兩軸云臺(tái)及擊發(fā)控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、RoboMasters機(jī)器人大賽兩軸云臺(tái)及擊發(fā)控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目錄.項(xiàng)目概述4.1 .比賽簡介4.2 .課題簡介4.5.5.5.項(xiàng)目目標(biāo)5.1 .基本功能與性能2 .擴(kuò)展功能與性能.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1 .系統(tǒng)框圖M臺(tái)工坤.'r/J2：iL52 .子系統(tǒng)框圖./.63 .方案比較/7.四.各模塊工作原理（詳細(xì)設(shè)計(jì)部分） 1.31,串口通信協(xié)議設(shè)計(jì)1.32 .彈藥擊發(fā)結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)./143 .兩軸云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制1.4五,系統(tǒng)測(cè)試及調(diào)試 ，/.1.71 .以云臺(tái)控制視覺識(shí)別為例介紹測(cè)試流程.V172 .其他的問題以及解決方案 118六,項(xiàng)目實(shí)施總結(jié)及心得體會(huì) 207 .致謝2.18 .參考文獻(xiàn)2

2、19 .附錄221 .電路圖222 .源工程詳見附件 .23/ 一.項(xiàng)目概述.1.比賽簡介/RoboMasters是一項(xiàng)全新的機(jī)器人超級(jí)對(duì)抗賽。 參賽隊(duì)伍通過自行設(shè)計(jì)制造 多種機(jī)器人進(jìn)行射擊對(duì)抗，完成指定任務(wù)，由比賽裁判系統(tǒng)判定比賽勝負(fù)。 參賽 機(jī)器人包括可以發(fā)射“彈丸”的手動(dòng)機(jī)器人以及能夠完成一定任務(wù)的自動(dòng)機(jī)器人。 參賽隊(duì)員需要遙控手動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜的場(chǎng)地中移動(dòng)并發(fā)射“彈丸”，攻擊對(duì)方機(jī)器人和基地以取得勝利。自動(dòng)機(jī)器人將在比賽中自動(dòng)完成指定任務(wù)。每場(chǎng)比賽雙方最多可各有6臺(tái)機(jī)器人上場(chǎng)參與對(duì)抗，每隊(duì)的編制是 2臺(tái)機(jī) 器步兵、2臺(tái)機(jī)器射手、1臺(tái)機(jī)器炮手和1臺(tái)機(jī)器哨兵。2臺(tái)機(jī)器步兵由比賽 組委會(huì)提供，

3、其余機(jī)器人均由參賽隊(duì)員自行設(shè)計(jì)制作完成。比賽采用紅、藍(lán)雙方對(duì)抗的形式，每場(chǎng)比賽采用多局制，每局限時(shí) 5分鐘。圖：戰(zhàn)車主要模塊分布圖本項(xiàng)目基于STM32F405開發(fā)平臺(tái)，主要利用位置式雙閉環(huán) PID控制算法, 實(shí)現(xiàn)對(duì)兩軸云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)以及發(fā)彈的控制。云臺(tái)控制板通過串口分別與主控板及工控機(jī)進(jìn)行通信， 從底盤主控板或工控 機(jī)獲取兩軸云臺(tái)運(yùn)動(dòng)指令及發(fā)射子彈指令，再經(jīng)由電流環(huán)、位置環(huán)雙閉環(huán) PID 控制算法，精確控制云臺(tái)運(yùn)動(dòng)模式，并盡可能快、盡可能穩(wěn)地使兩軸云臺(tái)達(dá)到目 標(biāo)位置；同時(shí)通過輸出不同占空比 PWM波，驅(qū)動(dòng)并控制雙摩擦輪轉(zhuǎn)速，達(dá)到發(fā) 射子彈的要求。/ 二.項(xiàng)目目標(biāo) 1 .基本功能與性能/(1)通信部

4、分：云臺(tái)控制部分能夠通過串口與底盤主控和工控機(jī)正常通信，正常接收與傳送數(shù)據(jù)或指令。(2)云臺(tái)運(yùn)動(dòng)：兩軸云臺(tái)可以按照指定指令，快速到達(dá)規(guī)定角度位置，并穩(wěn)定 下來。(3)子彈發(fā)射：可以正常驅(qū)動(dòng)雙摩擦輪，并以固定速度發(fā)射子彈。2 .擴(kuò)展功能與性能(1)申口通信在正常通信的情況下，要在滿足系統(tǒng)對(duì)通信速率的要求下， 設(shè)計(jì) 相應(yīng)具有查錯(cuò)或糾錯(cuò)能力的通信協(xié)議，使誤碼率盡可能低，提高通信的穩(wěn)定性。(2)兩軸云臺(tái)在滿足系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的要求下， 改進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)，要求盡可能提高 對(duì)系統(tǒng)指令的響應(yīng)速度。(3)在實(shí)現(xiàn)以單一速度驅(qū)動(dòng)雙摩擦輪的基礎(chǔ)上， 實(shí)現(xiàn)根據(jù)底盤指令，變速控制 雙摩擦輪，多級(jí)調(diào)速，滿足不同對(duì)戰(zhàn)環(huán)境下的發(fā)射子

