基于DSP的智能足球机器人的总体设计_图文

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第 2 o卷 第 2 期 
2 0 o 3年 6月 

J o m- ml ‘ _ |Gl 删 广唱 东 d 1 工业 0 n g   Un 大学 l v t a 学 , s t t 报  y‘ _ | Te dn d o g y  

. 2 0   N o. 2   J u n e  2 O 0 3  

基于 D S P的 智 能 足 球 机 器 人 的 总 体 设 计 
张学 习, 杨宜民, 李  莹 
(广 东工 业 大学 自动化 学 院 , 广东 广 州 5 1 0 0 9 0 )   摘要: 提 出 了一 种基 于 D S P控 制器 的智 能 足 球 机 器 人 的设 计 , 采用 D S P芯 片构 造 足 球 机 器 人 后 , 不 

仅 简 化 了系统 的外 围设 备 , 降低 了系统 的 损耗 , 而且 提 高 了系统 的准 确 性 和实 时性 , 获得 了 更好 的控  
制效 果 .  

关键 词 : 智 能 足球 机 器人 ; 数 字 信 号处 理 ; 脉 宽调 制  中图分 类号 : T P 2 4 2 . 6   文 献标 识 码 : A   文章 编号 : 1 0 0 7 . 7 1 6 2 ( 2 ( g F 3 )  ̄ 1 - 0 4  

机器人足球 比赛 ( M i r o S o t ) 系统 主要包 括 四个子 系统 : 可视子 系统 , 通信 子系统 , 决策子 系统 ,   机器人子 系统 . 可视子 系统获得球 场上的足球和每个机器人 的位置信息 , 然后把它传送给决 策子  系统 . 决策子系统用人工智能技术分析场上局势 , 然后产生速度控制命令 . 最后场上 的足球机器人  执行通过通信系统( 即主机 和机器人 间的无线通信 ) 传送过来 的速度控制命令 而按照一定 的速率  和方向运动 . 根据 M i r o S o t 规定 , 用来 比赛 的足球 机器 人 的大小是有 限定 的( 7 . 5   c i n × 7 . 5   c i n × 7 . 5   c m) , 所以选用哪类微控制器 ( M C U ) 很重要 . 目前一般采用 的都是 8 0 C 5 1 或8 0 C 1 9 6 , 虽然这些 微控  制器有芯片价格低 、 容 易使用等优点 , 但 是它们做 C P U时 , 外设较多 , 系统稳定性不高 , 同时需要较  长的采样时间 , 实时性不强 . 相对于 M C U , 数字信 号处理 ( D s P ) 控 制器采样 时间短 , 运行 速度快 , 外  围芯 片使用少 , 功耗低 , 性价 比较高 . 这主要是 因为 D S P芯片结构拥有以下特点 : 1 ) 哈佛结 构 ; 2 ) 流 
水线操作 ; 3 ) 专 用 的硬 件 乘 法 器 ; 4 ) 特殊的 D S P命 令 .  

1   智 能 足 球 机 器 人 的 硬 件 设 计 
1 . 1  T MS 3 2 0 [ E 2 4  ̄ A简 介 [ 1 】  

T M S 3 2 0  ̄ A是美国 r I 1 公 司推出的 T M S 3 2 0 C 2 4 x 系列数字信号处理 ( D s P ) 控制 器的最新产  品, 是T MS 3 2 0 C 2 0 0 0平 台下 的一 款定 点 D S P控 制 器 . C 2 4 x   D S P控 制 器 专 为基 于控 制 的 应 用 而设 计 .  
C 2 4 x 将高性能的 D S P内核 和 丰 富 的微 控 制 器 外 设 功 能 集 于 单 片 之 中 , 从 而成 为传统 的多微处理 

