??? 摘 要： Robocup中型組的足球機器人" title="足球機器人">足球機器人控制系統" title="控制系統">控制系統設計。描述了以S3C44BOX為主控芯片，SM5004為驅動芯片的底層運動控制" title="運動控制">運動控制模塊的硬件結構，通過分析四輪全向機器人的運動學模型，使用模糊自適應PID控制算法完成對機器人的閉環控制。實踐證明，以這種控制器作為ROBOCUP中型組機器人的底層運動控制系統" title="運動控制系統">運動控制系統，其速度、位置及控制精度等指標均達到了設計要求。
??? 關鍵詞： Robocup中型組? 運動控制? ARM? 四輪全向機器人? PID
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1 足球機器人簡述
??? 機器人足球是人工智能領域與機器人領域的基礎研究課題，是一個極富挑戰性的高技術密集型項目。機器人足球比賽的設想首先是由加拿大不列顛哥倫比亞大學的教授Alan Mackworth在1992年的論文《On Seeing Robots》中提出的。如今，國際機器人足球聯合會（FIRA）和機器人世界杯賽聯合會（Robocup）已組織了各種形式的機器人足球競賽，有力地促進了這一活動的發展。在競賽足球機器人中主要有以下關鍵技術：圖像采集與處理、路徑規劃、決策、運動控制、多傳感器信息融合、多智能體協作等。
??? 機器人足球由四部分組成：機器人小車系統、視覺系統、通信系統和計算機決策系統。機器人小車作為比賽的具體執行者，其性能優劣直接影響到策略水平的發揮。足球機器人底層控制系統的研究與開發是新型足球機器人小車設計任務中的重要組成部分。小車的性能主要由車體性能與車載嵌入式控制系統——足球機器人底層控制系統決定。當小車車體具有良好的運動性能后，小車的性能就由車載嵌入式系統決定。因此構建一個快速、安全、可靠的實時嵌入式系統是整個系統的關鍵。
2 東風—Ⅱ型機器人
??? 東風—Ⅱ型機器人是由第二炮兵工程學院獨立設計完成的Robocup中型組足球機器人，其視覺子系統采用了基于全景視覺的圖像采集與處理，利用圖像信息、慣性儀表與超聲波傳感器的信息融合為機器人自定位，上位機利用機器人的自定位以及球場上本方、對方和球的位置信息做出路徑規劃，并對下位機發出指令。下位機根據接收到的指令把機器人的速度分解到四個輪子上，并由運動控制芯片完成反饋控制，其結構如圖1所示。
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3 機器人的運動控制系統
??? 本機器人的硬件系統由PC機和32位嵌入式微處理器、4軸運動控制芯片、驅動芯片、存儲芯片以及接口芯片等組成。其中PC機作為上位機，主要完成圖像處理、控制決策等任務；而機器人小車的運動控制主要由嵌入式系統和運動控制卡完成。系統框圖如圖2。
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3.1 SM5004的主要功能
??? SM5004為深圳斯邁迪公司研制的DSP運動控制專用芯片，內嵌強大的軟件插補和監控模塊，能同時控制四個脈沖型伺服電機驅動器或步進電機驅動器，SM5004還有伺服電機反饋輸入（編碼器信號、在位信號和報警信號）、加減速驅動、軟硬件限位、自動原點搜索、同步動作、輸入信號濾波等功能。
??? 在本系統中，SM5004完成的主要功能如下：
??? (1)接收CPU的命令和數據，并進行相應的驅動操作。SM5004根據接收到的命令，輸出相應的脈沖串，控制四個伺服電機并分別進行定速控制。
??? (2)反饋控制。SM5004每個軸都有2個32位位置計數器。一個是邏輯位置計數器，用于計算實際輸出的脈沖數，以此記錄驅動所處的邏輯位置；另一個是實際位置計數器，用于計算從外部編碼器來的脈沖，以此記錄驅動實際位置。每軸還有兩個32位比較寄存器，用于比較邏輯位置計數器和實際位置計數器，并根據差值關系實現軟件限位，從而達到閉環控制。
3.2 ARM微控器S3C44BOX
??? S3C44BOX是由SAMSUNG公司推出的16/32位RISC處理器，是一款高性價比和高性能的微控制器。S3C44BOX使用ARM7TDMI內核，采用0.25μm CMOS工藝制造，它提供了豐富的片上外設，主要包括：8KB Cache和內部SRAM，帶自動握手的2通道UART，4通道DMA，帶PWM功能的5通道定時器和一個內部定時器，I/O端口，通過片內DLL倍頻器可實現最大66MHz的工作頻率。S3C44BOX與SM5004的連接如圖3所示。
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3.3 PWM控制信號輸出模塊
??? SM5004有四路PWM輸出，可同時控制四個伺服電機進行運動，但從芯片輸出的PWM信號不足以直接驅動電機轉動，需要使用驅動器將其轉換為可用的驅動信號。驅動電路中H橋電路選取了允許大電流大電壓的功率場效應管IRF4905和IRF3205，并使功率場效應管完全工作于飽和區，有效防止了因電路發熱而浪費能源，設計中也注意消除了共態導通問題；輸入端采用光電隔離消除電路對控制端的影響。實驗證明，該驅動電路設計完全滿足要求，可應用于中型機器人比賽。驅動電路如圖4所示。
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圖4 驅動電路
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3.4 測速反饋單元
??? 為了提高反饋信號的精度，對光電碼盤輸出的光電脈沖進行四倍頻，將四倍頻后的脈沖信號計數，在轉速較高的時刻可以滿足精度要求，即使在轉速較低、脈沖很少時，四倍頻后的測速脈沖依然可以獲得較高的分辨率。該電路除了四倍頻信號外還具有電機鑒相功能。當周期電機轉速方向改變時，兩個脈沖周期Encoder A與Encoder B的相位發生變化，在第二個觸發器的輸入與輸出端將出現不同的電平，此時同或門會輸出低電平，使CLEAR置零，16位計數器復位，開始新的轉動方向轉速計數。邏輯原理圖如圖5所示。