5、彈速度要求。三.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案/1 .系統(tǒng)框圖 /圖：系統(tǒng)框圖由圖，云臺(tái)控制部分處于整個(gè)通信系統(tǒng)的中心：一方面，云臺(tái)控制中心需要通過串口與底盤主控進(jìn)行通信，接收來自操作手通過遙控器轉(zhuǎn)發(fā)過來的關(guān)于云臺(tái) 的相關(guān)指令；另一方面，云臺(tái)控制中心需要通過串口與火控部分工控機(jī)進(jìn)行直接 通信，接收在自動(dòng)瞄準(zhǔn)過程中的云臺(tái)自動(dòng)調(diào)整功能， 這一部分的設(shè)計(jì)由于環(huán)境等 因素在區(qū)域賽中沒有起到作用。特別地，在炮手系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，云臺(tái)控制中心還要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)工控機(jī)關(guān)于底盤自 適應(yīng)性運(yùn)動(dòng)的相關(guān)指令，控制底盤運(yùn)動(dòng)，如下圖：工仲機(jī) ；, + STM32F4C » 控圖：炮手通信2 .子系統(tǒng)框圖子系統(tǒng)主要涉及到摩擦輪驅(qū)動(dòng)部分以及兩

6、軸云臺(tái)驅(qū)動(dòng)部分。具體框圖如下:PWM 波 摩擦輪電機(jī)H HG900 電調(diào) k圖：摩擦輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖/廣由圖，云臺(tái)控制版輸出PWM波，需經(jīng)由HG900電調(diào)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 電調(diào)相關(guān)工作模式配置在模塊詳細(xì)A計(jì)部分再詳細(xì)A明o圖：兩軸云臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖由圖，云臺(tái)控制板通過CAN通信協(xié)議與RM6025驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行通信，控制信 息以一個(gè)CAN消息幀的形式傳輸。其中，由云臺(tái)控制板到RM6025驅(qū)動(dòng)板的CAN 幀內(nèi)容為三軸驅(qū)動(dòng)電流大小，但此處實(shí)際只用到了兩軸電流大小的數(shù)據(jù)。由 RM6025驅(qū)動(dòng)板到云臺(tái)控制板的CAN幀內(nèi)容包括三軸實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)電流大小以及三 軸當(dāng)前絕對(duì)角度值，同理，這里我們只會(huì)用到其中兩軸的相關(guān)數(shù)據(jù)。

7、 兩軸云臺(tái)的 具體控制算法為位置式雙閉環(huán)PID控制算法，其具體設(shè)計(jì)在模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)部分 再詳細(xì)說明。3 .方案比較控制算法比較與選擇云臺(tái)的三閉環(huán)控制：位置環(huán)和速度環(huán)是在云臺(tái)主控里實(shí)現(xiàn)的，HG900驅(qū)動(dòng)板中已經(jīng)集成了電流環(huán)的控制，如下圖: 圖：云臺(tái)PID控制(1)位置式PID控制算法 輸入信號(hào)輸出信號(hào) y(n)圖：數(shù)字PID控制算法流程PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，控制偏差定義為e(n) = r(n) - y(n),并對(duì)該控 制偏差作比例，積分，微分等運(yùn)算，并將其各步運(yùn)算結(jié)果作線性運(yùn)算作為控制量 輸出，用于控制受控對(duì)象。其中PID算法根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式分為模擬式與數(shù)字式 PID 算法。對(duì)于本系統(tǒng)，采用數(shù)

8、字式 PID控制算法。其輸出變量的離散表達(dá)式為：kp e npke(j )0TD(e(n)e(n1)上式可以進(jìn)一步簡化為:kkpe(n)kie(j )kd(e(n)e(n 1)j 0其中，kP,ki,kd分別稱為比例常數(shù)，積分常數(shù)與微分常數(shù)，T,Ti，Td分別為 系統(tǒng)采樣時(shí)間，積分區(qū)間時(shí)間，微分區(qū)間時(shí)間。實(shí)際利用位置式PID控制受控系統(tǒng)時(shí)，常采用經(jīng)驗(yàn)值法或試湊法來分別調(diào)整 kp，ki，燈的大小，調(diào)整或改善系 統(tǒng)控制性能。PID運(yùn)算結(jié)果u(n)直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在本系統(tǒng)中，該值對(duì)應(yīng)著驅(qū)動(dòng)兩軸云 臺(tái)無刷電機(jī)的電流值大小，其缺點(diǎn)在于當(dāng)前采樣時(shí)刻的輸出與過去的各個(gè)狀態(tài)有 關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)各個(gè)時(shí)刻的e(n

9、)進(jìn)行累加，運(yùn)算量大，且由于控制器的輸出 u(n) 對(duì)應(yīng)的是直接驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)的電流大小，因而若計(jì)算出現(xiàn)異常，u(n)的大幅度變化會(huì)引起云臺(tái)運(yùn)動(dòng)的極其不穩(wěn)定。具優(yōu)點(diǎn)在于適用性廣，易于實(shí)現(xiàn)且對(duì)于位置式 控制方式的系統(tǒng)，系統(tǒng)適用性總體較強(qiáng)，控制效果較好。(2)增量式PID控制算法/相對(duì)于位置式PID,增量式PID控制器的輸出只是控制量的增量u(n),其對(duì)于位置式PID算法的轉(zhuǎn)化計(jì)算式為u(n) = u(n-1)+u(n)。其輸出變量離散表達(dá)式如下：u n u n u n 1進(jìn)一步展開得到：u n kp e n e n 1 ken kd e n 2e n 1 e n 2式中，kp, ki , kd分別