器( M C U ) 和昂贵的多片外设 的理想替代 . 对于 T M S 3 2 0  ̄

A , 片内外设 的程度进一 步提高 , 使 得 

数控马达和 电机 的控制达到 了最优 . 同时 , 它 每秒可执行 4 0万条指令 , 几乎所 有 的指 令都可 以在  Z S n s 内完成 , 使得诸如 自适应 、 卡尔曼滤波 和状态控制等先进的控制算法都能被采用 .  
T M S 3 2 0 I  4 0 7 A芯 片 的 主要 特 点 如 下 :   5 4 4   w o r d s   D A RA M, 2 K   w o r d s   S A RA M,3 2 K   w o r d s   F L A S H   E E P R O M,1 6路 P WM,两 路 Q E P , 1 6   个 1 O 位 A D C通道 , 4 0个 I / O口, C A N总线 , 串行 通信接 口( S C I ) , 串行 外设接 口( s P I ) , 看 门狗定 
收 稿 日期 ; 2 0 0 2 - 0 9 - 0 9  

基金 项 目 : 国家 8 6 3计 划项 目( 5 1 2 —9 9 3 5— 0 8 ) ( 2 0 0 1 A A 4 2 2 2 7 0 ) ; 广东 省重 点科 技 攻关 项 目( 2  
作者 简 介 : 张学习( 1 9 7 8 一) , 男, 在读 研究 生 , 主要研 究 方 向为智 能 机器 人 .  

G)  

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广东 工业 大 学学 报 

第 2 o 卷 

时器 , 芯片加密等 .  
1 . 2 智 能 足 球 机 器 人 的 总 体 机 构 

智 能足球机器人 有两个驱动 轮 , 由作 为硬件 核 心的 T M S 3 2 0 L F 2 4  ̄A产生 的四路 P WM 通过  1 2 9 8 来控制 . 同 时 为 了机 器人 上 电 时 控制 的 准 确性 , 1 . 2 9 8的使 能 端 ( E N A B I E A , E N A B l E B ) 与  T M S 3 2 0 L F 2 A O 7 A的两个 I / O端 口相联 . 驱 动轮 由两个 带有 光 电编码 器 的小 型直 流 电机 来驱 动 ,   在 驱 动 轮 和 电 机 之 间 由齿 轮 连 接 . 因为 T MS 3 2 0 L F 2 A O 7 A本 身 带 有 两 路 Q E P单 元 , 所 以无 需 外 加 
电路 就 可 以很 方 便 的测 出 电 机 的转 速 和 方 向 .  

为了更 好 的控制效果 , 除了检测 电机 的转 速 , 还不 断检测 电机 的电枢 电流 . 通过 M A X 4 7 1 传  送到 T MS 3 2 0 L F 2 A O 7 A的 A / D端 口1 . 2 J .   另外 , 每一个机器人 自身都要有一 个直流 电源 , 用来 给两个 电机和集成 电路供 电 .   图l 显示 了足球机器人 的基本 结构 . 其 中串行通 信接 口( s C I ) 与通信 接 收模块 相连 获 得上  位机发送过来 的信息 .  

图 1   足球 机器 人 的硬件 结构 

2 智 能 足球 机器 人 的软 件 设计 
2 . 1 智 能足 球 机 器 人 的 左 、 右 轮 的 控 制 

1 ) 直 流 电机 的特 性  

对于机器人来 说 , 关键 的问题是如何 控制左 、 右轮的转速 . 直流 电机 的电压公式 为 
肌   + e,  

反 电动 势 为 
e= K × N ,  

所 以稳 态 速 度 方 程 为 
Ⅳ =  ,  

其 中  是 电枢 电压 ,   是电枢 电阻 ,   是 电机 电感 , N是 速度 ,   是反 电动 势 常量 , e 是 反 电动 
势.  

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张学 习 , 等: 基于 D S P的智 能足 球机 器 人 的总 体设 计 

3  

从上式可 以看 出, 电机速度根据 电枢电压 的变化 而变 化 , 所 以 电机 速 度 的 控 制 相 当 于 电枢   电 压 的控 制 . 而 电压 的 控 制 由 P WM 完 成 . 对于 T MS 3 2 0 L F 2 4 O T A, P WM 的 频 率 是 4 0   k Hz .  

