集控式微型足球機(jī)器人二.ppt

2019/6/29,1,第九章 集控式微型足球機(jī)器人 （二）,徐心和 郝麗娜 叢德宏 東北大學(xué)人工智能與機(jī)器人研究所,2019/6/29,2,集 控 式 系 統(tǒng) 概 念 圖,2019/6/29,3,2019/6/29,4,通信子系統(tǒng),集控式足球機(jī)器人各子系統(tǒng)關(guān)系圖,為了使上述子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，還應(yīng)該有一個(gè)總控子系統(tǒng),2019/6/29,5,準(zhǔn)備階段,比賽階段,2019/6/29,6,9.4 機(jī)器人小車子系統(tǒng),7.57.57.5 cm3 機(jī)動(dòng)性和靈活性 快速準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)角，停車等基本動(dòng)作 旋轉(zhuǎn)半徑小 抗干擾性 抗撞性 左右輪單獨(dú)驅(qū)動(dòng) 前后支撐輪,足球機(jī)器人小車外形圖,2019/6/29,7,輪軸半徑R0,輪半徑R,Fr,F,支撐輪,2019/6/29,8,9.4.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)部分,鋁合金整體框架，盒蓋 三層結(jié)構(gòu) 上層PCB板，模塊，器件 中層可充電電池 底層電機(jī)，減速機(jī)，輪系 瑞士產(chǎn)的MINIMOTOR-2224微型直流電機(jī)(6v. 3-5w. 6000rpm) 2只 相對(duì)編碼器128線，256線，512線 特點(diǎn):體積小、重量輕、輸出功率大、測(cè)速精度高等。,2019/6/29,9,9.4.2 小車伺服控制器,伺服控制器原理框圖,2019/6/29,10,2019/6/29,11,NEW NEU-2型小車原理電路,2019/6/29,12,NEW NEU-2 小車印刷版圖,2019/6/29,13,直流電機(jī)調(diào)速方式,調(diào)電壓 發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組 可控硅-電動(dòng)機(jī)組 電樞回路串電阻 PWM調(diào)速 調(diào)勵(lì)磁,PWM調(diào)速特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，節(jié)能，調(diào)速范圍大 非線性嚴(yán)重，引入高頻干擾和損耗,2019/6/29,14,9.4.2.1 CPU控制單元80C196KC,9.4.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元H橋電路,2019/6/29,15,L298原理線路圖,2019/6/29,16,9.4.2.3 鑒向和速度檢測(cè)單元,本系統(tǒng)采用82C53/82C54作為計(jì)數(shù)器，ST288A作為鑒向器，分別完成速度值與方向的測(cè)量，作為速度反饋值,2019/6/29,17,9.4.2.4 無線接收單元,無線通信裝置提出的要求：頻率可選，通信速率高，性能可靠，體積小等。機(jī)器人小車采用英國(guó)Radiometrix公司的低功耗超高頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，型號(hào)為BIM418F和BIM433F，載波頻率分別為418MHz和433MHz，只接少許外圍電路即可工作，使用起來非常方便。,9.4.3 車載電源的選擇,電源的選取原則： （1）可充電電池使用方便，可重復(fù)使用； （2）容量大電流為500mA時(shí)，可連續(xù)運(yùn)行40分鐘； （3）體積小、重量輕降低小車整體的重量、易于布置。,車型足球機(jī)器人采用國(guó)產(chǎn)鋰電池為電源，型號(hào)為063448， 額定電壓為3.6V，容量為850MAH，2節(jié)串聯(lián)(7.2V)。 鋰電池保護(hù)板，型號(hào)為388 。8.4V停止充電，5V停止放電,2019/6/29,18,9.4.4 小車子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),小車子系統(tǒng)軟件可分為主程序和中斷服務(wù)子程序兩大部分。