10、稱為比例常數(shù)，積分常數(shù)與微分常數(shù)， e(n) = r(n) -y(n),為 目標(biāo)與輸出量之差，稱為控制偏差。增量式PID算法的優(yōu)點(diǎn)在于，算式中不需要累加，輸出u(n)的值僅僅與最 近三次的采樣值有關(guān)，容易通過加權(quán)處理獲得較好的控制效果。 另外，控制器每 次只輸出控制增量，即對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的變化量，故而當(dāng)機(jī)器偶然性故障時(shí)， 影響范圍相對(duì)于位置式PID較小，不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的整體性能。再者增量 式PID控制可以做到手動(dòng)至自動(dòng)切換沖擊效應(yīng)小，當(dāng)控制器從手動(dòng)向自動(dòng)切換 時(shí)，可以做到無擾動(dòng)切換。(3)棒棒控制算法設(shè)定門限門限，在誤差比較大的時(shí)候采用大輸出控制電機(jī)， 將誤差在最短時(shí) 間內(nèi)減小到所要求的

11、范圍，這就是棒棒控制的思想。棒棒控制又稱時(shí)間最優(yōu)控制。 設(shè)非線性時(shí)變系統(tǒng)的狀態(tài)方程由下列微分方程描述：?X(n) f X(n), u(n), n 初始條件為：X(n。) Xo目標(biāo)集條件為：S(n) S(n) | X(n) S( n)性能指標(biāo)為：n1J(n)1 n1 n0n ng控制u(n)是受限的，即：/I u(n) | M現(xiàn)在的問題是要求最優(yōu)控制函數(shù)u(n),使系統(tǒng)從X。最快轉(zhuǎn)移到終止?fàn)顟B(tài)Xj ,受限控制q (n)的最優(yōu)解為：M, qj(n)0Un)M,qj(n) 00,qj(n)0棒棒控制的優(yōu)點(diǎn)在于其在隨動(dòng)系統(tǒng)調(diào)轉(zhuǎn)控制過程中能很好滿足系統(tǒng)快速性 的要求，達(dá)到階躍過程最小化，并且結(jié)合其它控制

12、方法能提高系統(tǒng)自適應(yīng)能力和 控制精度，有很好的推廣價(jià)值。具缺點(diǎn)在于，閾值選取不當(dāng)，可能會(huì)出現(xiàn)超調(diào)或 嚴(yán)重回?cái)[的現(xiàn)象，常常需要與其他控制算法配合使用。三種算法主要優(yōu)缺點(diǎn)比較如下圖:控制算法 性能比特位置式PID增量式PID棒棒控制優(yōu)點(diǎn)適用性廣，易于實(shí) 現(xiàn)運(yùn)算量小，誤差影 響小系統(tǒng)響應(yīng)快缺點(diǎn)運(yùn)算量大"IP"1響應(yīng)/、快閾值不當(dāng)影響大適合為己合使用圖：PID算法比較綜上所述，考慮到云臺(tái)無刷電機(jī)是有絕對(duì)電流值大小來驅(qū)動(dòng)，且其感官可控制量為其軸固定下來時(shí)的絕對(duì)角度，故而不可采用增量式PID控制算法，位置式PID算法相較于棒棒控制算法，盡管實(shí)現(xiàn)起來復(fù)雜程度較高，但總體性能上， 可以做到

13、響應(yīng)速度與精度更高。再考慮到 PID算法已有資源更為豐富，在參考 他人的調(diào)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)上，采用位置式 PID控制算法，將會(huì)更快取得較為理想的控 制效果。故而，綜合考慮，我們決定采用位置式PID控制算法。PID算法改進(jìn)方式選擇(1)基于生物遺傳算法改進(jìn)的模糊 PID算法/遺傳算法是計(jì)算數(shù)學(xué)中用于解決最佳化的， 是進(jìn)化算法的一種。進(jìn)化算法最 初是借鑒了進(jìn)化生物學(xué)中的一些現(xiàn)象而發(fā)展起來的，這些現(xiàn)象包括遺傳、突變、 自然選擇以及雜交等。遺傳算法通常實(shí)現(xiàn)方式為一種模擬。對(duì)于一個(gè)最優(yōu)化問題， 一定數(shù)量的候選解(稱為個(gè)體)的抽象表示(稱為染色體)的種群向更好的解進(jìn) 化。傳統(tǒng)上，解用表示(即0和1的用)，但也可以

14、用其他表示方法。進(jìn)化從完 全隨機(jī)個(gè)體的種群開始，之后一代一代發(fā)生。在每一代中，整個(gè)種群的適應(yīng)度被 評(píng)價(jià)，從當(dāng)前種群中隨機(jī)地選擇多個(gè)個(gè)體(基于它們的適應(yīng)度)，通過自然選擇 和突變產(chǎn)生新的生命種群，該種群在算法的下一次迭代中成為當(dāng)前種群。遺傳算法的基本運(yùn)算過程如下：a冽始化:設(shè)置進(jìn)化代數(shù)計(jì)數(shù)器t=0,設(shè)置最大進(jìn)化代數(shù)T,隨機(jī)生成M個(gè)個(gè)體 作為初始群體P(0)。b)個(gè)體評(píng)價(jià):計(jì)算群體P(t)中各個(gè)個(gè)體的。c):將選擇算子作用于群體。選擇的目的是把優(yōu)化的個(gè)體直接遺傳到下一代或通 過配對(duì)交叉產(chǎn)生新的個(gè)體再遺傳到下一代。選擇操作是建立在群體中個(gè)體的評(píng)估 基礎(chǔ)上的。d)交叉運(yùn)算：將交叉算子作用于群體。遺傳算

