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基于DSP的微型足球机器人高速运动控制器设计
来源:互联网 qikanw | 卢帆兴
【分  类】 信息科技
【关 键 词】 足球机器人;运动控制;DSP+FPGA
【来  源】 互联网
【收  录】 中文学术期刊网
正文:

  【摘要】 如何有效实现足球机器人的高速度、高精度运动控制是足球机器人赛事系统设计的一个难题,把DSP与MCU的各自优势结合将是高性能数控系统的发展趋势。本设计采用高性能浮点DSP作为主控芯片,通过ISA接口与MCU协调并进行数据 交换,通过数据插补PID伺服运动控制,实现了对轮式足球机器人运动的理想控制要求。

  【关键词】 足球机器人;运动控制;DSP+FPGA

  中图分类号:TP242 文献标识码:A

  Abstract: How realizes the soccer robot high velocity, the high accuracy movement control is effectively a soccer robot sports event system design difficult problem, DSP and the MCU respective superiority union will be the high performance numerical control system trend of development.This design uses high performance floating point DSP to take the master control chip, coordinates and carries on the data exchange through the ISA connection and MCU, through the data interpolation PID servo movement control, has realized to the wheeled soccer robot movement ideal control request.

  Key words: soccer robot;movement control;DSP+FPGA

  1 基于视觉系统的微型足球机器人系统介绍

  根据国际机器人足球联合会(FIRA)比赛规则,微型机器人足球赛(MIROSOT)比赛双方各由1~5台足球机器人组成参赛队,在150cm×130cm球场上展开比赛,目的是将足球(高尔夫球)撞入对方球门,最后以攻入对方球门次数多的队为胜方。图1.1为机器人足球赛场的全景图。该系统由轮式机器人子系统、视觉子系统、决策子系统和通信子系统四个子系统组成,各个系统之间的相互关联如图1.2所示,可见轮式机器人运动控制子系统在整个赛事系统中的关键作用[1][2]。

  图1.1机器人足球赛场的全景图图1.2足球机器人系统构成图

  2高速高精运动控制器的硬件构成

  传统的微型足球机器人运动控制器大部分采用8位单片机作为核心部件,虽然节省了开发周期,但缺乏灵活性,难胜任高速高精运作环境,且运算能力有限。DSP的数据运算处理功能强大,即使在很复杂的控制中,采样周期可以取得很小,控制效果更接近于连续系统。本运动控制器采用TI公司高性能浮点DSP作为主控芯片[3],通过ISA接口与16位MCU协调并进行数据交换,以DSP高速运动控制器作为细插补、伺服控制的核心,对直流步进电机的运动进行控制。系统设计采用DSP+FPGA形式,由DSP主控芯片作为中央处理模块,FPGA作为反馈计数模块且负责板上的部分逻辑译码,MCU通信接口模块采用双口RAM,输出模块用D/A转换器实现,如图2.1所示。

  图2.1DSP+FPGA的系统框图

  2.1 DSP+FPGA模块

  TMS320C3X系列芯片具有丰富的指令集、很高的运算速度、较大的寻址空间和较高的性价比。TMS320C32是TMS320系列浮点数字信号处理器的新产品,在结构上的改进主要包括可变宽度的存储器接口、更快速的指令周期时间、可设置优先级的双通道DMA处理器、灵活的引导程序装入方式、可重新定位的中断向量表以及可选的边缘/电平触发中断方式等。FPGA部分主要功能为一个4通道的针对光栅尺的脉冲计数器,此外,还承担部分地址译码的工作。但由于脉冲计数频率高,计数量大,所以必须选择高容量、高性能的可编程逻辑器件,因此选用了ALTERA FLEX(10K)系列FPGA。该FPGA主要由输入输出单元IOE、掩埋阵列EAB、逻辑阵列LAB及内部连线组成。EAB是在输入和输出端口加有寄存器的RAM块,其容量可灵活变化。所以,EAB不仅可以用于存储器,还可以事先写入查表值来用它构成如乘法器、纠错逻辑等电路。

  2.2 MCU通信接口与存储模块

  通信模块选用16位的ISA总线与MCU相连,CY7C133双口RAM用作数据缓冲。ISA总线的使用十分灵活方便,而且I/O操作比较简单。在本系统中,双口RAM的 MCU端地址线并没有直接采用ISA过来的地址线,而是由FPGA内部地址计数器给定。具体做法是:ISA地址线的A2~A9接到地址比较器74LS688,与设定好的地址作比较,74LS688的片选信号由ISA的IOR和IOW的“与”提供,A0,A1接到FPGA,用于选择FPGA内部4个功能不同的寄存器。ISA的ALE用于触发FPGA 内部逻辑功能,锁存ISA总线过来的信号,如图2.2所示。当访问地址清零寄存器时,地址计数值清零;当访问地址增加寄存器时,地址计数值增加“1”。如此类推,访问不同的寄存器就对地址计数值完成不同的操作,把地址计数值直接作为地址送给双口RAM,就可以实现ISA总线访问双口RAM了。存储模块用于存储系统程序和数据,主要由SRAM(2片CY7C1021)和FLASH(AM29F40 0B)组成。外围存储电路如图2.3所示。

  图2.2 与单片机接口的示意图 图2.3 外部存储电路

  3高速高精运动控制器软件设计[4]

  控制器对接收到的数据再做细插补,采用三次B样条插值,然后发送给DA,驱动电机运动。DSP通过FPGA进行脉冲计数,读出直线电机光栅尺的反馈信息,然后采用离散PID控制算法调整,以便于电机运动控制的最优化。运动控制算法的核心是先用B样条插值法把目标点进一步细化,使运动曲线更平滑,然后在运动过程中采用PID算法进行调整,最终达到高速高精的设计要求,图3.1给出了系统软件流程图。

  图3.1 系统软件流程图

本系统采用三次B样条曲线作为精插补算法,该算法应用在控制器中可以得到比较满意的效果。计算过程中只需要相邻4个点的位置数据,,就可以构造出平滑的曲线,以坐标分量形式表示为式3-1。

(式3-1)

  由于该系统是数字系统,加之系统的存储空间有限,算法的存储空间开销不能太大,所以采用了离散化的增量式PID算法。该算法在运算过程中只需要保留最近3次的误差数据,就能够推导出下一次的输出量,节省了大量的数据空间,提高了运算速度,有很强实用价值。

  4结束语

  在轮式足球机器人运动控制系统中,应用基于DSP+FPGA的运动控制器,通过有效利用DSP高速运算能力和实时信号处理能力,采用先进的Bspline插补算法,使该整个运动控制器具有高速、高精度的性能,结合FPGA芯片的先进技术,使该运动控制卡的集成性、可靠性大大提高。本文从作者工作实际出发,重新设计轮式足球机器人控制器,并结合足球机器人赛事实验平台进行了多次实验,实验结果充分证明了该控制器的优越性,该设计具有很好的学术研究和应用推广价值。

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