雙足競步窄足技術(shù)報(bào)告

1、2014中國機(jī)器人大賽暨robocup公開賽2014中國工程機(jī)器人大賽（robot at work）技術(shù)報(bào)告參賽學(xué)校 隊(duì)伍名稱 參賽隊(duì)員 帶隊(duì)教師（姓名/聯(lián)系方式） 參賽項(xiàng)目 中國機(jī)器人大賽暨robocup公開賽（工程類項(xiàng)目）組委會(huì)中國工程機(jī)器人大賽組委會(huì)2014年8月填寫說明1、凡參加此次工程機(jī)器人大賽比賽的參賽隊(duì)伍必須填寫本技術(shù)報(bào)告。2、現(xiàn)場報(bào)到時(shí)，將申報(bào)書的電子檔和紙質(zhì)檔提交至大賽組委會(huì)。3、本書應(yīng)該填寫完整、內(nèi)容詳實(shí)、表達(dá)準(zhǔn)確，數(shù)字一律填寫阿拉伯?dāng)?shù)字，英文一律為times new roman。4、填寫本技術(shù)報(bào)告時(shí)，各項(xiàng)內(nèi)容字?jǐn)?shù)不得少于規(guī)定字?jǐn)?shù)。5、打印格式與裝訂（1）紙張為a4大小，雙

2、面打??；（2）文中小標(biāo)題為四號(hào)、仿宋、加黑；（3）欄內(nèi)正文為小四號(hào)、仿宋；關(guān)于技術(shù)報(bào)告使用授權(quán)的說明 本人完全了解2014年中國機(jī)器人大賽暨robocup公開賽（工程類項(xiàng)目）&2014中國工程機(jī)器人大賽（robot at work）關(guān)于保留、使用技術(shù)報(bào)告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會(huì)所有，比賽組委會(huì)可以在相關(guān)主頁上收錄并公開參賽作品的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會(huì)出版論文集中。 參賽隊(duì)員簽名： 帶隊(duì)教師簽名： 日 期：2014年10月9日 一、作品簡介（研究內(nèi)容、目標(biāo)、完成情況概述）研究內(nèi)容和目的以及完成情況第一部分

3、（包括研究內(nèi)容、目標(biāo)、完成情況、國內(nèi)外情況等四部分內(nèi)容）總計(jì)不得多于2頁研究內(nèi)容：雙足步行機(jī)器人（窄足方向）目標(biāo)：以自己獨(dú)立設(shè)計(jì)的電路板做控制板，通過獨(dú)立編程，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的步行、彎曲、前后翻、拐彎等功能。完成情況：經(jīng)過組裝、編程、調(diào)試，已能夠順利實(shí)現(xiàn)彎曲、步行、前后翻、拐彎等一系列動(dòng)作。相關(guān)研究國內(nèi)外情況概述國外雙足機(jī)器人的研究早在上世紀(jì)80年代就已形成熱潮，并且提出了許多系統(tǒng)的建模及控制的理論和方法。我國在這方面的研究還比較零散，很多研究都集中在機(jī)器人的步態(tài)控制上，完整的動(dòng)力學(xué)建模還較少涉及，這有待于我們進(jìn)一步的努力。在雙足機(jī)器人的建模研究中，國外針對不同的自由度提出許多值得借鑒的思想和方法

4、。上世紀(jì)70年代的多體動(dòng)力學(xué)發(fā)展簡化了多體系統(tǒng)的建模方法，使建立的模型更適用于計(jì)算機(jī)編程及實(shí)時(shí)控制，很多工業(yè)機(jī)器人都是用這種方法建模的，缺點(diǎn)是力學(xué)模型的建立及控制模型的建立是分開的，所以把力學(xué)模型轉(zhuǎn)化為控制模型過程很繁瑣，由于雙足機(jī)器人對控制系統(tǒng)的高要求，所以用這種方法對其進(jìn)行建模的論文很少。80年代，這個(gè)問題被更多人關(guān)注，于是發(fā)展了一批適用于雙足機(jī)器人的建模方法。m.c等人在1989年提出一種直接非線性解藕法( dndm)，這種方法的思想是用經(jīng)過修正的lagrange方程建立動(dòng)力學(xué)方程并在其上做適當(dāng)?shù)淖儞Q從而得到解藕的控制方程。p.s等人在1998年的一篇論文中建立一個(gè)達(dá)12個(gè)自由度的機(jī)器人