15、法中起核心作用的就是交叉算子。e)將變異算子作用于群體。即是對(duì)群體中的個(gè)體用的某些上的基因值作變動(dòng)。群體P(t)經(jīng)過選擇、交叉、之后得到下一代群體 P(t+1)。f)終止條件判斷：若t=T,則以進(jìn)化過程中所得到的具有最大個(gè)體作為輸出，終止計(jì)算?；谏镞z傳算法改進(jìn)的模糊 PID算法，具優(yōu)點(diǎn)在于總可以求得局部最優(yōu)工、 解，實(shí)時(shí)根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境改變PID參數(shù)，從而改進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與響應(yīng)速度。但 其缺點(diǎn)在于，每次搜索最優(yōu)解需要反復(fù)計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度，計(jì)算量太大，可能給系統(tǒng)帶來較大的延時(shí)。且適應(yīng)度函數(shù)的確定直接關(guān)系著最優(yōu)解的選取，為了 達(dá)到好的參數(shù)選擇效果，必須確定一個(gè)合適的適應(yīng)度函數(shù)。(2)基于分段的

16、模糊PID算法傳統(tǒng)PID是用事先調(diào)好的一套PID參數(shù)施用在系統(tǒng)的整個(gè)控制過程中且保 持不變?；诜侄蔚哪：齈ID算法，在兩軸云臺(tái)的參數(shù)設(shè)計(jì)中，是根據(jù)當(dāng)前兩 軸位置與目標(biāo)位置的誤差大小來分別確定一套適應(yīng)性的PID參數(shù)，并基于該分段思想，將整個(gè)控制過程根據(jù)控制誤差大小劃分為多個(gè)區(qū)域，用多套參數(shù)隨控制誤差變化而變化，從而適應(yīng)整個(gè)調(diào)節(jié)過程?；诜侄嗡枷氲哪：齈ID算法，具優(yōu)點(diǎn)在于思路簡單，實(shí)現(xiàn)過程沒有復(fù)雜 / 的計(jì)算過程，能夠很好適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)時(shí)延的要求。對(duì)于測(cè)試環(huán)境并不過于復(fù)雜的情 況，可以很好提高系統(tǒng)的適應(yīng)性與穩(wěn)定性。缺點(diǎn)在于如果系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境較為復(fù)雜， 必須將測(cè)試環(huán)境分為許多參數(shù)區(qū)間，增大參數(shù)的調(diào)試任

17、務(wù)。(3)基于權(quán)重分配改進(jìn)的模糊 PID算法/所謂基于權(quán)重分配改進(jìn)的模糊 PID算法，是在分段模糊PID算法的基礎(chǔ)上， 根據(jù)當(dāng)前的控制誤差與已有的各分段邊界的距離，對(duì)距離做歸一化和計(jì)算權(quán)重， 距離越遠(yuǎn)，該段參數(shù)的值對(duì)最終值的形成影響便越弱。 在權(quán)重的基礎(chǔ)上，對(duì)各區(qū) 間參數(shù)值作加權(quán)平均得到最終用于控制系統(tǒng)的PID參數(shù)。該算法思想取自數(shù)字圖像處理圖像平滑算法思想其優(yōu)點(diǎn)在于，可以在很快的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，得到實(shí)時(shí)變化的 PID參數(shù)，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。具缺點(diǎn)在 于，最終得到的PID參數(shù)適應(yīng)性好壞很大程度取決于最初的基本分段參數(shù)的好 壞，如果分段比較粗糙，通過加權(quán)平均得來的參數(shù)效果便會(huì)大打折扣。(4)經(jīng)微

18、分現(xiàn)行，閾值控制等數(shù)學(xué)方式改進(jìn)的 PID算法1)不完全微分PID算法。在中，微分信號(hào)的引入可改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，但 也易引起高頻干擾，在誤差擾動(dòng)突變時(shí)尤其顯出微分項(xiàng)的不是。 若在控制算法中 加人低通，則可使系統(tǒng)性能得到改善。2)積分飽和及抑制。在實(shí)際過程中，控制變量乙因受到執(zhí)行元件機(jī)械和物理 性能的約束而控制在有限范圍內(nèi)，即Umin <u (k) < Umax0如果由計(jì)算機(jī)給出的 控制量形在上述范圍內(nèi)，那么控制可以按預(yù)期的結(jié)果進(jìn)行。一旦超出上述范圍， 那么實(shí)際執(zhí)行的控制量就不再是計(jì)算值，由此將引起不期望的效應(yīng)。遇限削弱積分法。一旦控制變量進(jìn)入飽和區(qū)，將只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的運(yùn) 算而停止

19、進(jìn)行增大積分項(xiàng)的運(yùn)算。具體地說，在計(jì)算 u (k)時(shí)，將判斷上一時(shí) 刻的控制量u (k)是否已超出限制范圍。如果已超出，那么將根據(jù)偏差的符號(hào)， 判斷系統(tǒng)輸出是否在超調(diào)區(qū)域，由此決定是否將相應(yīng)偏差計(jì)人積分項(xiàng)。 在三閉環(huán) 控制程序的速度環(huán)中就應(yīng)用了這個(gè)方法。 積分分離法。減小積分飽和的關(guān)鍵在于不能使積分項(xiàng)累積過大。 上面的 修正方法是一開始就積分，但進(jìn)人限制范圍后即停止累積。這里介紹的積分分離 法正好與其相反，它在開始時(shí)不進(jìn)行積分，直到偏差達(dá)到一定的閾值后才進(jìn)行積 分累計(jì)。這樣，一方面防止了一開始有過大的控制量；另一方面即使進(jìn)入飽和后， 因積分累積小，也能較快退出，減少了超調(diào)。綜合考慮，基于遺傳算

