劉銀萍，蔡樂泉，楊宜民

(1.廣東工業(yè)大學實驗教學部，廣東廣州510006;2.廣東工業(yè)大學自動化學院，廣東廣州510006)

機器人足球比賽是近年來出現(xiàn)的一項集娛樂、體育和科研于一體的比賽活動。目前國際上主要有兩項規(guī)模較大的機器人足球比賽:機器人足球世界杯(RoboCup)和國際機器人足球聯(lián)合會(FIRA)。中型組機器人足球賽是RoboCup 機器人足球世界杯的主要項目之一，自1997年第一屆比賽開始即是正式比賽項目［1］。由于中型組機器人足球比賽中要求機器人完全自主，所以最具挑戰(zhàn)性，也最能代表參賽隊伍的機器人研究水平。從功能上看，每個RoboCup 中型組足球機器人可以分為視覺、通訊、決策和運動控制4 個子系統(tǒng)。運動控制系統(tǒng)是整個全自主足球機器人系統(tǒng)的基礎，其主要涉及有電動機控制、通信、踢球機構、電源轉換及匹配等功能。根據(jù)全自主足球機器人運動控制系統(tǒng)的硬件設計要求，采用數(shù)字信號處理器(DSP)構成足球機器人控制單元，并運用Fuzzy-PID 控制算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)單一PID 控制，使控制效果更為理想。

1 運動控制系統(tǒng)的硬件設計

1.1 運動控制系統(tǒng)的體系結構設計

所設計的足球機器運動控制系統(tǒng)是由4 只全向輪組成的4 輪驅動結構。采用單片機對實現(xiàn)多電機控制來說，其硬件設計存在結構相對復雜、算法控制實時性差等缺點，因此采用美國TI(德州儀器)公司的TMS320F2812 微控制器。DSP2812 控制器具有豐富的外圍接口，它將DSP 的高速控制能力和面向電機的高效控制能力集于一體，使機器人控制系統(tǒng)外圍電路的設計大大簡化，而且算法控制的實時性提高，使系統(tǒng)更為簡單，穩(wěn)定可靠［2］。但單個DSP2812 芯片具有雙事件管理器EVA 和EVB，每個事件管理器只有1 個電機碼盤接口(QEP)單位，因此，單個DSP 只能接兩路的電機碼盤信號，而4 個全向輪的中型組機器人有4 臺電機。因此，采用雙DSP 架構，其中一個DSP 芯片為主處理器控制1、2 號電機，另外一個DSP 芯片為從處理器控制3、4 號電機，主從DSP 共同處理底層硬件信息和控制執(zhí)行機構。

足球機器人運動控制系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示，整個電路可以分為以兩片DSP 為核心的硬件電路、電機驅動電路、電機編碼盤接口電路、串口通信電路、射門機構控制電路、電子羅盤等外設模塊、電源模塊等幾大塊。它完成的主要工作包括:接收上位機發(fā)送的控制命令并解析;控制4 個運動電機;控制帶球電機;將充電、射門等命令發(fā)送給射門控制電路;監(jiān)測電源電壓等。

圖1 運動控制系統(tǒng)硬件結構圖

1.2 電動機驅動單元

該設計要求被控電機不僅能夠調速而且還要正反轉，而PWM 控制波形可由DSP 按需要編程直接產生，因此采用H 橋式PWM 電動機控制結構，如圖2所示。它由4 個開關管和4 個續(xù)流二極管組成，單電源供電。在橋中4 只開關管都工作在斬波狀態(tài)，Q1、Q2 為一組，Q3、Q4 為一組，這兩組狀態(tài)互補，當一組導通時，另一組必須關斷。其H 橋上橋臂驅動電路圖如圖3所示，其下橋臂的驅動電路圖類同。圖中，IR2101 是專為驅動半橋逆變器中同橋臂的兩個MOSFET 或IGBT 而設計的高壓、高速驅動器［3］，它將隔離后的PWM 信號放大，然后驅動H 橋功率驅動電路對電動機調速。IRF650 為N 溝道增強型功率管，組成H 橋電路驅動電動機。DSP 給出的PWM1 信號通過IR2101 放大后輸出接近于電源電壓的高電平，加到Q1 的柵極驅動它導通。同理，若PWM4 也為低電平，則Q4 也導通。此時，電動機兩端加正向電壓，實現(xiàn)電動機正轉或反轉制動。同理，若PWM2、PWM3 均為高電平，驅動Q2、Q3 導通，電動機兩端為反向電壓，電動機反轉或正轉制動［4］。