5、動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，提出了用優(yōu)化的有關(guān)理論來建立模型的方法，這種方法主要是對步態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，然后把建立的優(yōu)化方程直接用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，從而得到機(jī)器人的特性參數(shù)。隨著這些方法的發(fā)展，雙足機(jī)器人的模型也越來越復(fù)雜，從簡單單自由度被動(dòng)式機(jī)器人到擁有多達(dá)17個(gè)自由度的主動(dòng)式機(jī)器人都已經(jīng)問世，其中后者基本上可以完成行走、轉(zhuǎn)向、小跑等動(dòng)作。在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上也誕生了很多有特色的方法，計(jì)算法由力學(xué)方程得到控制方程，這種方法要求詳細(xì)知道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，否則不能有很好的效果，它經(jīng)常和pd控制法、pm控制法結(jié)合在一起使用;魯棒性控制法其控制系統(tǒng)參數(shù)有高度的低敏感性、抗干擾性。當(dāng)無法確切知道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，這種方法可

6、以有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。自適應(yīng)控制法這種方法在機(jī)器人的關(guān)節(jié)和腳上加上一些傳感器，根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)調(diào)整關(guān)節(jié)和腳上的力和力矩以達(dá)到實(shí)時(shí)控制。 國內(nèi)的研究中對建模理論的系統(tǒng)研究很少，但在步態(tài)研究和控制研究方面卻很擅長，并且很有創(chuàng)新，如張克等人提出的用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來控制雙足機(jī)器人的步態(tài)，還有柳洪義等人在機(jī)器人腳觸地所帶來的沖擊進(jìn)行較為詳細(xì)的研究?？傊?，現(xiàn)在的雙足機(jī)器人正在和人工智能、計(jì)算機(jī)、新材料等高技術(shù)領(lǐng)域相結(jié)合。隨著機(jī)構(gòu)和控制復(fù)雜度的提高，其建模方法除了理論上的不斷完善之外，也越來越依靠許多很有名的多體系統(tǒng)計(jì)算與仿真軟件，如adams, matlab和ansys：其控制系統(tǒng)正朝著自治的方向發(fā)展，

7、為制造更加人性化和智能化的機(jī)器人打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。二、研究技術(shù)方案（硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試說明）硬件設(shè)計(jì)第二部分（包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試說明三個(gè)部分）總計(jì)不得多于5頁機(jī)器人控制板共包含三種芯片，其中單片機(jī)stc12c5a60s2用來產(chǎn)生pwm從而來控制舵機(jī)，而xl4015則是用來降壓穩(wěn)定輸出6v舵機(jī)控制電壓、l7805cv保證單片機(jī)有穩(wěn)定的5v控制電壓。1.stc12c5a60s2的結(jié)構(gòu)和功能 （1）stc12c5a60s2的結(jié)構(gòu)stc12c5a60s2系列的單片機(jī)相比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)內(nèi)部資源要豐富很多，它內(nèi)部包括60kb的flash程序存儲(chǔ)器、1280b的sram空間、雙串

8、口、共4個(gè)16位定時(shí)器、外部中斷i/o口7路、獨(dú)立波特率發(fā)生器、雙數(shù)據(jù)指針、片內(nèi)自帶看門狗和eeprom、內(nèi)置復(fù)位、通用i/o口 p0-p4準(zhǔn)雙向口等。（2）stc12c5a60s2功能概述stc12c5a60s2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘、機(jī)器周期(1t)的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成max810專用復(fù)位電路,2路pwm,8路高速10位a/d轉(zhuǎn)換(250k/s),支持在系統(tǒng)可編程(isp)和在應(yīng)用可編程(iap)，抗電磁干擾，適用于許多較為復(fù)雜的控制應(yīng)用場合。2、stm32的結(jié)構(gòu)stm32系列的單片機(jī)相

9、比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)內(nèi)部資源要豐富很多，它內(nèi)部包括60kb的flash程序存儲(chǔ)器、1280b的sram空間、雙串口、共4個(gè)16位定時(shí)器、外部中斷i/o口7路、獨(dú)立波特率發(fā)生器、雙數(shù)據(jù)指針、片內(nèi)自帶看門狗和eeprom、內(nèi)置復(fù)位、通用i/o口 p0-p4準(zhǔn)雙向口等。 3.xl4015芯片簡介221046a01是為xl4015制作的演示板，用于dc8v36v輸入，輸出電壓5v，輸出電流5a的降壓恒壓應(yīng)用演示，最高轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到93%。xl4015是開關(guān)降壓型dc-dc轉(zhuǎn)換芯片；固定開關(guān)頻率180khz，可減小外部元器件尺寸，方便emc設(shè)計(jì)。芯片具有出色的線性調(diào)整率與負(fù)載調(diào)整率，輸出電壓支持1.

