3robocon培訓(xùn)控制資料

Robocon競(jìng)賽機(jī)器人

控制部分介紹

太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)第1頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵 ----主控

主控是整個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵，它接收各個(gè)子模塊反饋信息，通過運(yùn)行儲(chǔ)存在主控板中主控程序來對(duì)這些信息進(jìn)行判斷和處理，最后再通過向其他各個(gè)模塊發(fā)送外部控制信號(hào)來調(diào)整整個(gè)機(jī)器人姿態(tài)。

主控穩(wěn)定是機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行基礎(chǔ)。

主控功能實(shí)現(xiàn)依賴于主控板。第2頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)主控板

控制機(jī)器人基礎(chǔ)目前主控板是一塊集成了高性能單片機(jī)、電源模塊、通信模塊等多種硬件設(shè)備為一體PCB電路板。

主控板上搭載了整個(gè)機(jī)器人控制程序，是機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)。主控板性能穩(wěn)定是否決定了機(jī)器人能否按照預(yù)定程序穩(wěn)定運(yùn)行第3頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)主控關(guān)鍵----單片機(jī)

單片機(jī)是主控板關(guān)鍵部分。它集儲(chǔ)存和運(yùn)行控制程序、接收和處理外部反饋信號(hào)、發(fā)射控制信號(hào)等功能于一身。

單片機(jī)類型有很多，目前比較主流有51系列單片機(jī)、MSP430系列以及ARM內(nèi)核系列單片機(jī)。其中ARM系列STM32單片機(jī)在競(jìng)賽機(jī)器人方面應(yīng)用較為廣泛。

下面我將為大家介紹一下STM32單片機(jī)。第4頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)STM32強(qiáng)大功能I/O輸入輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換功能用途廣泛定期器多樣化通信方式DMA迅速傳輸?shù)?頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)

STM32I/O輸入輸出功能----GPIO

GPIO是STM32上最基本也是最常用一種外設(shè)。在機(jī)器人控制中使用也非常廣泛。

在STM32中可通過軟件將GPIO端口各個(gè)端口位分別配備多種工作模式。

第6頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)

初始化GPIO工作模式功能模式輸入上拉與下拉輸出推挽與開漏速率第7頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)GPIO功能模式輸入上拉與下拉、輸出推挽與開漏第8頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)GPIO速率GPIO速率選擇要合理，既要能夠滿足需求也要考慮到盡可能節(jié)省CPU資源，由于CPIO速率越高，對(duì)CPU資源占用也就越多。第9頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換ADCADC功能就是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成容易進(jìn)行數(shù)字處理數(shù)字信號(hào)。機(jī)器人很多傳感器采集數(shù)據(jù)都是模擬量，因此ADC應(yīng)用十分主要。STM32F407中ADC1~ADC3引腳與通道對(duì)應(yīng)關(guān)系第10頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)用途廣泛定期器STM32F4定期器功能十分強(qiáng)大，有TIME1和TIME8等高級(jí)定期器，也有TIME2~TIME5，TIM9~TIM14等通用定時(shí)器，尚有TIME6和TIME7等基本定期器，總共達(dá)14個(gè)定期器之多。

定期器做時(shí)間基準(zhǔn)輸出PWM波捕捉輸入脈沖信號(hào)作為編碼器脈沖計(jì)數(shù)器第11頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)定期器作為時(shí)間基準(zhǔn)STM32F4每個(gè)通用定期器都是完全獨(dú)立存在，他們與CPU等沒有共享任何資源。因此使用定期器作為時(shí)間基準(zhǔn)是非常精確可靠。第12頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)定期器PWM波輸出功能PWM即為脈沖寬度調(diào)制，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制一種非常有效技術(shù)。簡(jiǎn)單一點(diǎn)，就是對(duì)脈沖寬度控制。