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圖5 測速反饋單元邏輯原理
4 四輪全向機器人的運動控制
??? 東風—Ⅱ型機器人采用了四輪全向移動的運動方式，具有全向運動能力的系統使機器人可以向任意方向做直線運動，而之前不需要做旋轉運動，并且這種輪系可滿足一邊做直線運動一邊旋轉的要求，達到終狀態所需要的任意姿態角。全向輪系的應用將使足球機器人具有運動快速靈活、控球穩定、進攻性強及易于控制等優點，使機器人在賽場上更具競爭力。
4.1 全向輪
??? 本機器人采用的全向輪在大輪的周圍均勻分布著小輪子，大輪由電機驅動，小輪可自由轉動。這種全方位輪可有效避免普通輪子不能側滑所帶來的非完整性約束，使機器人具有平面運動的全部三個自由度，機動性增強。基于以上分析，選擇使用這種全向輪。
4.2 運動學分析
??? 在建立機器人的運動模型前，先做以下假設：
??? (1)小車是在一個理想的平面上運動，地面的不規則可以忽略。
??? (2)小車是一個剛體，形變可以忽略。
??? (3)輪子和地面之間滿足純滾動的條件，沒有相對滑動。
??? 全方位移動機器人由四個全向輪作為驅動輪，且為間隔90°均勻分布，其簡化運動學模型如圖6所示。其中xw-yw為絕對坐標系；xm-ym為固連在機器人車體上的相對坐標系，其坐標原點與機器人中心重合；θ為xw與xm的夾角；δ為輪子與ym的夾角；L為機器人中心到輪子中心的距離；vi為第i個輪子的沿驅動方向的速度。
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??? 可求出運動學方程如下：
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??? 因為輪子為對稱分布，常數δ為45°，故得到全向移動機器人的運動模型：
??? v=PS
??? 其中
為輪子的速度，
為機器人整體期望速度。
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P為轉換矩陣。
??? 這樣，就可以將機器人整體期望速度，解算為分別到四個輪子的速度，把數據傳送到控制器中，就可完成對機器人的控制。
4.3 控制算法
??? 傳統直流電機調速系統一般采用PID算法，PID控制器設計完成后，參數就固定不變，無法根據實際負載的變化而調整。為了能夠提高系統的動態性能及軌跡精度，本文提出了一種模糊自適應控制算法，從而使速度響應具有超調小、響應速度快、適應性強及受對象參數變化影響小等性能。系統取得了較好的動靜態性能。
??? 模糊自適應PID控制是模糊控制" title="模糊控制">模糊控制與傳統PID控制的結合, 它的設計思想是運用模糊數學的基本理論和方法，把規則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規則以及有關信息(如評價指標、初始PID參數等)作為知識存入知識庫中，然后根據控制系統的實際響應情況，運用模糊推理，即可自動實現對PID參數的最佳調整。這就是模糊自適應PID控制。
??? 自適應模糊PID控制器以誤差e和誤差變化ec作為輸入，找出PID三個參數與e和ec之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測e和ec，根據模糊控制規則對三個參數進行在線修改，以滿足不同e和ec時對控制參數的不同要求。其結構如圖7所示。
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??? 模糊控制設計的核心是總結工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，建立合適的模糊規則表，得到針對kp、ki、kd三個參數分別整定的模糊控制表。根據kp、ki、kd三個參數分別的作用，可制定模糊控制規則。以kp為例，列規則如表1，ki、kd可類似推出。
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??? 其中，將e、ec、kp、ki、kd分別定義了七個模糊子集，{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，子集中元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。設e、ec和kp、ki、kd均服從正態分布，因此可得出各模糊子集的隸屬度。根據各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數模糊控制模型，應用模糊合成推理設計PID參數的模糊矩陣表，查出修正參數代入下式計算：
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??? 在線運行過程中，控制系統通過對模糊邏輯規則的結果處理、查表和運算，完成對PID參數的在線自校正。其工作流程圖如圖8所示。
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??? 機器人運動控制系統是整個Robocup機器人系統的執行機構，在場上的表現直接影響了整個足球機器人系統。機器人小車的性能優劣對整個系統起著舉足輕重的作用。本文基于合理的理論假設，分析了機器人的運動模型，介紹了基于ARM+FPGA控制器的足球機器人運動控制的實現。實驗證明，以這種控制器作為Robocup中型組機器人的底層運動控制系統，速度、位置及控制精度等指標均達到了設計要求。與以DSP為主控芯片的控制系統相比，減低了設計成本。這種機器人運動控制的實現方法對全方位移動機器人有一定的普適性。
參考文獻
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