10、25v32v間任意調(diào)節(jié)。芯片內(nèi)部集成過流保護(hù)、過溫保護(hù)、短路保護(hù)等可靠性模塊。xl4015為標(biāo)準(zhǔn)to263-5l封裝，集成度高，外圍器件少，應(yīng)用靈活。 引腳介紹 4.l7805cv芯片簡介三端穩(wěn)壓芯片，用于將835v的直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為5v直流電壓輸出，最大輸出電流1.5a，不需外接補(bǔ)償元件。芯片內(nèi)含限流保護(hù)電流，防止負(fù)載短路燒毀元件；內(nèi)含高溫過熱保護(hù)電路，防止結(jié)溫過熱燒毀器件；內(nèi)含功耗限制電路，防止燒毀輸出驅(qū)動(dòng)器晶體管。軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)是指從系統(tǒng)高度考慮程序結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)形式、程序功能的實(shí)現(xiàn)手法和手段。本機(jī)器人的系統(tǒng)軟件運(yùn)行總體設(shè)計(jì)流程：系統(tǒng)初始化，執(zhí)行回歸函數(shù)讓舵機(jī)回到初始位置立正姿態(tài)，保

11、存當(dāng)前位置，輸入目標(biāo)位置，判斷第一組舵機(jī)是否到位。當(dāng)?shù)谝唤M舵機(jī)到位及當(dāng)前位置與目標(biāo)位置相同時(shí)，置低該引腳，即第一個(gè)機(jī)器人的關(guān)機(jī)開始運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)谝唤M舵機(jī)沒到位時(shí)繼續(xù)判斷第二舵機(jī)直到四組舵機(jī)全部判斷結(jié)束，直到拉低四個(gè)引腳，第一個(gè)動(dòng)作完成，將幾組動(dòng)作連接起來便可以連貫地做任何動(dòng)作。程序設(shè)計(jì)語言的基本成分包括：數(shù)據(jù)成分，用于描述程序所涉及的數(shù)據(jù)；運(yùn)算成分，用以描述程序中所包含的運(yùn)算；控制成分，用以描述程序中所包含的控制；傳輸成分，用以表達(dá)程序中數(shù)據(jù)的傳輸。利用stc12c5a60s2單片機(jī)產(chǎn)生多路pwm波?？刂破骺梢酝瑫r(shí)產(chǎn)生多路不同脈寬的pwm波，從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制多路舵機(jī)的同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。而產(chǎn)生pwm波的方法

12、主要是利用了stc12c5a60s2芯片本身自帶的16位定時(shí)、計(jì)數(shù)器以及分時(shí)操作系統(tǒng)的思想。主程序中定義了幾個(gè)關(guān)鍵數(shù)組，分別是：uchar positionx，uchar pick_upx，uchar arr8，uchar t0bit=0。其中uchar positionx,用于記錄8個(gè)舵機(jī)的位置;uchar pick_up8,當(dāng)各個(gè)io口輪流輸出時(shí)屏蔽其它位;uchar arr8,提供排序空間; paixu_ncha8=0,中間過度用; uchar t0bit=0,定時(shí)器0周期相同標(biāo)志位. 主程序啟動(dòng)后，進(jìn)行初始化，延時(shí)1s，保證各舵機(jī)回到初始位置。打開開關(guān)，各舵機(jī)按程序進(jìn)行動(dòng)作。系統(tǒng)整體調(diào)

