照預定的算法進行控制。由于足球機器人的空間有限,通常采用單向通信方式。為提高通信效率,保證質量,要精心設計通信電路及通信協議。通信協議和控制結構也與機器人的智能程度有關。傳遞的命令主要包括:機器人標識、命令部分和數據部分。命令部分指明動作模式,數據部分指明機器人以多大的速度走多遠。根據機器人的智能程度,其命令格式的復雜度也不盡相同。
2.5 控制算法
在足球機器人中,對電機的控制采用了普遍應用的PID控制算法。PID控制在數字化的計算機時代仍能得到廣泛應用,主要有以下優點:技術成熟、算法簡單、易被人們熟悉和掌握、不需要求出數學模型、魯棒性好、可靠性高。另外,這種控制方法使用方便,運用靈活。如需要獲得較好的穩態精度,則采用PI控制;對于慣性較大的系統,可以采用PID控制。此外,這種控制方法還可以方便地進行參數整定(如比例范圍、積分時間、微分時間等)。
對于速度環的控制,根據給定的速度值與反饋的速度值相減得到的速度誤差,通過PI控制得到新的參考電流。
????對于電流環的控制,根據速度調節器輸出的參考電流值與反饋的電流值相減得到電流誤差,通過PID控制產生一定寬度的PWM波。電流誤差的大小和正負決定了PWM波的寬度。當參考電流大于反饋電流時,PWM波寬度增大,使電機加速;當參考電流小于反饋電流時,PWM波寬度為零,使電機減速;當參考電流等于反饋電流時,PWM波寬度不變。
3 程序設計
足球機器人車體子系統應用程序主要包括主程序、串行接收中斷子程序、軟件定時器中斷子程序三大部分,系統的軟件方框圖如圖2所示。控制任務包括檢測電機的方向和速度,作為反饋信號;控制電機的轉速和方向;接收主機的速度命令信息并進行譯碼。
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將DSP應用于機器人控制系統,充分利用DSP實時運算速度快的特點,是當前發展的趨勢。以TMS320F240為核心的足球機器人車體系統,在運動性能、控制精度和抗干擾性等方面都得到了很大的提高。在控制系統中,只需很少的元件,且具有很高的性能價格比。
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參考文獻
1 張雄偉. DSP芯片的原理與開發應用. 北京:電子工業出版社,2001
2 譚建成.電機控制專用集成電路.北京:機械工業出版社,1997
3 TMS320C24X DSP Controller. TI Guide Book. TI, 1998
4 TMS320F24X的高速數字信號處理器原理與應用. 北京:聞亭科技發展有限公司, 1998