圖2 H 橋式PWM 電機控制結構

圖3 H 橋上橋臂電機驅動電路

1.3 通信單元

在該運動控制系統(tǒng)中，各控制器之間采用DSP的SCI 和SPI 模塊串口方式通信。DSP2812 的串行通信接口SCI 模塊支持CPU 與其他使用標準格式的異步外設之間的數(shù)字通信。而串行同步通信SPI DSP2812 硬件資源中，帶有一個4 引腳的串行外設接口(SPI)模塊，SPI 是一個高速、同步串行I/O 口，能夠實現(xiàn)DSP 與外部設備或另一個DSP 之間的高速通信。該設計采用雙DSP2812，其與上位計算機、數(shù)字指南針等外圍設備的通信模塊連接電路如圖4所示。主DSP 通過SCI 模塊與上層計算機通信，主DSP和從DSP 采用SPI 通信，從DSP 通過SCI 模塊與數(shù)字指南針通信等外圍設備通信，各控制器之間通過電平轉換芯片MAX232 連接。

圖4 控制系統(tǒng)通信電路

主DSP 負責與上層計算機通信，接收PC 機決策庫輸出的4 個電機速度值和執(zhí)行機構(射門機構等)一些控制命令，返回底層的信息(電機碼盤信號，指南針，電池電壓)給PC 機。主DSP 將從上層計算機接收到3 號電機和4 號電機的速度值發(fā)送給從DSP，從DSP 將3、4 號電機的編碼盤，電池電壓，指南針等信息通過SPI 通信傳送給主DSP。從DSP 和主DSP 通信完后，將串口切換到與外設連接的備用引腳，改變波特率，然后采用一問一答的通信方式，即先向外設發(fā)送特殊命令字，再等待外設返回數(shù)據(jù)。正確接收到外設返回的數(shù)據(jù)后，將串口重新切換到正常引腳，與DSP 連接。

2 運動控制系統(tǒng)軟件的設計

2.1 控制系統(tǒng)軟件總體設計

整個運動控制系統(tǒng)軟件編程采用C 語言，程序采用模塊化的方式進行編寫。其實質是在CCS 開發(fā)環(huán)境中對DSP 的編程，控制系統(tǒng)軟件主要包括以下幾個模塊:各模塊的初始化、主程序、串口通信中斷服務子程序、定時器中斷服務子程序、電動機控制算法調速模塊、射門控制模塊、電源電壓檢測模塊等。其工作流程為:進行系統(tǒng)初始化之后，主程序進入等待中斷信號的循環(huán)。當上位機發(fā)送信息后，將觸發(fā)串口通信中斷，串口通訊模塊開始接收上位機發(fā)送的信息，在對上位機發(fā)送的信息進行分析和解包后，判斷是否執(zhí)行電動機調速、射門機構挑球和SPI 通信等子程序。與此同時，若定時時間到，將觸發(fā)定時器中斷，在定時器中斷子程序中，將讀取電動機碼盤信息，并用于電動機調速算法，實現(xiàn)電動機的閉環(huán)調速。

2.2 電機控制算法

(1)直流電動機的特性［5］

對足球機器人來說，關鍵問題是如何控制左、右輪的轉速。直流電動機的轉速方程為

式中:N 為轉速，U 為電源電壓，R 為電樞電阻，i為電樞電流，Ke為反電動勢常量。

(2)算法的實現(xiàn)