2 ) 算法 的实 现  为 了使 电 机 获 得 更 好 的 动 态 和静 态 特 性 , 采用 了 电流环 和速 度环 双重控 制 . 控 制 算 法 采 用  了离 散 P I D算 法  3.   连续 P I D控 制 器 的理 想 P I D算 法 为 :  
( t ) =K p ×e ( t )+Ki +Kd +  ( O ) .   ( 1 )  

其中 e ( t ) 表示偏 差 ( 反馈 值与设定值之 差 ) ,  ( t ) 表示输 出 , 由 比例 部 分 、 积 分 部 分 和微 分 部 分   组成.  ( O ) 表示 初值 .   当用 差分 反 演 法 对 式 ( 1 ) 进行离散 化时 , 数字 P I D 算 法 的形 式 可 写 为 

( k ) :K   [ e ( k ) +(  /   i ) +( T d / r ) ( e ( k ) 一e ( k —1 ) ) ] +  ( O ) .  

( 2 )  

式 中  是采样周 期 , T i =K p / K i 是 积分 时间常数 , T a =K a / K   是微分 时 间常数 . e ( k ) 是第 k 个 
采 样 周 期 的偏 差 值 ,  (  ) 是 第 个 采 样 周 期 的 输 出值 ,  ( O ) 是初 值 . 图 2显 示 了 电机 控 制 框 图 .  

圈 2   电 机 控 镧 框 图 

2 . 2 主 机 与 机 器 人 间 的 通 信 

根据 M i r o S o t 比赛 规则 , 上 位机和足球 机器 人 间 的通信 是无 线通 信 . 在 机器 人 足球 系统 中 ,  
发 送 装 置 是 与 主机 相 连 的 , 而 与 它 相 对 应 的 接 收 装 置 则 在 足 球 机 器 人 内 部 的 主板 上 . 发 送 装 置 

和接收 装 置 之 间 通 过 两 根 天 线 实 现 无 线 通 信 . 然后, 接 收 装 置 把 接 收 到 的 信 息 传 送 给  T M S 3 2 0 L F 2 4 O T A的 S C I , 实现上 位机和机器人 间的信息传送 .   T M S 3 2 0 L F 2 4 O T A的 S C I 是异步 串行通信 模块接 口, S C I 的接 收和发 送都 是双缓 冲 的 . 同时一  个标 准 的 R S一2 3 2 C通 讯 协 议 使 用 在 T MS 3 2 0 L F 2 4 O T A 和 主机 间 .   根据 M i r o S o t 规则 , 比赛 双方 各 由三个 “ 队 
员” —— 足球机器人组 成 . 图 3显 示 了 主 机 和 3  
每 一帧数 据 
r — —— — — -— - - — —— — — — —— — — — —- - — ? —— 一  

个 足球机 器人间 的通信 格 式 . 因为 这三个 足球  机 器 人 由 同一 个 主 机 控 制 , 而 每 一 个 机 器 人 的 
运动又 由左 、 右 轮 的运 动方 向和 速度 决 定 . 所  以 由主 机 通 过 发 送 装 置 发 送 出 来 的 每 一 帧 数  

l z l X i Y i Z 2 " X 2 r 2 Z 3 X 3   y 3 l  
zi : 足球 机器 人 i ( i =l , 2 , 3 )   五: 足球 机器 人 i ( i =l , 2 , 3 ) 的左 轮速 度  : 足 球机 器人 i ( i =l , 2 , 3 ) 的右轮 速度  速 度位 
r —’ ’’ ’。 。。 。 ‘。 ‘— —— ‘— —— — ’’ ’  。。 ’一  

