TMS320F2812在足球機器人上的應用

摘要：介紹了RoboCup小型組足球機器人的結構及其底層控制系統(tǒng)的性能要求，詳細闡述了TMS320F2812作為主控芯片在足球機器人底層控制中的地位及其在通訊、電機控制、帶球和擊挑球控制等方面的具體應用。 關鍵詞：TMS320F2812 足球機器人 控制系統(tǒng) 機器人研究是近年來國際上一個極為活躍的研究方面，涉及了模式識別、人工智能等眾多學科。RoboCup小型組（也稱F180組）足球機器人對抗賽是國際上近些年興起的機器人足球比賽項目，國內高校參加該項目比賽僅有兩三年的歷史。該項比賽涉及到機械設計、理論力學、嵌入式系統(tǒng)與傳感器、無線通訊、控制理論、模式識別、人工智能等多種學科和技術的交叉與融合，具有較大的難度和挑戰(zhàn)性。 機器人足球競賽本質上是決策和車體性能的競賽。由于小型組機器人足球比賽涉及到實際機器人的設計和控制，所以車體性能在其中占據(jù)著尤為重要的地位。而其底層控制的好壞又決定著車體機械性能是否能夠得到充分發(fā)揮。顯而易見，作為底層控制“大腦”的主控芯片在其中起著至關重要的作用。近年來，隨著比賽對機器人各項性能指標要求的逐年提高以及機器人結構復雜性的逐步增加，主控芯片的負擔越來越重，大多數(shù)機器人足球隊伍都在不斷地提高主控芯片的檔次以適應越來越激烈的國際競爭。本文將把TMS320F2812芯片具體應用到足球機器人上。圖11 芯片介紹 TMS320F2812是TI公司2003年正式推出的32位定點DSP，是目前用于工業(yè)控制和機器人控制等領域中的最當檔的DSP之一。該芯片性能優(yōu)越，比起TMS320LF2407A來講，各項性能指標都有了顯著的提高；該芯片資源非常豐富，可大大簡化外圍電路設計。其主要資源和性能性標如下： （1）高主頻，即150MHz的主頻。 （2）低功耗，1.8V和3.3V供電。 （3）128K內部FLASH，18K內部SARAM，可外擴1M存儲器。存儲器是統(tǒng)一編址的，其尋址空間達4M。 （4）中斷資源豐富，可支持45個外設級中斷和3個外部中斷。提取中斷向量和保存現(xiàn)場只需9個時鐘周期，響應迅速。 （5）擁有雙事件管理器EVA和EVB，控制更加靈活。圖2（6）擁有兩個SCI口和一個SPI口，增加了數(shù)據(jù)緩存功能；傳輸頻率可達MHz量級。此外串行通訊模塊還包括增強的eCAN總線和新增的McBSP，能足夠多種通訊的需要。 （7）16個通道的12位A/D接口可靈活設置采樣方式。 （8）可使用多達56個可編程且可復用的I/O口。 （9）擁有三個系統(tǒng)級定時器和兩個屬于事件管理器的定時器。 2 TMS320F2812在小型足球機器人上的使用 2．1 車體控制電路的性能要求 基于前兩層機器人足球隊的經驗和當今國際強隊的現(xiàn)狀，新一代機器人在結構上進行了很大改進，主要表現(xiàn)在以下幾點：四個單排萬向輪、擊球機構、挑球機構以及帶球機構。機器人主體結構如圖1所示。圖3以上改進使得新車體在結構上有了速度快、可控性好和功能全等特點。為了充分發(fā)押車體的性能，同時達到高速運動時較高的控制精度，對車體的控制電路，尤其是對在底層控制中起“大腦”作用的主控芯片提出了相應的要求，主要有以下幾點： （1）保證了與上位機通訊的可靠性和及時性。 （2）擊球和挑球的可控性。使用升壓電路增加擊挑球的力度；為了達到傳球和控制挑球落點的效果，要求對放電時間可控，初步預計應精確到0.1ms。 （3）帶球電機的可控性。借以增加帶球的穩(wěn)定性，適應不同的實際情況。 （4）保證車體高速運動下的可控性，這一點是最重要的。由于采用了新的機械和動力結構，車體最高實際速度超過3m/s，有可能出現(xiàn)打滑情況，所以上層控制大約為每120ms進行一次校正。為了保證精度，必須在底層對車體進行實時校正，所以在硬件上使用碼盤和加速度傳感器作為反饋元件，在軟件上使用神經網絡確定系統(tǒng)參數(shù)，這樣對主控芯片的運算能力就提出了較高的要求。 （5）提供必要的自檢手段和狀態(tài)標志以及必要的設計余量。綜合以上考慮，充分利用已有經驗和現(xiàn)有代碼的可移植性，最終決定使用TI公司正式推出的TMS320F2812作為主控芯片。 2．2 TMS320F2812在底層控制中的應用 作為主控芯片，TMS320F2812在整個控制系統(tǒng)中占據(jù)著核心的地位，它與其它部分電路的關系如圖2所示。 2．2．1 通訊 為了滿足高速通信和可靠性要求，無線通訊模塊采用準藍牙無線通訊模塊nRF2401，并為通訊模塊單獨配上一個TMS320LF2407處理器。 通過設置SCICTL2將TMS320F2812的SCI通訊設置為中斷方式，并通過設置SCIRXBUF和SCITXBUF，開啟TMS320F2812的SCI數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。TMS320F2812中SCI所帶的16字節(jié)FIFO能有效地減少中斷次數(shù)，提高通訊速度和接收與發(fā)送數(shù)據(jù)的可靠性，不會象以前那樣在數(shù)據(jù)量較大的情況下輕易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。有效地保證了與上位機通訊的可靠性。 在實際測試當中發(fā)現(xiàn)，由于通訊硬件的緣故，通訊存在死區(qū)的現(xiàn)象仍然不能完全解決。但考慮到上位機決策程序為每20ms發(fā)送一次新命令，通過對命令間隔的計時，底層程序就能檢測出是否存在通訊異常。如果存在，則底層決策系統(tǒng)代替上層決策系統(tǒng)發(fā)送隨機游走及轉動命令，使機器人的達能正常通訊的區(qū)域。2．2．2 擊球機構和挑球機構的控制 將加在擊球機構和挑球機構的電壓升到90V，可保證擊挑球的力度，實測擊出球的初速度達4m/s以上，而挑球距離則達2m以上。 擊挑球控制電路原理圖如圖3所示?？刂茡羟蚝吞羟蚍烹姇r間可以調節(jié)擊球和挑球力度，使之能完成不同距離的傳球、擊球和可控落點的挑球。為此，采用一個定時器控制放電時間，這樣可以輕松地將放電時間精度控制在0.1ms以內，且每次擊球和挑球都有較好的重復性。 為了防止同時使用擊球機構和挑球機構造成機械損壞，在底層軟件程序使用一個互斥信號量的同時還增加了一個互鎖電路，并在底層控制程序中對放電頻率進行限制，以保證電路和機構。 需要指出的是，擊球機構和挑球機構的使用還應受到球檢測情況的限制。如果球沒有緊挨著機器人，那么擊球和挑球動作就沒法達到應有的效果，甚至只是無謂地出擊，白白損失進攻機會。因此，僅當確定緊挨著機器人時才允許打開放電電路，否則需等待機會。 2．2．3 帶球電機的控制 根據(jù)試驗結果，要在不同情況達到最好的帶球效果，并不需要對帶球電機進行精確控制，所以帶球電機沒有帶碼盤且只允許向一個方向旋轉。 為了實時監(jiān)測是否帶穩(wěn)球，設計了一個紅外檢測電路，如圖4所示。該電路的輸出僅需一個I/O口就能完成檢測。