從式(1)可以看出，在足球機器人的電動機伺服系統(tǒng)中，電動機轉速調節(jié)主要通過改變電樞電壓的大小來實現(xiàn)。它采用PWM(脈沖寬度調制)技術，通過PWM 控制電源電壓的開斷來控制電動機的轉速，其系統(tǒng)接近于一個轉速反饋調節(jié)系統(tǒng)。通過對控制電路特性的研究可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中存在著非線性環(huán)節(jié)。其中，PWM 輸出放大環(huán)節(jié)是非線性的，電機環(huán)節(jié)可以認為是線性環(huán)節(jié)。為使控制更加平滑，該設計采用了Fuzzy-PID 構成的復合控制器算法，使兩種控制器在不同范圍內發(fā)揮其優(yōu)勢，在誤差較大的情況下發(fā)揮模糊控制器的快速性和抗干擾能力強的優(yōu)勢，在誤差和誤差變化率都較小的情況下，發(fā)揮PID 穩(wěn)態(tài)特性好、控制精度高的優(yōu)勢。即系統(tǒng)根據(jù)電動機實時轉速誤差值來判斷何時進行Fuzzy 控制向PID 控制方式的轉換，從而調用相應的控制算法來實現(xiàn)轉速閉環(huán)控制。Fuzzy-PID 控制器結構圖如圖5所示。具體做法如下:首先根據(jù)目標轉速設定左車輪的PWM 信號占空比。然后計算左車輪轉速與目標誤差，若偏差超過某個特定值，則將轉速的偏差及偏差的變化率，作為模糊控制器的輸入，通過模糊控制器內部推理，得出左車輪的實時PWM 控制信號為輸出;相反，若轉速偏差未超過特定值，則通過經典PID 控制理論，計算左車輪的實時PWM 控制信號為輸出。按相同的方法，可求得右車輪的實時轉速［6－7］。

圖5 Fuzzy-PID 控制器結構圖

3 實驗結果

將該運動控制系統(tǒng)應用到中型組足球機器人上，并對機器人的轉動性能和直線運動性能進行測試。

(1)轉動性能測試:足球機器人以相同的線速度(0 m/s)，不同的角速度自轉，測得機器人自轉中心的軌跡偏差如表1所示。從表中可以看出，實測轉動中心的軌跡偏差都小于3 cm，這表明機器人的轉動性能較好。

表1 機器人自轉中心的軌跡偏差

(2)直線運動性能測試:足球機器人以相同的角速度(0 rad/s)，不同的線速度作直線運動，測得機器人實際運動軌跡與期望軌跡角度偏差如表2所示。從表中可以看出，機器人基本能按預定軌跡運動，但存在一定的偏差。由于機器人在場上運動時4 個輪子之間存在耦合關系，機械特性等不同導致電機響應不能夠同步，并且場地材料不同使機器人各個輪子與場地之間的摩擦力不一致，使機器人在加速的過程中，由于4 個輪子的加速度不一樣導致機器人的姿態(tài)發(fā)生改變，而且機器人運動速度越大，姿態(tài)變化越大。因此，即使單個電機的控制器參數(shù)達到最優(yōu)，對機器人而言也不一定達到好的效果。為此，可適當修正各個電機的控制器參數(shù)，并應用到機器人上進行實驗測試，記錄分析機器人的姿態(tài)變化，如此循環(huán)，使機器人的4 個電機能夠更好地同步動作，直至機器人的運動性能符合要求。

表2 機器人實際運動軌跡與期望軌跡角度偏差

4 結束語

研究了一種采用雙DSP 的方式共同處理機器人底層硬件信息的運動控制系統(tǒng)，有效地解決了單個DSP 或者單個控制芯片導致電路復雜、電路可靠性降低、系統(tǒng)處理速度不高、實時性不強等問題。同時采用了Fuzzy-PID 控制算法，此算法既具有模糊控制靈活且適應性強的優(yōu)點，又具有PID 控制精度高的特點，可以取得比單一的PID 控制或模糊控制更好的控制效果，為機器人足球系統(tǒng)建立了一個更為良好的硬件平臺。

【1】袁于程.RoboCup 中型組足球機器人全景視覺系統(tǒng)的研究［D］.蘇州:蘇州大學，2009.

【2】浮紅霞，陳西平，杜習波，等.自主式足球機器人控制系統(tǒng)設計研究［J］.機械工程與自動化，2010(8):133－135.

【3】張奇志.IR2101 帶有欠壓封鎖的半橋MOSFET 驅動器［J］.集成電路應用，2002(8):64－65，68.

【4】付根平，楊宜民.基于dsPIC 的全向足球機器人運動控制系統(tǒng)［J］.廣東工業(yè)大學學報，2009，26(2):56－60.

【5】張學習，楊宜民，李懷俊，等.基于DSPs 的足球機器人控制系統(tǒng)的設計［J］.計算機工程與設計，2008，29(23):6009－6011.

【6】劉滔.基于模糊邏輯的輪式移動機器人運動控制研究與實現(xiàn)［D］.廣州:廣東工業(yè)大學，2010.

【7】張小川，魏建新，郭魯，等.基于遺傳算法的足球機器人模糊PID 優(yōu)化控制策略［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2012，26(4):91－95，103.