据 由九个 字节组 成 . Z i ( i =1 , 2 , 3 ) 代 表三 机 器  人, 五( i =1 , 2 , 3 ) 的数 值 表 示 第 i 个 机 器人左  轮速度 ,  ( i =1 , 2 , 3 ) 的数 值 表 示 第 i 个 机 器  人右轮速 度 . 在 表示 速 度 的那 个 字 节 中 , 最 高 
位  7 表 示 轮 子 运 动 的方 向 ,   一   表 示 轮 子 
的速度 .  

l   风  B 4 B 3 B 2 B I  I  
: 运 动方 向  风一马 : 运动 速度 

圈 3 足球 机 器人 系统 的通 信 协议 

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第2 o卷 

2 . 3 程 序 的 编 写 

T MS 3 2 0 I F2 4 ( r / A 的开 发语 言 可 以是 c语 言 r  , 汇 编语 言 或 者它 们 的 混 合 体 . 相 对来说 , 汇 编 

语 言的效率更高 , 调试也相对 容易 . 但 是汇编语言 的可移植性较差 , 同时要 求使用者对 D S P 芯 片  的结构 、 原理有 较深 的理解 . 随着各个 D S P芯 片公 司( 尤其是 1 f I ) 推 出 的高级语 言 ( 主要 是 c语  言) 编译器 , D S P芯片 的软 件可 以直接 用高 级语 言编 写 而成 , 使得 D S P芯 片 的开 发速 度 大大 提  高, 程 序的修改 和移植也 变得 十分 方便 . 本 程序 作 者 以汇编 语 言L 5 J 作 为 开发语 言 . 程序 主 要包  括: 寄 存 器 的初 始 化 模 块 , 主程序模块 , S C I 中 断服 务模 块 , 定 时 器 中断 服 务模 块 l 6 j .  

3 试 验 与 结 果 分 析 
分别用普通 单片机 和 D S P控 制 直 流 电 机 并 做 阶 跃 响 应 试 验 , 可 得结 果如 表 1 所示 . 从 表 中 

可见 , 基于单片机 的直流 电机控制 明显不如基于 D S P的直流 电机 控制效果好 .  
表 1   阶 跃 响应下 的 瞢通 单 片机 和 D S P的 技术 指标 对 比 

( 1 ) 基 于单 片机 的控 制 加 速 时 间大 于基 于 D S P的控 制 . 采 用 单 片 机控 制 时 , 直流 电机 在  0 . 1 2   S 才 达到最大值 , 而采用 D S P只 需 0 . 0 7   S , 几 乎 是 前 者 的一 半 .   ( 2 ) 采用 D S P芯片 的超调 量明显小于采用单 片机 的超调量 .   ( 3 ) 采用 D S P芯 片从 暂 态进 入 稳 态 的过 渡 时 间 为 0 . 1 6   s ,采 用 单 片 机 时 为 0. 2 8   s .   ( 4 ) 采用 D S P 芯 片控 制稳态效果 ( 抗干扰能力 ) 优 于采用单 片机 .  

4 结 论 
通 过上 述分析可见 , 采用 D S P 芯 片构造足球机器人 , 不仅 简化 了系统外 围结 构 , 降低 了系统  损耗 , 而且提高 了系统响应 的实 时性 和准确性 , 为在此 基础 上施加 多智 能体 协调算 法 奠定 了坚  实 的基 础 .  
参考文献 :  
[ 1 ] 刘 和平 , 严利平 , 张学锋 , 等. T M S 3 2 0  ̄
2 0 O 2.  

D S P结 构 、 原理及 应用 [ M] . 北京 : 北 京 航 空 航 天 大 学 出版 社 。  
D  [ J ] . J o u ma l   0 f H a r b i nI n s t i t u t e   0 f  

[ 2 ] H uQ删f , g ,C h e tX r i n ,C a oWe i —h u a ,e t   8 1 .n 笛i  0 f   v i s i o n —b a s e dI D b 0 t 咄
T e c h n o l o g y(N e w   S e r i e s), 2 0 0 1 , ( 3 ) : 2 4 1 .  

