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1、基于ARM的足球机器人控制参数整定系统的设计柳长安 周 宏 刘春阳 洪炳熔3(华北电力大学 计算机科学与技术学院 北京102206)(3哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院 哈尔滨150001)摘 要 为了提高足球机器人的运动性能,本文设计了基于ARM的足球机器人控制参数 整定系统。首先在阐述系统基本原理的基础上讨论了系统的组成,包括测试平台、 测试电 路和测试软件;其次讨论了所采用的改进的增量式PID控制算法和通过实验确定参数的 方法;最后给出了实验结果,实验证明该系统可以快速地整定系统控制参数。关键词 足球机器人,参数整定,参数选择, ARM0 引 言在足球机器人系统中,机器人扮演着重要角色
2、。在有限的体积空间要求下,车体的机械结构较为复 杂等因素造成了其运动性能的差异,每一个机器人的控制参数都有所不同,快速有效的参数整定是必需的。本文就此进行研究分析,并考虑ARM微处理器的优点,设计了基于ARM的参数整定测试平台并在实践中取得了良好效果1 ,2。足球机器人电机控制系统是一个随动控制系统,对控制的实时性要求很高,控制算法所采用的参数直接影响到机器人的运动性能。测试平台要尽量 与实际机器人静态特征一致,包括主电路、 机械负载、 软件运行流程等;平台电路板不受几何尺寸的限 制,电路功能可以适当增加;平台应该具备友好的人机交互界面,功能便于维护升级,调试应方便快捷准 确。1 系统设计1.
3、 1 基本原理 基于ARM的测试程序在仿真器中运行,以便在主机的调试环境中修改测试程序的控制参数3。主机通过COM1和COM2口与测试电路进行实时通讯4 ,5。通过COM1和仿真器将电机速度命令传送给测试电路,控制负载(电机)运行,并模拟给电机施 加一定摩擦力。通过COM2 ,测试电路将检测的反馈速度传送给主机。主机通过反馈速度曲线调整控 制参数并重新在仿真器重运行测试程序,如此反复 直到得到满意的控制曲线。采用有线通讯方式使测试方式简化,提高测试平台的稳定性和可靠性。其 原理如图1所示。图1 参数测试系统原理图1. 2 主机测试平台 测试平台的功能是发送主机控制速度命令,接 受测试电路的电机
4、反馈速度,绘制实时速度曲线,存 储实时数据,查看历史数据。使用的开发工具采用VB6.0 ,采用了串口通讯控件MSCOMM。1. 3 测试电路 测试电路是一个基于ARM微处理器的电机控 制电路,主机的命令信号通过电平转换电路进入微 处理器,微处理器采用各种控制算法对电机进行闭 环控制。微处理器采用Samsung S3C44B0X,控制方式为脉宽调制方式(PWM) ,针对直流微型电机的特 点,设计了专用的驱动电路、 鉴相电路和测速电路。 测试电路原理如图2所示。1. 4 软件流程(1)主机测试平台数据发送将产生串口中断,使下位机程序进入73柳长安等:基于ARM的足球机器人控制参数整定系统的设计 男
5、,1971年生,副教授;研究方向:机器人技术,人工智能;联系人,E2mail :liuanhit (收稿日期:2003211227)863计划(2001AA422270)和华北电力大学博士基金资助项目。 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.电机控制程序。当下位机程序执行完毕时,测得的 数据会在串口缓冲区中存储。当执行数据接收命令时,缓冲区内的数据会读入上位机程序,再经绘图, 便可以查看PID参数选取的优劣。图2 测试电路原理图(2)测试电路 下位机整体程序流程图如图3所示,程序执行图3
6、下位机整体流程图时首先进行初始化,而后进入串口中断等待。当串 口中断产生后,进入电机控制程序。控制程序执行 完,测得数据存入串口缓冲区,程序结束或继续等待 下一中断。测试电路T2中断程序流程图如图4所示。其主要是每隔5ms产生一个定时器T2中断,计 数器对电机记一次数,而后,把测得的数处理后,在 下位机主程序中进行处理。图4 测试电路T2中断流程图2 控制算法在本系统实现的是改进的增量式PID控制算法。增量式PID控制算法公式为:uk= uk -uk-1= Aek+ Bek-1+ Cek-2(1)83高技术通讯 2005年 第15卷 第1期 1995-2005 Tsinghua Tongfan
