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1、2023/6/24,1,第九章 集控式微型足球机器人（二）,徐心和 郝丽娜 丛德宏东北大学人工智能与机器人研究所,2023/6/24,2,集 控 式 系 统 概 念 图,2023/6/24,3,2023/6/24,4,通信子系统,集控式足球机器人各子系统关系图,为了使上述子系统协调工作，还应该有一个总控子系统,2023/6/24,5,准备阶段,比赛阶段,2023/6/24,6,9.4 机器人小车子系统,7.57.57.5 cm3 机动性和灵活性快速准确实现前进，后退，转角，停车等基本动作旋转半径小 抗干扰性抗撞性左右轮单独驱动前后支撑轮,足球机器人小车外形图,2023/6/24,7,轮轴半径R
2、0,轮半径R,Fr,F,支撑轮,2023/6/24,8,9.4.1 机械结构及运动部分,铝合金整体框架，盒盖三层结构 上层PCB板，模块，器件 中层可充电电池 底层电机，减速机，轮系瑞士产的MINIMOTOR-2224微型直流电机(6v.3-5w.6000rpm)2只相对编码器128线，256线，512线特点:体积小、重量轻、输出功率大、测速精度高等。,2023/6/24,9,9.4.2 小车伺服控制器,伺服控制器原理框图,2023/6/24,10,2023/6/24,11,NEW NEU-2型小车原理电路,2023/6/24,12,NEW NEU-2 小车印刷版图,2023/6/24,13,
3、直流电机调速方式,调电压 发电机-电动机组 可控硅-电动机组 电枢回路串电阻 PWM调速调励磁,PWM调速特点：简单，便于计算机实现，节能，调速范围大 非线性严重，引入高频干扰和损耗,2023/6/24,14,9.4.2.1 CPU控制单元80C196KC,9.4.2.2 电机驱动单元H桥电路,2023/6/24,15,L298原理线路图,2023/6/24,16,9.4.2.3 鉴向和速度检测单元,本系统采用82C53/82C54作为计数器，ST288A作为鉴向器，分别完成速度值与方向的测量，作为速度反馈值,2023/6/24,17,9.4.2.4 无线接收单元,无线通信装置提出的要求：频率
4、可选，通信速率高，性能可靠，体积小等。机器人小车采用英国Radiometrix公司的低功耗超高频数据收发模块，型号为BIM418F和BIM433F，载波频率分别为418MHz和433MHz，只接少许外围电路即可工作，使用起来非常方便。,9.4.3 车载电源的选择,电源的选取原则：（1）可充电电池使用方便，可重复使用；（2）容量大电流为500mA时，可连续运行40分钟；（3）体积小、重量轻降低小车整体的重量、易于布置。,车型足球机器人采用国产锂电池为电源，型号为063448，额定电压为3.6V，容量为850MAH，2节串联(7.2V)。锂电池保护板，型号为388。8.4V停止充电，5V停止放电,
5、2023/6/24,18,9.4.4 小车子系统软件设计,小车子系统软件可分为主程序和中断服务子程序两大部分。其中主程序可以使用运行速度较快的汇编语言；中断服务子程序包括串行通信中断、定时器中断以及速度控制器等子程序，这些程序则使用高效的C语言开发。,2023/6/24,19,初始化子程序流程框图,禁止8253计数,PWM初始化,禁止PWM输出即停止小车运行,串行口初始化,清用户程序标志,设置PID参数,PID运算初始化,清相关变量,软件定时器0初始化,8254送初值,中断系统初始化,启动8254计数,开放CPU中断,2023/6/24,20,串行中断服务程序,2023/6/24,21,9.4
6、.5 控制算法研究9.4.5.1 被控对象特性,PWM输出放大环节和电机输入输出关系图,2023/6/24,22,9.4.5.2 控制算法,当把PWM值分成0-50，51-255两个区间时，它在这两个区间内分别呈现不同的近似线性关系。于是采用了分段PID控制的控制算法。足球机器人速度控制系统采用增量式数字PID调节器，其数字调节器的输出是控制量的增量u(kT)。设置控制量限U1和U2，当 0u(kT-T)U1 时，u(kT)=Kp1*e(kT)+Ki1*e(kT)+Kd1*e(kT)-e(kT-T)当 U1u(kT-T)U2 时，u(kT)=Kp2*e(kT)+Ki2*e(kT)+Kd2*e(
7、kT)-e(kT-T)式中 e(kT)=e(kT)-e(kT-T)为当前周期的误差变化量 e(kT-T)=e(kT-T)-e(kT-2T)为上一周期的误差变化量 Kp，Ki，Kd，分别为比例，积分，微分参数,2023/6/24,23,9.4.5.3 控制算法的修正,上位机每33.3ms给机器人小车发送一次速度给定命令，小车的速度给定处于频繁的变化状态。为了消除设定值频繁变化冲击，这里采用消除设定值变化冲击PID控制算法。只对输出量y(t)进行微分，而对给定值r(t)不作微分，这种输出量微分控制适用于给定值频繁变化的场所，可以避免给定值频繁改变时所引起的超调量过大振荡。所以上式可修改为u(kT)