其中主程序可以使用運(yùn)行速度較快的匯編語(yǔ)言；中斷服務(wù)子程序包括串行通信中斷、定時(shí)器中斷以及速度控制器等子程序，這些程序則使用高效的C語(yǔ)言開發(fā)。,2019/6/29,19,初始化子程序流程框圖,禁止8253計(jì)數(shù),PWM初始化,禁止PWM輸出 即停止小車運(yùn)行,串行口初始化,清用戶程序標(biāo)志,設(shè)置PID參數(shù),PID運(yùn)算初始化,清相關(guān)變量,軟件定時(shí)器0初始化,8254送初值,中斷系統(tǒng)初始化,啟動(dòng)8254計(jì)數(shù),開放CPU中斷,2019/6/29,20,串行中斷服務(wù)程序,2019/6/29,21,9.4.5 控制算法研究 9.4.5.1 被控對(duì)象特性,PWM輸出放大環(huán)節(jié)和電機(jī)輸入輸出關(guān)系圖,2019/6/29,22,9.4.5.2 控制算法,當(dāng)把PWM值分成0-50，51-255兩個(gè)區(qū)間時(shí)，它在這兩個(gè)區(qū)間內(nèi)分別呈現(xiàn)不同的近似線性關(guān)系。于是采用了分段PID控制的控制算法。 足球機(jī)器人速度控制系統(tǒng)采用增量式數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，其數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出是控制量的增量u(kT)。 設(shè)置控制量限U1和U2，當(dāng) 0u(kT-T) U1 時(shí)， u(kT)=Kp1*e(kT)+ Ki1*e(kT)+ Kd1*e(kT)- e(kT-T) 當(dāng) U1u(kT-T) U2 時(shí)， u(kT)=Kp2*e(kT)+ Ki2*e(kT)+ Kd2*e(kT)- e(kT-T) 式中 e(kT)= e(kT)- e(kT-T) 為當(dāng)前周期的誤差變化量 e(kT-T)= e(kT-T)- e(kT-2T) 為上一周期的誤差變化量 Kp，Ki，Kd，分別為比例，積分，微分參數(shù),2019/6/29,23,9.4.5.3 控制算法的修正,上位機(jī)每33.3ms給機(jī)器人小車發(fā)送一次速度給定命令，小車的速度給定處于頻繁的變化狀態(tài)。為了消除設(shè)定值頻繁變化沖擊，這里采用消除設(shè)定值變化沖擊PID控制算法。只對(duì)輸出量y(t)進(jìn)行微分，而對(duì)給定值r(t)不作微分，這種輸出量微分控制適用于給定值頻繁變化的場(chǎng)所，可以避免給定值頻繁改變時(shí)所引起的超調(diào)量過大振蕩。 所以上式可修改為 u(kT)=Kpi*e(kT)+ Kii*e(kT)+ Kdi*y(kT)- y(kT-T),2019/6/29,24,9.4.5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果,機(jī)器人階躍響應(yīng)曲線,2019/6/29,25,9.5 機(jī)器人通信子系統(tǒng),采用英國(guó)Radiometrix公司生產(chǎn)的無線收發(fā)模塊（如右圖）。 它的特點(diǎn)是體積小，通信速率高和性能可靠。 它的主要型號(hào)有BIM-418-F和BIM-433-F 載波頻率分別為418MHz和433MHz。,無線收發(fā)模塊,2019/6/29,26,9.5.1 無線數(shù)字通信系統(tǒng),通信的分類方法很多，如果按傳遞信息所使用信道不同可分為有線通信和無線通信。無線通信是依靠電磁波在空間傳播來傳遞信息的。如果按工作所用的頻段不同，可分為 長(zhǎng)波通信 （頻率為3-30KHz） 中波通信 （頻率為30-3000KHz） 短波通信 （頻率為3-30MHz） 超短波通信（頻率為30-300MHz） 特短波通信（頻率為300-3000MHz） 極短波通信（頻率為3000-30000MHz）等。 如果按基帶信號(hào)（即調(diào)制之前的原信號(hào)）的形式不同，可分為模擬信號(hào)通信和數(shù)字信號(hào)通信。 