第13頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)定期器PWM波輸出功能如上簡(jiǎn)單PWM原理示意圖。圖中，我們假定定期器工作在向上計(jì)數(shù)PWM模式，且當(dāng)定期器目前計(jì)數(shù)值CNT不大于比較寄存器轉(zhuǎn)載值CCRx時(shí)，輸出0，當(dāng)CNT大于等于CCRx時(shí)輸出1。那么就能夠得到：當(dāng)CNT值不大于CCRx時(shí)候，IO輸出低電平(0)，當(dāng)CNT值大于等于CCRx時(shí)候，IO輸出高電平(1)，當(dāng)CNT達(dá)成計(jì)數(shù)上線ARR值時(shí)候，重新歸零，然后重新向上計(jì)數(shù)，依次循環(huán)。

變化比較寄存器裝載值CCRx大小，就能夠變化PWM輸出占空比，變化計(jì)數(shù)上線ARR值，（或者變化定期器預(yù)分頻系數(shù)）就能夠變化PWM輸出頻率，這就是PWM輸出原理。第14頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)定期器做編碼器脈沖計(jì)數(shù)器增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖個(gè)數(shù)表達(dá)位移大小。

絕對(duì)式編碼器每一種位置對(duì)應(yīng)一種確定數(shù)字碼，因此它示值只與測(cè)量起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量中間過程無關(guān)。

通過編碼器所得到位移等數(shù)據(jù)精確度非常高，因此編碼器在機(jī)器人控制上應(yīng)用十分廣泛。編碼器按照工作原理可分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器兩類。第15頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)在ROBOCON比賽中編碼器使用非常多，并且絕大部分用都是增量式編碼器。

增量式編碼器增量式編碼器基本原理就是每轉(zhuǎn)過單位角度就發(fā)出一種脈沖信號(hào)一般為A相、B相、Z相輸出，A相、B相為互相延遲1/4周期脈沖輸出，根據(jù)延遲關(guān)系能夠區(qū)分正反轉(zhuǎn)，并且通過取A相、B相上升和下降沿能夠進(jìn)行2或4倍頻；Z相為單圈脈沖，即每圈發(fā)出一種脈沖。第16頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)編碼器妙用使用編碼器測(cè)速使用編碼器測(cè)距

使用定期器編碼器模式統(tǒng)計(jì)脈沖數(shù)并對(duì)脈沖數(shù)進(jìn)行累加。用一種定期器來獲取編碼器脈沖數(shù)，再用另一種定期器作為時(shí)間基準(zhǔn)。第17頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)多樣式通訊機(jī)制機(jī)器人內(nèi)部多種模塊之間信息交互都需要依賴于通信。

通信是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人內(nèi)部多種芯片之間互相聯(lián)系時(shí)進(jìn)行信號(hào)互通一種有效伎倆。目前常用通信有：串口通信、CAN通信、I2C、SPI等第18頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)CAN總線在總線空閑時(shí)，所有單元都可開始發(fā)送消息。最先訪問總線單元可取得發(fā)送權(quán)。

多種單元同步開始發(fā)送時(shí)，發(fā)送高優(yōu)先級(jí)ID消息單元可取得發(fā)送權(quán)。CAN多主控制與總線相連單元沒有類似于“地址”信息。因此在總線上增加單元時(shí)，連接在總線上其他單元軟硬件及應(yīng)用層都不需要變化。系統(tǒng)柔軟性第19頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)CAN總線在同一網(wǎng)絡(luò)中，所有單元必須設(shè)定成統(tǒng)一通信速度。雖然有一種單元通信速度與其他不同樣，此單元也會(huì)輸犯錯(cuò)誤信號(hào)，妨礙整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信。在機(jī)器人使用中，CAN通信速度一般設(shè)置在1M左右CAN通信速度

強(qiáng)大錯(cuò)誤處理機(jī)制所有單元都能夠檢測(cè)錯(cuò)誤。

檢測(cè)犯錯(cuò)誤單元會(huì)立即同步通知其他所有單元

正在發(fā)送消息單元一旦檢測(cè)犯錯(cuò)誤，會(huì)強(qiáng)制結(jié)束目前發(fā)送。強(qiáng)制結(jié)束發(fā)送單元會(huì)不停反復(fù)地重新發(fā)送此消息直到成功發(fā)送為止。