底層控制系統(tǒng)對其進行定時檢測，并經過軟件濾波就可以確定球是否被機器人帶住。2．2．4 驅動電機的控制 新型的單排萬向輪相對于雙排萬向輪來說減少了體積，并提供了較好的可控性和較大的摩擦力。但在實際試驗中發(fā)現(xiàn)，在高加速度情況下輪子依然會出現(xiàn)比較嚴重的打滑現(xiàn)象。另外，四輪設計雖然增加了動力性能，但同時也存在著四輪著地不均勻、受力不平衡的現(xiàn)象。如此，碼盤已不足以提供足夠的反饋信息，控制的復雜度也因此而大大增加了，傳統(tǒng)的PID已不足以解決所面臨的問題，僅僅依靠上層的視覺反饋則延時過大，無法達到所要求的高速運動下的控制精度。為此，增加了一個二維加速度傳感器，用DSP的捕獲功能采集加速度傳感器反饋信息，并經過適當?shù)能浖V波將當前加速度反饋給控制主程序，用以改善底層的運動控制。再加上上層的視覺反饋和決策層的整體PID調整，雙閉環(huán)的PID控制使車體在高速運動情況下的控制精度有了很大提高。運動控制框圖如圖5所示。 由于帶球機構和四個輪子都是由電機通過減速箱直接驅動的，因此很容易出現(xiàn)因堵轉而燒毀電機的情況。為了保護電機，除了在機械上盡可能做好保護以外，在底層決策上也對此作了監(jiān)測。當發(fā)現(xiàn)電機轉速和期望值相差過大，且在一段時間（如300ms）后仍然沒有任何改變，則認為該電機正處于諸轉狀態(tài)并關閉一段時間以保護電機。 2．2．5 自檢手段和設計余量考慮 為了在盡可能短的時間里掌握車體狀況，增加一個四段撥碼開關和一個七段LED，通過不同撥碼組合可以運行不同的自檢程序，并實時地將結果通過七段LED顯示出來。 雖然在底層控制中采用TMS320LF2407A并使用傳統(tǒng)的PID控制也基本夠用，但根據(jù)車體力學特性所建立起來的控制模型和實際情況并不完全相符，基于此模型所作的控制也因此并沒有完全達到初始設想的控制精度，選用此芯片的足球機器人與國際強隊相比也還有一定的差距。為此，在底層控制上嘗試使用神經網絡等控制方法，這樣必須留有足夠的計算能力余量。TMS320F2812高達150MHz的主頻可以比較好地滿足對計算能力的要求。 為了存儲每次神經網絡試驗所得到的參數(shù)，使用TMS320F2812的SPI口，并外擴一個串行FLASH，如圖6所示。 同時，為了改善控制中對角速度反饋不足的情況，還預留了角速度傳感器的電路接口，為進一步提高控制精度作準備。圖72．3 總程序流程 基于TMS320F2812的底層控制程序基本上是在定時中斷下完成的，圖7中給出了定時中斷流程的基本框圖。 由圖可看出主程序分支頗多，為保證精度，要求濾波和控制計算頻繁，選用TMS320F2812就是為了保證控制的實時性。實測表明，在TMS320F2812中的實際程序約1.6ms一個循環(huán)，符合預期目標，且為更為精確和復雜的控制預留了相應的性能余量。 本文介紹了TMS320F2812在新一代足球機器人上的應用，涉及了通訊、擊政治協(xié)商會議和挑球控制、傳感器的使用和濾波以及多達五個電機的驅動和控制。充分用到了TMS320F2812片上的豐富資源。 從以上的應用可以看到，TMS320F2812延續(xù)了TI公司2000系列DSP在電機控制領域的優(yōu)勢，并進一步擴充了各種片上資源，使之應用領域更為廣闊。主頻也有充了各種片上資源，使之應用領域更為廣闊。主頻也有數(shù)倍的提高，彌補了之前使用的TMS320LF2407A在計算能力上的不足，使其能夠滿足更為復雜的實時性要求和更為復雜的控制要求，必將在測控領域有著廣闊的應用前景。