20、法的模糊 PID算法計(jì)算量過大，會(huì)給系統(tǒng)帶來較大 的延時(shí)，不能滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，故而不可用。另外，兩軸云臺(tái)系統(tǒng)的工 作環(huán)境并不會(huì)有太大的波動(dòng)，根據(jù)比賽場(chǎng)景預(yù)測(cè)，單次轉(zhuǎn)動(dòng)角度值應(yīng)在300以下，因而可采用分段模式下的模糊 PID算法。由于控制變量誤差范圍較小，分 段已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)適應(yīng)性要求，若采用加權(quán)平均求取實(shí)時(shí)性PID參數(shù)，會(huì)加大系統(tǒng)的計(jì)算任務(wù)，過分提高系統(tǒng)的參數(shù)的靈敏度，反而容易降低系統(tǒng)的抗干擾 性能。最后，微分先行，閾值控制方式實(shí)現(xiàn)簡單，可以有效抑制系統(tǒng)的超調(diào)，且 調(diào)高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故也可采用。綜上所述，本方案選擇分段與微分現(xiàn)彳T、閾值控制等方式結(jié)合改進(jìn)的PID算法作為系統(tǒng)最終的控制

21、算法。四.各模塊工作原理（詳細(xì)設(shè)計(jì)部分）1 .串口通信協(xié)議設(shè)計(jì)/由系統(tǒng)框圖可知，云臺(tái)控制系統(tǒng)的串口通信協(xié)議設(shè)計(jì)涉及到與工控機(jī)的串口 通信和與底盤主控的串口通信。yaw軸yaw軸yaw軸yaw軸pitchpitchpitchpitch校角度角度角度角度軸角度軸角度軸角度軸角驗(yàn)(3124(2316(158(70(3124(2316(158度字/位）位）位）位）位）位）位）(70位)節(jié)圖：工控機(jī)到云臺(tái)的消息幀結(jié)構(gòu)圖其中，與工控機(jī)串口通信部分，云臺(tái)控制部分需要接收來自工控機(jī)關(guān)于兩軸 云臺(tái)的下一個(gè)目的位置，采用float型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)一個(gè)目的位置，即四個(gè)字節(jié)。兩 軸云臺(tái)即一共八個(gè)有效數(shù)據(jù)字節(jié)。最后為了防止傳

22、輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)位置錯(cuò)亂及 數(shù)據(jù)錯(cuò)誤丟失等問題，在八個(gè)有效字節(jié)后,追加一個(gè)字節(jié)作為校驗(yàn)位,期值大小 為前八個(gè)有效數(shù)據(jù)字節(jié)的異或運(yùn)算結(jié)果。其消息幀結(jié)構(gòu)圖如圖。云臺(tái)控制中心到工控機(jī)只需要發(fā)送一個(gè)字節(jié)，0xAA表示需要火控部分切換 目標(biāo)，其他值表示無需切換目標(biāo)。另外，云臺(tái)控制部分與底盤主控通信部分， 云臺(tái)控制臺(tái)需要從底盤主控接收 指令，指令內(nèi)容包括兩軸目標(biāo)角度（遙控部分，有符號(hào)短整型數(shù)據(jù)），摩擦輪控 制指令，是否開啟火控，再加上起始字節(jié)，校驗(yàn)字節(jié)，一個(gè)消息幀包括5個(gè)字節(jié)內(nèi)容。起始字節(jié)yaw軸角度pitch軸角度控制指令字節(jié)校驗(yàn)字節(jié)圖：底盤主控到云臺(tái)的消息幀結(jié)構(gòu)/需要補(bǔ)充的是，上述消息幀結(jié)構(gòu)建立在云臺(tái)

23、兩軸電機(jī)都是用RM6025電機(jī)的情況下。最后部分射手采用了 pLh軸電機(jī)使用舵機(jī)，yaw軸電機(jī)使用RM6025 電機(jī)的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)下，工控機(jī)與云臺(tái)通信的消息幀結(jié)構(gòu)不變， 但底盤主控到 云臺(tái)控制的消息幀結(jié)構(gòu)則有略微區(qū)別，即少了/ p4ch軸角度字節(jié)且由云臺(tái)控制板 需要向底盤主控轉(zhuǎn)發(fā)來自火控部分 p讓ch軸的目標(biāo)位置。而造成這一區(qū)別的原因在于，舵機(jī)直接由底盤主控板 PWM驅(qū)動(dòng)控制2 .彈藥擊發(fā)結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)圖：發(fā)射機(jī)構(gòu)圖為發(fā)射部分機(jī)械結(jié)構(gòu)外觀圖，器件介紹如下： 發(fā)射機(jī)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)兩軸的云臺(tái)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)軸yaw軸和pitch軸都是 采用pmsnf空制方式，由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)； BLDCfe機(jī)及電調(diào)，選

24、用的是多旋翼動(dòng)力電機(jī)，這種電機(jī)能高速運(yùn)轉(zhuǎn)， 適合用來推擠子彈； 撥送子彈進(jìn)入彈道的電機(jī)選用普通的直流有刷減速電機(jī)，控制比較簡 單；單軸陀螺，做了濾波處理，有限時(shí)間內(nèi)漂移不大云臺(tái)發(fā)射裝置由雙摩擦 輪擠壓子彈彈射裝置完成 擊發(fā)部分驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要任務(wù)在于摩擦輪電機(jī)的工作狀態(tài)配置。/根據(jù)摩擦輪使用手冊(cè)，首先向電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口輸入占空比為1的PWMS,再重 新上電，向電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口輸入占空比為 50%勺PWMS,聽到電調(diào)滴答聲提示，判 斷是否進(jìn)入正常工作狀態(tài)，再最后根據(jù)轉(zhuǎn)速需要輸入不同占空比的 PWMt使摩 擦輪電機(jī)以不同速度飛速轉(zhuǎn)動(dòng)。3 .兩軸云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制本系統(tǒng)云臺(tái)控制部分采用改進(jìn)的 PID算法，常規(guī)PID參