當(dāng)總線上發(fā)生連續(xù)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)，可將引發(fā)此故障單元從總線上隔離出去。第20頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)主控板上電源分派主控板上外接模塊比較多，有很多模塊需要5V供電，因此我們主控板采取是5V供電。不過STM32芯片尚有其他一部分模塊需要是3.3供電，因此在主控板上必須要有一種電源分派機(jī)制。輸入電壓4.75V~23V，輸出電壓1.22V~21V，默認(rèn)輸出為3.3V，輸出電流為3A它效率高，開關(guān)頻率高，對(duì)其他模塊干擾少。YECSD200電源模塊第21頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)電源模塊

由于整個(gè)機(jī)器人是一種電子電路系統(tǒng)，并且機(jī)器人上各個(gè)模塊對(duì)供電電壓要求也各不相同。因此一種穩(wěn)定電源模塊是必不可少為了使機(jī)器人能有足夠動(dòng)力和續(xù)航能力，一般使用24V航模鋰電池作為電源。為了滿足不一樣模塊對(duì)電壓不一樣要求，需要將電池24V電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。第22頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)電壓轉(zhuǎn)換功能24轉(zhuǎn)換成5V

采取隔離穩(wěn)壓模塊VRB2405YMD-10WR3

采取隔離穩(wěn)壓模塊VRB2405YMD-10WR324轉(zhuǎn)換成12V隔離穩(wěn)壓模塊性能參數(shù)：第23頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)電壓轉(zhuǎn)換功能24轉(zhuǎn)換成12V由上面性能參數(shù)表能夠發(fā)覺VRB24012YMD-10WR3輸出電流僅有0.8A，那么在面向某些供電電壓為12V并且功率比大模塊時(shí)，使用VRB2405YMD-10WR3隔離穩(wěn)壓模顯然是不行。開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片LM2596LM2596系列是德州儀器生產(chǎn)降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片。輸出電流為3A。輸出電壓有：3.3V、5V、12V等多種電壓檔次產(chǎn)品可供選擇。第24頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)電源模塊其他功能欠壓報(bào)警欠壓報(bào)警就是當(dāng)電池電壓低于正常使用電壓時(shí)自動(dòng)報(bào)警，避免電池過放影響使用壽命。過流保護(hù)過流保護(hù)就是當(dāng)某個(gè)端口電流過大時(shí)發(fā)出報(bào)警，當(dāng)過流情況連續(xù)一定期間后積極斷開該端口供電，保護(hù)電路。

在監(jiān)測(cè)電流時(shí)，一般采取集成霍爾效應(yīng)電流傳感器，它輸出電壓和監(jiān)測(cè)電流成正比。然后就能夠通過對(duì)輸出電壓ADC采樣監(jiān)測(cè)，達(dá)成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流目標(biāo)。第25頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)電源模塊與主控交互電源模塊為主控供電主控控制電源模塊

主控能夠通過控制電源模塊上某幾個(gè)引腳高低電平來控制電源模塊中某些輸出端口開或關(guān)。電源模塊向主控反饋信息例如當(dāng)電源模塊檢測(cè)到某個(gè)比較主要輸出端口電流過流尤其嚴(yán)重，就會(huì)拉低某個(gè)與主控相連引腳，而主控檢測(cè)到了這個(gè)引腳上電平變化就能獲電源模塊狀態(tài)信息。第26頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)驅(qū)動(dòng)模塊在機(jī)器人中最常見作動(dòng)器就是電機(jī)和氣缸。

電機(jī)需要電力來帶動(dòng)，不過主控上單片機(jī)僅能輸出3.3V電壓，并且驅(qū)動(dòng)電流還非常有限，顯然是無法驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此主控要想控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)就必須要通過一種有足夠能力電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