7、g Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.其中,A=Kp(1 +T T1+TD T) , B= -Kp(1 + 2TD T) ,C=KpTD T。式(1)还可以写成下面的形式: uk= Kp(ek+ Iek+ D2ek)(2)其中,ek=ek-ek- 1,2ek=ek- 2ek- 1=ek- ek- 1。3 参数选择方法在对电动机控制中,首先要求系统是稳定的,在 给定值变化时,被控量应能迅速、 平稳地跟踪,超调 量要小。在各种干扰下,被控量应能保持在给定值 附近。另外,控制变量不宜过大,以避免系统过载。显然,上述要求全部满足是很困难的,因此,必须
8、根 据实际情况,抓主要方面,兼顾其他方面。 在选择控制器参数前,应首先确定控制器结构。 对于电动机控制系统,一般常用PI或PID控制器结 构,以保证被控系统的稳定,并尽可能消除静态误差。PID参数的选择有两种可用方法:理论设计法 和试验确定法。理论设计法确定PID控制参数的前 提是要有被控对象准确的数学模型,这在电动机控 制中往往很难做到。因此,采用试验确定法来选择PID控制参数。 数字PID控制算法是模仿连续系统的PID控制 器,在近似离散化的基础上,通过计算机实现数字控 制。这种控制方式要求采样周期要足够短,一般要 远小于系统的时间常数,根据香农(Shannon)采样定理,采样周期需要满足
9、下列关系式:T 1 2fmax(3)这是采用数字PID控制器的前提。采样周期越 小,数字控制效果就越接近连续控制。采样周期的 选择要受到多方面因素的影响,比如单片机的速度、执行元件的响应速度等,如果采样周期过短可能产 生无法忽略的静态误差。在电动机控制软件设计中,采样周期也是一个 重要的参数。在实际选择采样周期时,必须从需要 和可能两方面综合考虑。根据实际情况,机器人小 车的速度采样周期(控制周期)选为5ms。由于在足 球机器人比赛过程中,摄像头向上位机传送图像的时间间隔大约在3040ms ,所以,在3040ms的视 觉大闭环内进行5至6次速度闭环控制,可以很好 地使小车速度达到稳定。电机实时
10、速度曲线如图5 所示。图5 电机实时速度曲线4 结 论本文设计了基于ARM的足球机器人控制参数 整定系统。通过本测试系统整定了增量式PID控制 算法的控制参数,取得了良好的控制效果。本测试系统还可以进行功能扩充实现其它控制算法的参数 整定。该测试系统运行功能全面,可移植性强,运行 稳定可靠,操作简单方便,有着较强的实用价值和推 广价值。参考文献 1洪炳熔.机器人足球比赛 发展人工智能的里程碑. 电子世界,2000 ,(4) :4 2薄喜柱.基于多智能体合作的机器人足球比赛系统的 研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2001 3王晓明.电动机的单片机控制.北京:北京航空航天大 学出版社,2002 4范
11、逸之. Visual Basic与RS232串行通信控制.北京:中 国青年出版社,2002 5王田苗.嵌入式系统设计与实例开发.北京:清华大学 出版社,2002The Soccer R obot Control P arameter Integrated Decision System B ased on ARM Liu Changan , Zhou Hong , Liu Chunyang , Hong Bingrong3 (School of Computer Science and Technology , North China Electric Power University , B
12、eijing 102206) (3School of Computer Science and Technology , Harbin Institute of Technology , Harbin 150001) Abstract This paper discusses the robot soccer control parameter integrated decision system based on ARM. Firstly , based on description of the fundamentals here gives the composing of the sy
13、stem. Secondly , the algorithms adopted in controlling and choosing of parameters are discussed. Lastly , the experimental results and conclusions are given. Key words : robot soccer , parameter integrated , parameter selected , ARM 93柳长安等:基于ARM的足球机器人控制参数整定系统的设计 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