信道中傳送模擬信號(hào)的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)； 信道中傳送數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。,2019/6/29,27,編碼器：信源編碼器（模擬數(shù)字，并行串行） 信道編碼器（設(shè)置校驗(yàn)位檢錯(cuò)、糾錯(cuò)） 調(diào)制器：基帶信號(hào)加入高頻載波，載波頻率作為區(qū)分信號(hào)的主要標(biāo)志 信道指通信發(fā)送端到接收端的通信通道，如電纜、光纖、高頻無線信道等 解調(diào)器、解碼器是接收端對(duì)調(diào)制的解調(diào)、對(duì)編碼器的解碼設(shè)備，以獲得發(fā)送的基帶信號(hào)。,2019/6/29,28,信號(hào)調(diào)制的幾種類型,所謂調(diào)制就是載波（支載信息的工具）的某參數(shù)隨基帶信號(hào)規(guī)律而變化的一種過程。 通常把基帶信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)，調(diào)制后產(chǎn)生的信號(hào)稱為已調(diào)制信號(hào)。 如果載波的幅度參數(shù)隨基帶信號(hào)規(guī)律而變化，我們稱這一過程為幅度調(diào)制。(ASK-Amplitude Shift Keying ) 如果載波的頻率隨基帶信號(hào)規(guī)律而變化，我們稱它為頻率調(diào)制。(FSK-Frequency Shift Keying ) 如果載波的相位隨基帶信號(hào)的規(guī)律而變化，我們稱它為相位調(diào)制。(PSK-Phase Shift Keying ),2019/6/29,29,2019/6/29,30,9.5.2 Radiometrix-BIM模塊性能與使用,Radiometrix公司生產(chǎn)的BIM-433-F和BIM-418-F模塊特性如下： 微型PCB疊層結(jié)構(gòu)； 業(yè)余無線電波波段； 可雙向傳送；單向傳輸速率可達(dá)到40Kbit/s； 室內(nèi)有效范圍為20m， 空曠處有效范圍為100m； 可與CMOS邏輯和TTL邏輯兼容； 工作電壓范圍4.5V-5.5V， 工作電流小于15mA。,7,top view,4,RF GND 1,Antenna 2,RF GND 3,5,6,8,0 Volt 9,No pin,18 0 Volt,16 RX select,15 TX select,14 TXD,13 Audio,12 RXD,11 CD,10 0 Volt,17 Vcc,Radiometrix,無線收發(fā)模塊引腳,2019/6/29,31,東大牛牛機(jī)器人的無線發(fā)射與接收,2019/6/29,32,由BIM-F構(gòu)成的無線收發(fā)環(huán)節(jié),發(fā)射狀態(tài)發(fā)射允許端接為低電平（使能發(fā)射功能） 接收狀態(tài)接收允許端接為低電平（使能接收功能）,2019/6/29,33,9.5.3 集控式通信系統(tǒng)的通信協(xié)議,足球機(jī)器人集控式通信系統(tǒng)采用報(bào)文通信協(xié)議。 報(bào)文包括報(bào)頭, 正文和報(bào)尾。,協(xié)議1表,2019/6/29,34,假定左右輪速已算出，如表所示，試確定行校驗(yàn)位數(shù)值,2019/6/29,35,改進(jìn)編碼方式，引入了檢錯(cuò)、糾錯(cuò)功能。 這種編碼對(duì)于隨機(jī)出現(xiàn)的單個(gè)錯(cuò)碼都能給與有效的校正。,協(xié)議2 表,抗干擾性能要優(yōu)于第一種，但占用了較多的單片機(jī)工作時(shí)間。,2019/6/29,36,假定左右輪速已算出，如表所示，試確定行列校驗(yàn)位數(shù)值,2019/6/29,37,答案應(yīng)該是：,2019/6/29,38,關(guān)于通信協(xié)議的試驗(yàn),為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)行以下測(cè)試系統(tǒng)誤碼率的試驗(yàn)： 使用BIM-418-F模塊作為接發(fā)模塊，發(fā)送如下指令500次 ，利用開發(fā)器觀察小車正確接收的次數(shù),通訊協(xié)議2,通訊協(xié)議1,注：接