氣缸動(dòng)力源是氣瓶中壓縮氣體，主控要控制氣缸伸縮必須要通過控制電磁閥開閉來實(shí)現(xiàn)，不過電磁閥大多是12V或者24V，顯然主控板驅(qū)動(dòng)能力無法帶動(dòng)電磁閥。因此，主控要想控制氣缸也必須要借助氣缸驅(qū)動(dòng)板。第27頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板電機(jī)驅(qū)動(dòng)板功能就是根據(jù)主控所發(fā)送命令驅(qū)動(dòng)并控制電機(jī)達(dá)成一種對(duì)應(yīng)位置或者速度電機(jī)驅(qū)動(dòng)板上也嵌入了一種STM32單片機(jī)。這樣主控板僅需發(fā)送電機(jī)目標(biāo)速度，驅(qū)動(dòng)板接收到指令后就能自行調(diào)控電機(jī)速度，這減少了主控板運(yùn)算負(fù)荷，也使得多種電機(jī)控制變非常簡(jiǎn)單。第28頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板中強(qiáng)弱隔離

驅(qū)動(dòng)板作為主控驅(qū)動(dòng)電機(jī)途徑，其本身穩(wěn)定性不言而喻。而驅(qū)動(dòng)板采取是24V供電，并且驅(qū)動(dòng)電路中電壓高，電流大，所產(chǎn)生電磁干擾也比較大。為了使驅(qū)動(dòng)板控制部分能夠穩(wěn)定運(yùn)行，就需要將控制部分與供電部分、驅(qū)動(dòng)電路部分之間互相隔離。將控制部分與供電部分隔離采取隔離穩(wěn)壓芯片WRB2405CS第29頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板與主控交互

驅(qū)動(dòng)板需要實(shí)時(shí)接收主控控制信號(hào)，因此驅(qū)動(dòng)板與主控之間通信也尤為主要。為了通信靈活、便捷，驅(qū)動(dòng)板上預(yù)留了多種通信方式硬件接口。如串口，CAN通信接口PWM輸入口等。

驅(qū)動(dòng)板通過CAN通信、串口通信能夠直接獲取主控板控制信息，同步也能向主控板反饋會(huì)電機(jī)速度或者位置等信息。

驅(qū)動(dòng)板也能夠通過TIM口讀取主控輸入PWM波周期、占空比等信息來確定主控控制信息。這種交互對(duì)主控來說愈加便捷。第30頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)氣缸驅(qū)動(dòng)板氣缸驅(qū)動(dòng)板作用就是根據(jù)主控所發(fā)送高低電平信號(hào)控制輸出端與供電端通斷。

氣缸驅(qū)動(dòng)板輸出端與電磁閥相連，通過對(duì)輸出端電壓控制來實(shí)現(xiàn)電磁閥狀態(tài)切換。第31頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)氣缸氣缸由于控制簡(jiǎn)單、效率高、速度快并且質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)在機(jī)器人中應(yīng)用十分廣泛。氣缸使用壓縮氣體作為動(dòng)力源通過電磁閥切換氣缸進(jìn)氣孔與出氣孔來切換氣缸伸長(zhǎng)和收縮狀態(tài)。第32頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)傳感器在機(jī)器人控制中非常主要，正是有了傳感器信息反饋，機(jī)器人控制和調(diào)整才有了根據(jù)。傳感器傳感器根據(jù)檢測(cè)對(duì)象不一樣可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器內(nèi)部傳感器：用來檢測(cè)機(jī)器人本身狀態(tài)。外部傳感器：用來檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境信息第33頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)CCD是一種半導(dǎo)體器件，它能感應(yīng)光線，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)外部采樣放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)。CCD有下列長(zhǎng)處：

功耗小，工作電壓低;抗沖擊與震動(dòng)，性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)。

敏捷度高，噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像

CCD

第34頁太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)線性是把CCD像素排成一條直線器件。

線性CCD與攝像頭區(qū)分就在于攝像頭是采集一種面上數(shù)據(jù)，采集回來數(shù)據(jù)是一種多行多列二維矩陣。而線性CCD只是