13、試設(shè)計(jì) 1系統(tǒng)硬件調(diào)試.作為純手工設(shè)計(jì)、焊接的電路板，硬件方面是重中之重！在焊接電路板之前，首先對所用的器材進(jìn)行檢測，確保各部件正常使用后再進(jìn)行電路板上的焊接。在焊接的時(shí)候，要注意虛焊的出現(xiàn)、正負(fù)極元件的正確焊接，避免通電后出現(xiàn)短路、燒壞芯片的意外情況。在焊器件的時(shí)候，要一個(gè)一個(gè)模塊地焊接，這樣方便調(diào)試。每個(gè)模塊調(diào)試無誤后再進(jìn)行下一個(gè)模塊焊接。整個(gè)電路板焊完之后，首先是靜態(tài)調(diào)試，目的是排除硬件故障。然后再聯(lián)機(jī)仿真、在線調(diào)試。在線調(diào)試中，對系統(tǒng)硬件進(jìn)行初步調(diào)試，只排除了一些明顯的靜態(tài)故障。而硬件中如果各個(gè)部件內(nèi)部存在的故障和部件之間連接的邏輯錯(cuò)誤必須通過聯(lián)機(jī)仿真、在線調(diào)試才能排除故障。在檢測故障

14、時(shí)可以利用萬用表、示波器等工具來幫助檢測工作。2.軟件調(diào)試跟蹤調(diào)試：跟蹤應(yīng)用程序用戶能夠在運(yùn)行應(yīng)用程序時(shí)，看到pc指針在代碼程序中的確切位置。跟蹤僅執(zhí)行一行語句程序，有利于觀察變量。如果調(diào)用函數(shù)，則進(jìn)入函數(shù)中，有利于察看所調(diào)用函數(shù)中的錯(cuò)誤。通過跟蹤可以察看程序運(yùn)行的每一步，清晰的了解整個(gè)程序的運(yùn)行過程，方便修改其中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。單步調(diào)試：單步調(diào)試同樣是執(zhí)行一行，但不會(huì)進(jìn)入到程序中調(diào)用的其他函數(shù)中。適合察看某單一函數(shù)，對其調(diào)試。如過確認(rèn)錯(cuò)誤就在此函數(shù)內(nèi)而不在起調(diào)用的函數(shù)內(nèi)，則使用此調(diào)試方法比跟蹤調(diào)試更省時(shí)省力。斷點(diǎn)調(diào)試：在程序代碼某行設(shè)置斷點(diǎn)，全速運(yùn)行時(shí)遇到斷點(diǎn)會(huì)停止。適合程序整體調(diào)試時(shí)對某一段進(jìn)

15、行定位調(diào)試。查看變量：觀察窗口、數(shù)據(jù)窗口以及鼠標(biāo)直接放于程序中要察看的變量上(可直接看到當(dāng)前變量內(nèi)的值)。通過添加觀察項(xiàng)菜單可以將用戶希望觀察的變量添加到觀察窗口及數(shù)據(jù)窗口觀察。在設(shè)計(jì)過程中常用觀察窗口觀察程序中的變量，修改程序中的錯(cuò)誤。3.整體調(diào)試將各個(gè)部分的硬件模塊合并成一個(gè)整體，也把軟件各個(gè)部分程序合并到一個(gè)主程序中。通過mdk編程軟件和isp程序燒寫軟件開始整體調(diào)試，硬件部分用萬用表來測試硬件每部分的接通性。軟件部分的測試主要方法還是通過設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行等方法來測試程序的正確性。在確定軟硬件無問題后，將程序通過燒程器把程序燒到單片機(jī)中，最后整個(gè)系統(tǒng)完成。三、附錄（硬件設(shè)計(jì)圖、電路設(shè)計(jì)

16、原理圖、程序等）此部分無頁數(shù)限制。電路設(shè)計(jì)原理圖 程序#include#include#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define pwmout p1uchar position8;uchar pick_up8; uchar arr8; uchar t0bit=0; uchar n;void go_ahead_0(void); extern unsigned char uart_temp;typedef unsigned char byte;typedef unsigned int word;unsig

17、ned char uart_buff;bit new_rec = 0, send_ed = 1, money = 0;unsigned int weizhi=0;unsigned int kongzhi19;sfr iap_data =0xc2; sfr iap_addrh=0xc3; sfr iap_addrl=0xc4; sfr iap_cmd =0xc5; sfr iap_trig = 0xc6; sfr iap_contr = 0xc7; #define cmd_idle 0 #define cmd_read 1 #define cmd_program 2 #define cmd_erase 3 uchar zsax=15; uchar psax=10; uchar zsag=20; uchar psag=20;void uart_init (void) scon=0x50;tmod= 0x20;th1=0xfd;tl1=0xfd;tr1=1; ren=1; sm0=0; sm1=1; ea=1; es=1; et1=0;void low_level_500u(uint time)uint i; for(i=0;itime;i+)delay500us(1);void main(void) sp=0x70; p1m1 = 0x00;