25、數(shù)的調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)如下： 其中kp, ki，kd分別稱為比例常數(shù)，積分常數(shù)與微分常數(shù)， TT，td分別為系統(tǒng)采 樣時(shí)間，積分區(qū)間時(shí)間，微分區(qū)間時(shí)間，流程見圖。1）比例項(xiàng)系數(shù)kp大，系統(tǒng)響應(yīng)快，調(diào)節(jié)精度高；但卜過大時(shí)，易造成系統(tǒng)超調(diào)，甚至 不穩(wěn)定。因此在大誤差時(shí)采用大 KP值以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度；當(dāng)系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)區(qū) 域時(shí)，要減小KP值以防止超調(diào)，穩(wěn)態(tài)時(shí)KP值應(yīng)適中。2）積分項(xiàng)系數(shù)K ,積分的作用主要是消除穩(wěn)態(tài)誤差，以提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。ki值 大，誤差消除能力強(qiáng)，但在起動(dòng)過程中易出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，調(diào)節(jié)超調(diào)量增加。因此 要求K在大誤差時(shí)為0,以消除積分飽和現(xiàn)象；在中誤差時(shí)，采用較小的積分系數(shù)； 進(jìn)入穩(wěn)態(tài)區(qū)域時(shí)

26、，相對(duì)加大積分系數(shù)。這樣可實(shí)現(xiàn)變系數(shù)積分，既保證穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)積 分的要求，又避免了積分飽和現(xiàn)象。3）微分項(xiàng)系數(shù)kd其主要作用是通過它對(duì)系統(tǒng)變化的抑制，達(dá)到改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特 性的目的，即起阻尼作用。kd值大,阻尼性增強(qiáng)，因此在大誤差時(shí)應(yīng)使kd為零，即 去掉阻尼作用以加快系統(tǒng)響應(yīng)；當(dāng)誤差接近穩(wěn)態(tài)區(qū)域時(shí)，應(yīng)使kd值為最大以抑制 變化趨勢(shì)，從而起到減少超調(diào)的目的；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)區(qū)域時(shí)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)膋d使 控制穩(wěn)定。 云臺(tái)運(yùn)動(dòng)軟件流程思想如下圖：圖：軟件控制流程圖流程圖中“云臺(tái)位置更新”調(diào)試過程中主要根據(jù)系統(tǒng)由初始位置到達(dá)指定位 置的振蕩曲線，來判斷PID三個(gè)參數(shù)的大小取值是否恰當(dāng)。如下面兩幅圖保持kd不變，

27、只改變kp參數(shù)時(shí)的系統(tǒng)振蕩曲線對(duì)比:圖：kp=, kd =1圖：kp=1, kd =1圖：kp=1, kd =圖：kp=1, kd=3分段PID,不完全微分方式其具體實(shí)現(xiàn)J參見附錄工程源代碼部分五.系統(tǒng)測(cè)試及調(diào)試1 .以云臺(tái)控制視覺識(shí)別為例介紹測(cè)試流程該部分的結(jié)構(gòu)框圖如下，為測(cè)試這個(gè)系統(tǒng)是否工作正常，要先后進(jìn)行單調(diào)、 聯(lián)調(diào)。視覺識(shí)別 系統(tǒng)N臺(tái)控制圖：云臺(tái)控制 一視覺識(shí)別結(jié)構(gòu)框圖(1)視覺識(shí)別系統(tǒng)測(cè)試視覺處理后計(jì)算出的角度數(shù)據(jù)在編碼后能否正常發(fā)送，由視覺識(shí)別部分的隊(duì)員完成。2 2) USB轉(zhuǎn)用口測(cè)試' 1在開發(fā)機(jī)上插入U(xiǎn)SB轉(zhuǎn)用口小板，安裝驅(qū)動(dòng)后，在計(jì)算機(jī)一 管理面板中 查看這一設(shè)備的編

28、號(hào)，一般為 COMX (X為數(shù)字)的形式。2在開發(fā)機(jī)上運(yùn)行“串口調(diào)試助手”程序，選定先前檢測(cè)出的端口號(hào)，設(shè)定 波特率115200B,其他設(shè)置保持默認(rèn)，之后點(diǎn)擊開始。3將發(fā)送數(shù)據(jù)格式設(shè)為ASCII,發(fā)送任意內(nèi)容，點(diǎn)擊發(fā)送后，可以看到/ USB 轉(zhuǎn)用口的TX燈閃爍。用導(dǎo)線將RX與TX短接，選擇連續(xù)發(fā)送，點(diǎn)擊發(fā)送后， 可以看到接收窗口以一定周期接收發(fā)送的內(nèi)容，而設(shè)備上的rx/tx指示燈保持同步閃爍。這里如果可以接收發(fā)送的消息說明串口通信正常,/ 而如果指示燈也 正常的話會(huì)更好，方便觀察通信狀況。否則說明USB轉(zhuǎn)用口工作不正常，考慮重新接線或者換其他USB轉(zhuǎn)用口設(shè)備。 /(3)云臺(tái)控制單調(diào)/視覺處理系