8、=Kpi*e(kT)+Kii*e(kT)+Kdi*y(kT)-y(kT-T),2023/6/24,24,9.4.5.4 实验结果,机器人阶跃响应曲线,2023/6/24,25,9.5 机器人通信子系统,采用英国Radiometrix公司生产的无线收发模块（如右图）。它的特点是体积小，通信速率高和性能可靠。它的主要型号有BIM-418-F和BIM-433-F 载波频率分别为418MHz和433MHz。,无线收发模块,2023/6/24,26,9.5.1 无线数字通信系统,通信的分类方法很多，如果按传递信息所使用信道不同可分为有线通信和无线通信。无线通信是依靠电磁波在空间传播来传递信息的。如果按工
9、作所用的频段不同，可分为 长波通信（频率为3-30KHz）中波通信（频率为30-3000KHz）短波通信（频率为3-30MHz）超短波通信（频率为30-300MHz）特短波通信（频率为300-3000MHz）极短波通信（频率为3000-30000MHz）等。如果按基带信号（即调制之前的原信号）的形式不同，可分为模拟信号通信和数字信号通信。信道中传送模拟信号的系统称为模拟通信系统；信道中传送数字信号的系统称为数字通信系统。,2023/6/24,27,编码器：信源编码器（模拟数字，并行串行）信道编码器（设置校验位检错、纠错）调制器：基带信号加入高频载波，载波频率作为区分信号的主要标志信道指通信发送
10、端到接收端的通信通道，如电缆、光纤、高频无线信道等 解调器、解码器是接收端对调制的解调、对编码器的解码设备，以获得发送的基带信号。,2023/6/24,28,信号调制的几种类型,所谓调制就是载波（支载信息的工具）的某参数随基带信号规律而变化的一种过程。通常把基带信号称为调制信号，调制后产生的信号称为已调制信号。如果载波的幅度参数随基带信号规律而变化，我们称这一过程为幅度调制。(ASK-Amplitude Shift Keying)如果载波的频率随基带信号规律而变化，我们称它为频率调制。(FSK-Frequency Shift Keying)如果载波的相位随基带信号的规律而变化，我们称它为相位调
11、制。(PSK-Phase Shift Keying),2023/6/24,29,2023/6/24,30,9.5.2 Radiometrix-BIM模块性能与使用,Radiometrix公司生产的BIM-433-F和BIM-418-F模块特性如下：微型PCB叠层结构；业余无线电波波段；可双向传送；单向传输速率可达到40Kbit/s；室内有效范围为20m，空旷处有效范围为100m；可与CMOS逻辑和TTL逻辑兼容；工作电压范围4.5V-5.5V，工作电流小于15mA。,7,top view,4,RF GND 1,Antenna 2,RF GND 3,5,6,8,0 Volt 9,No pin,1
12、8 0 Volt,16 RX select,15 TX select,14 TXD,13 Audio,12 RXD,11 CD,10 0 Volt,17 Vcc,Radiometrix,无线收发模块引脚,2023/6/24,31,东大牛牛机器人的无线发射与接收,2023/6/24,32,由BIM-F构成的无线收发环节,发射状态发射允许端接为低电平（使能发射功能）接收状态接收允许端接为低电平（使能接收功能）,2023/6/24,33,9.5.3 集控式通信系统的通信协议,足球机器人集控式通信系统采用报文通信协议。报文包括报头,正文和报尾。,协议1表,2023/6/24,34,假定左右轮速已算出，
13、如表所示，试确定行校验位数值,2023/6/24,35,改进编码方式，引入了检错、纠错功能。这种编码对于随机出现的单个错码都能给与有效的校正。,协议2 表,抗干扰性能要优于第一种，但占用了较多的单片机工作时间。,2023/6/24,36,假定左右轮速已算出，如表所示，试确定行列校验位数值,2023/6/24,37,答案应该是：,2023/6/24,38,关于通信协议的试验,为了检验系统的可靠性，进行以下测试系统误码率的试验：使用BIM-418-F模块作为接发模块，发送如下指令500次，利用开发器观察小车正确接收的次数,通讯协议2,通讯协议1,注：接收数据的次数是指数据进入单片机串口的次数，其中包括干扰信号 正确接收的次数是指小车最终接收命令的次数。错误接受的次数是指接收到错误指令的次数。特别指出，在对协议2的试验过程中多次出现单片机程序跑飞现象，经测试运行一次该协议需要2-3ms。,2023/6/24,39,集控式足球机器人通信过程,2023/6/24,40,未完待续,9.6 机器人集中视觉子系统9.7 机器人决策子系统9.8 机器人总控子系统,