[ 3 ] 李奇 . 一种 基 于 多步预 测 的神 经 网络 智能 P I D控 制算 法 [ J ] . 东 南 大学学 报 , 1 9 9 7 , 2 7(5 B) : 8 6 .   [ 4 ] 张雄 伟 , 曹铁 勇 .D S P芯 片的原 理 与开 发应 用 [ M] .北 京 : 电 子工业 出版 社 , 2 0 0 O .   [ 5 ] 章云, 谢莉 萍 , 熊红艳 . D S P 控 制 器 及其应 用 [ M] . 北京 : 机 械工 业 出版 社 , 2 0 0 1 .   ( 下转第 2 5页 )  

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李才芳 , 等: 基于 U G H的 复杂 陶瓷 洁 具 产品 C AD系统 建模 

Mo d e l i n g   o f   t h e   CAD  S y s t e m  f o r   Co mp l i c a t e d   Ce r a mi c   S a n i t a r y   P r o d u c t s   Ba s e d   O n   UGH 
L I   C a i — f a n g ,X I A O   xi a o - 血l g , S U N   Y o u — s o n g ,Z HA N G   2 l a e g- n r o g ,L n I A O   Y i — j u a n  
( F a c u l t y   0 f M a t e r i a l   a n d   F ,  ̄g y ,G I 删  U n i v e r s i y  t 0 f T e c h n o l o g y , G | m n 乎l l 啊 l   5 1 0 6 4 3 ,C h i n a )  

Ah 6 t l g a  ̄_ .B a s e d   o n   U G/ OP EN  AP I   a n d   d e v e l o p e d   u n d e r   Vi s u a l   C+ +。t h e   C AD  s y s t e m  i s   d e s i g n e d   f o r  
r a p i d   i n t e l l i g e n t   p a r a me t e r i z e d   mo d e l i n g   o f   c o mp l i c a t e d   c e r a mi c   s a n i t a r y   p r o d u c t s . UML  nd a   Ra t i o n a l  

R o s e , a s   t o o l s   f o r   o b j ct e —o r i e n t e d   s st y e m   a n a l si y s   nd a   mo d e l i n g ,a r e   u s e d   t o   a n a l y z e   t h e   u s e   c a s e   m o d e l ,  
p r o d u c t   c l a s s i i f c a t i o n   nd a   u s e   c a s e   l f o ws   o f   he t   C A D  s y s t e m .Ac c o r d i n g   t o   he t   s st y e m  a n a l si y s ,t he   C AD 
s st y e m  i n t e r f a c e s   a r e   d si e g n d  t e h   UI S t yl e r   nd a   Me n u Sc ipt r .  

Ke y   w o r d s . _ er c a mi c   s a n i t a r y   p r o d u c t ;U G; V C;U ML ;R a t i o n a l   R o s e ;o b i ct e — - o i r e n t d  e a n a l si y s  

( 上接 第 4页)  

De s i g n   o f   I n e mg t e n t   S o c c e r   Ro b o t   wi t h   DS P 
Z HA NG  Xu e - x i , YA NG  Yi — ai r n, L I   Yi n g  

(F a c u l y t   0 f   A u t o ma t i o n , G u a n g d ng o   U iv n e r s i y  t 0 f T ch e n o l o g y ,G | m n g d 硼l   5 1 0 0 9 0 , C h i n a)  
Ab s t r a c t :B a s e d   o n   T MS 3 0 L F 2 4 0 7, a   n e w  d si e n  g o f   i n t e l l i g e n t   8 o c c e r   r o b o t   s i   p r " , = ' , e n t d .T e h e   DS P   u s e d   f e a t u r e s   n  i f w e e r   e x t e r n a l   c o mp o n e n s  t nd a   l o we r   s st y m   e c o s t ,a nd   i mp r o v s  e v e r a c i t y   nd a   r e a l   t i me   o f   DC  
mo t o r .Be t t e r   on c t r o l   e fe c t   i s   a c h i e v d . e  

e y K   wO 玎   :i nt e l l i g e n t   8 o e c e r   r o b o t ;DS P;PWl V l  


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