29、統(tǒng)發(fā)送的兩軸角度數(shù)據(jù)是經(jīng)過編碼的，一次性發(fā)送8字節(jié)數(shù)據(jù)，云臺(tái)控制部分一次只能接收一字節(jié)數(shù)據(jù)，在接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析。進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試， 可以將開發(fā)機(jī)與云臺(tái)主控通過串口連接， 在開發(fā)機(jī)上運(yùn)行串口調(diào)試助手，仿照視 覺識(shí)別系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送數(shù)據(jù)，1主控板接收一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀后，解析 出兩軸角度，通過用口打印出結(jié)果，在用口調(diào)試助手的接收用口可以看到打印信 息，驗(yàn)證解析結(jié)果是否正確，再驗(yàn)證云臺(tái)是否轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置， 確認(rèn)這一部分工 作正常后進(jìn)行聯(lián)調(diào)。聯(lián)調(diào)/以上三部分單調(diào)完成后，進(jìn)行聯(lián)調(diào)，視覺處理系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行視覺處理、 數(shù)據(jù) 發(fā)送，云臺(tái)控制部分接收數(shù)據(jù)后及時(shí)處理，自動(dòng)調(diào)節(jié)兩軸電機(jī)。在攝像頭面前移動(dòng)目標(biāo)，測(cè)試

30、云臺(tái)是否轉(zhuǎn)動(dòng)到對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)的位置。根據(jù)聯(lián)調(diào)的效果確定改進(jìn)方向， 重復(fù)測(cè)試，直至達(dá)到預(yù)期效果。(5)此部分遇到的問題和解決方案1相對(duì)角度與絕對(duì)角度；視覺處理系統(tǒng)根據(jù)攝像頭視野中目標(biāo)所處的相對(duì)位置確定要偏轉(zhuǎn)的角度，這是相對(duì)于當(dāng)前位置而言的，當(dāng)前位置即基準(zhǔn)角度是無法由視覺識(shí)別系統(tǒng)自己確定 的；對(duì)云臺(tái)兩軸電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制時(shí)， 需要向電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)送絕對(duì)角度，然后電機(jī) 驅(qū)動(dòng)通過電流閉環(huán)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置。 這里可以在視覺識(shí)別系統(tǒng)上加上 陀螺儀自己測(cè)量當(dāng)前角度，或者由云臺(tái)反饋會(huì)基準(zhǔn)角度數(shù)據(jù)，這兩種方法分別會(huì) 增加系統(tǒng)復(fù)雜度和降低數(shù)據(jù)傳輸效率。最簡單的方法是在云臺(tái)控制程序中增加兩 個(gè)變量保存基準(zhǔn)角度，及時(shí)更新

31、這兩個(gè)變量，在接收視覺識(shí)別系統(tǒng)的相對(duì)角度后 加上基準(zhǔn)角度，得到絕對(duì)角度，轉(zhuǎn)交兩軸電機(jī)控制部分完成。經(jīng)過測(cè)試這一方法 可以很好地解決兩種數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換問題。2轉(zhuǎn)動(dòng)角度的范圍控制；由于視覺系統(tǒng)不知道當(dāng)前角度，會(huì)嘗試轉(zhuǎn)到任意角度，而受導(dǎo)線束縛、機(jī)械 結(jié)構(gòu)影響，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍是有限的，否則可能導(dǎo)致導(dǎo)線松開、電流過大燒毀電機(jī)，因 此需要解決轉(zhuǎn)動(dòng)角度的范圍控制問題。 從三方面解決，一是在布線時(shí)選擇合適長 度的導(dǎo)線；二是在安裝電機(jī)時(shí)調(diào)整合適的位置(每個(gè)電機(jī)有三種安裝位置)；三 是在云臺(tái)控制程序中，判斷目標(biāo)絕對(duì)角度，如果超過了范圍，則將目標(biāo)角度設(shè)為 可轉(zhuǎn)到的最大安全角度。通過綜合這三種解決方法，確保了轉(zhuǎn)動(dòng)角度處于安

32、全范 圍內(nèi)。2.其他的問題以及解決方案、/、云臺(tái)運(yùn)行噪聲問題；問題描述：在云臺(tái)運(yùn)行過程中，經(jīng)常出現(xiàn)“吱吱”類似燒開水的聲音，聲音來源 來自兩軸云臺(tái)電機(jī)內(nèi)部。問題分析：這種聲音，明顯表明電機(jī)工作不正常，存在磨損情況。即，電機(jī)不能 在一個(gè)位置穩(wěn)定下來，即在平衡位置存在振蕩問題。另一方面，源自機(jī)械裝置固 定不緊密，部分連接處螺絲隨云臺(tái)抖動(dòng)而松動(dòng)，與金屬桿碰撞發(fā)出的聲音。解決方案：經(jīng)多方調(diào)整參數(shù)，最后得出噪聲明顯減少的參數(shù)調(diào)整方案， 即內(nèi)環(huán)調(diào) 節(jié)參數(shù)不能過大，在本系統(tǒng)中，內(nèi)環(huán)指電流環(huán)，外環(huán)指位置環(huán)。通常情況下，內(nèi) 環(huán)參數(shù)在數(shù)值上不能超過5。在這種情況下，再去調(diào)整位置環(huán)三參數(shù)大小，噪聲 會(huì)明顯減小。另外

33、kd參數(shù)不能過大（例如1500及其以上），否則會(huì)產(chǎn)生明顯噪 聲。最后，配合使用分段參數(shù)，不完全微分等算法改進(jìn)方式，增大參數(shù)的試用范 圍，進(jìn)而增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少異常情況產(chǎn)生。、pitch軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，工作電流過大問題；問題描述：在pitch軸前端，綁上金屬材質(zhì)激光燈以及一個(gè)攝像頭之后，云臺(tái)部 分橫向中心明顯靠前，pitch軸電機(jī)“抬頭”電流一般達(dá)到3A峰值仍不能將炮管 抬起并穩(wěn)定到正常高度，根本原因在于 MPU6025電機(jī)力矩過小，不能適應(yīng)當(dāng)前 重心大幅度靠前的重心環(huán)境。問題分析：主要是由于機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，并沒有考慮到重心均衡的問題。解決方案： 最終臨時(shí)采用的解決方案為，在繼續(xù)采用 RM60

