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1 引 言 足球机器人是一个典型的智能机器人系统,其低层控制系统的基本任务是:接收决策子系统通过无线通信子系统发射装置传来的运动控制指令,然后根据接收到的运动指令控制小车左、右轮以实现规划的运动。机器人足球赛的胜负除了取决于决策子系统水平的高低外,在很大程度上决定于硬件系统机器人性能的好坏。机器人的性能主要由低层控制系统决定,研究与开发集成度好、可靠性和控制精度高的控制系统具有重要的意义。 本文介绍由lpc2132微控制器、lm629运动控制芯片、l298恒压恒流桥式驱动芯片、bim-433(418)-f无线收发模块等器件构成的足球机器人低层控制系统,简化系统软硬件设计,提高系统可靠性,在硬件设计上还考虑了机器人硬件平台的改进与升级问题(如加装避障传感器)。下面分述其构成的硬件及其特性。 2 硬 件 2.1 自动控制系统结构 足球机器人低层控制系统主要包括:微控制单元、运动控制器单元、电机驱动单元、速度检测单元、id编码单元、无线接收单元、电源单元等。2.2 微控制器 微控制器选用菲利浦公司生产的lpc2132芯片,他是内置flash存储器
处理器,嵌入128kb高速flash存储器。采用3级流水线技术,取指、译码和执行同时进行,能够并行处理指令,提高cpu运行速度。由于具有非常小的尺寸和极低的功耗,非常适用于那些将小型化作为主要要求的应用。多个32位定时器、pwm输出和32个gpio使它特别适用于工业控制和小型机器人系统。本文就是以lpc2106为核心,设计结构简单、性能稳定的足球机器人车体系统。 2.3 车体系统设计采用输出轴配有光电编码器的小型直流电机作为驱动电路。lpc2106产生的pwm波经专门的集成电路双h桥驱动器l298放大,驱动左右轮电机。编码器输出两路具有90度相位差的脉冲,经正交脉冲解码,为cpu提供反馈的计数值和转动方向。lpc2106透过无线接收模块接收主机命令,并融合外传感器电路反馈的环境变量进行电机的pid闭环控制。cpu保留jtag在线调试接口,方便程序的编写、下载和升级。系统硬件组成原理图如图3所示。(1)电机与驱动电路微型直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能和非常高的效率广泛的应用于小功率系统中。为了控制直流电动机,采用定频脉宽调制(pwm)控制。这里,由于lpc2106本身就带有6个
时中断方式来控制电动机变速时,实际上是不断改变定时器装载值的大小。在控制过程中,采用离散办法来逼近理想的升降速曲线。为了减少每步计算装载值的时间,系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的rom中,系统在运行中用查表法查出所需的装载值,这样可大幅度减少占用cpu的时间,提高系统的响应速度。流程图如图4所示:fig4 acceleration and deceleration control flow chart2.2 步进电机驱动电路 步进电机驱动电路是应用的专用芯片l297、l298组合而成。l297单片步进电机控制集成电路适用于双极性两相步进电机或四相单极性步进电机的控制,与h桥式驱动芯片l298组合,组成完整的步进电机固定斩波频率的pwm恒流斩波驱动器。 l297步进电机控制集成电路产生四相驱动信号,用以控制双极性两相步进电机或四相单极性步进电机,可以采用半步、两相励磁和单相励磁三种方式的切换。使用l297的突出的特点是外部只需时钟、方向和工作方式三个输入信号,同时l297自动产生电机励磁相序减轻了微处理器控制和编程负担。l297具有dip20和so20两种
30°。将3个红外传感器分别接至i/ope接口的i/ope4、i/ope5和i/ope6。由于光电开关正常状态时信号高电平为5 v,而dsp标准高电平为3.3 v,所以应在光电开关与dsp之间串联分压电阻。电源采用12 v蓄电池供电。dsp是以+3.3 v电压供电,因此必须将+12 v标准电压转换成+3.3 v。该系统采用lm7805与max604作为电源转换器。12 v电源首先经lm7805调压到5 v,先将5 v电压送入红外传感器,再送入max604降压为3.3 v,如图2所示。 采用l298驱动电机,0utl,0ut2分别与小车的一个电机的正负极相连;out3,out4分别与小车的另一个电机的正负极相连;l298的inl和in2引脚分别与dsp的iope0(方向4)、iope1(方向3)引脚连接,用于接收主控器件输出的转向电机的动作指令,并通过0utl和out2控制左电机的正转与反转,l298的in3,in4引脚分别与dsp的iope2(方向2)、iope3(方向1)引脚连接,用于接收主控器件输出的驱动电机的动作指令,并通过0u113,out4控制前方右电机的正转与反转,而ena和
反馈和闭环pid控制,从而实现小车精确的速度和位置控制。 2 自动避障小车的硬件设计 该系统以dsp tms320lf2407a为核心,该dsp片内资源丰富,12路脉宽调制(pwm)输出。视觉模块采用e3fds3-0p1型红外传感器,有效探测距离为30 cm,探测角度30°。将3个红外传感器分别接至i/ope接口的i/ope4、i/ope5和i/ope6。12 v电源首先经lm7805调压到5 v,先将5 v电压送入红外传感器,再送入max604降压为3.3 v,如图2所示。 采用l298驱动电机,0utl,0ut2分别与小车的一个电机的正负极相连;out3,out4分别与小车的另一个电机的正负极相连;l298的inl和in2引脚分别与dsp的iope0(方向4)、iope1(方向3)引脚连接,用于接收主控器件输出的转向电机的动作指令,用于接收主控器件输出的驱动电机的动作指令,而ena和enb引脚分别连接到dsp的iope0(pwm3)、iopel(pwm4)引脚,用于控制电机的速度。 其电路原理图如图3所示。 l298分别控制并调整前面2个电机的旋转方向,控制小车的前
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