34、25電機(jī)作為pitch 軸電機(jī)的情況下，在彈倉尾部額外掛載一個(gè)重物，起重心匹配作用。另外， pitch 軸電機(jī)采用舵機(jī)替換RM6025電機(jī)，由于舵機(jī)的力矩為45kg/cm,完全適應(yīng)當(dāng)前情 況，大大提高了 pitch軸的穩(wěn)定度。、串口通信數(shù)據(jù)申擾及數(shù)據(jù)錯(cuò)誤問題；問題描述：經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)接收錯(cuò)誤或字節(jié)順序錯(cuò)誤從而導(dǎo)致兩軸角度譯碼錯(cuò)誤， 使云臺(tái)出現(xiàn)異常抖動(dòng)的情況。問題分析：由模塊工作原理中的串口通信設(shè)計(jì)部分可知， 一個(gè)消息幀往往不止一 個(gè)字節(jié)，而一個(gè)消息幀內(nèi)的每個(gè)字節(jié)都有嚴(yán)格的接收順序要求。 若沒有添加起始 字節(jié)和校驗(yàn)字節(jié)，接收方易出現(xiàn)數(shù)據(jù)申擾或字節(jié)順序錯(cuò)誤。解決方案：后來通過在消息幀內(nèi)加入起始字節(jié)和

35、校驗(yàn)字節(jié)，接收到錯(cuò)誤字節(jié)，直接丟棄，避免錯(cuò)誤消息幀影響系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而解決了該問題。六.項(xiàng)目實(shí)施總結(jié)及心得體會(huì)這是我們團(tuán)隊(duì)第一次接觸到機(jī)器人相關(guān)的設(shè)計(jì)類競(jìng)賽， 對(duì)于每一個(gè)人來說這 都是一次寶貴的歷練和難忘的經(jīng)歷。我們小組想從不同的角度談一談對(duì)于此次項(xiàng) 目的總結(jié)和體會(huì)。從項(xiàng)目的時(shí)間進(jìn)展上講，我們?cè)?2014年底就已經(jīng)接觸了這個(gè)項(xiàng)目，宣講會(huì) 和視頻過后.大家對(duì)項(xiàng)目初步的印象就是有趣新穎， 表面上是機(jī)器人戰(zhàn)車之間的 博弈，實(shí)際上融合了機(jī)械以及軟硬件等不同領(lǐng)域的設(shè)計(jì)并用一種類似于CS游戲的形式呈現(xiàn)出來；在有了大疆提供的資料后，我們開始了機(jī)械、火控、硬件組的 分工，身處硬件組，我們感受到每一部分從PC

36、Bfe的焊接測(cè)試到軟件的調(diào)試下載 都是很大的挑戰(zhàn)，除了工作量大，缺乏經(jīng)驗(yàn)的我們很多時(shí)間都是用在尋找解決問 題方案上。直到五月份我們還會(huì)出現(xiàn)板子莫名被燒的窘?jīng)r， 直到比賽前幾天晚上 大家也都在熬夜完善代碼. 但是只要大家堅(jiān)持總會(huì)柳暗花明。、從項(xiàng)目的分塊實(shí)施上，我們這個(gè)項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)畢竟是臨時(shí)組建的， 初期肯定需 要一定的磨合，但每位成員也都在努力尋找合適的定位。從任務(wù)零散到逐漸模塊 化，我們?cè)谛〗M合作和突破問題中逐漸找到默契和成就感。例如云臺(tái)部分的調(diào)試， CAN!信失敗是由于芯片問題，板子燒毀問題，小車布線問題，云臺(tái)部分是由于 電機(jī)問題，控制板問題，控制算法問題，參數(shù)問題等，找到問題所在就是成功的

37、第一步，然后集思廣益、不斷調(diào)試，當(dāng)?shù)谝淮慰吹杰囯S遙控行走，第一次看到云 臺(tái)隨著鼠標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)，第一次與火控聯(lián)調(diào)成功.我們逐漸找到信心，團(tuán)隊(duì)的合作 力量也愈發(fā)強(qiáng)大。從項(xiàng)目的比賽結(jié)果上，兩天比賽下來打了第 4名拿到總決賽入場(chǎng)券，是對(duì) 我們所有老師和同學(xué)付出的一種肯定。 經(jīng)歷了幾場(chǎng)連續(xù)的勝利之后，我們覺得這 么久的付出也值了。從名次上講，這是一個(gè)比較符合我們隊(duì)實(shí)際情況的名次。/就 像步兵1號(hào)的學(xué)長所總結(jié)的，我們之所以止步于第 4有如下幾點(diǎn)： / 我們的戰(zhàn)術(shù)缺陷：進(jìn)攻路線單一，步兵爬不上 A高臺(tái)，死亡橋不敢走， 對(duì)面派一個(gè)車堵在B簾什么都不做，兩輛主攻的步兵就只能干瞪眼（反觀我們贏 的7局比賽里，共同點(diǎn)是步兵都是鉆 B簾出去的）。針對(duì)這種戰(zhàn)術(shù)，其他的隊(duì) 伍不難想出應(yīng)對(duì)我們的辦法。