基于MSP430的足球机器人的运动控制系统设计

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基于MSP430的足球机器人的运动控制系统设计
 作者:陈全福,朱齐丹, 严勇杰 哈尔滨工程大学 自动化学院

摘要:本文介绍了ROBOCUP中型组的足球机器人的控制系统设计,详细描述了以MSP430F149为主控芯片,LMD18200为驱动芯片的底层运动控制模块的硬件结构以及软件设计,以及通过无线模块实现的远程通讯。

1. 引言
Robocup 中型组足球机器人比赛是近几年国内外新兴一个组别,它要求多个机器人在完全自主的状态下完成控球,传球,配合,射门等动作,相当于一个分布式多智能体控制系统。其中需要解决的关键问题包括,图像采集以及信号处理,路径规划,无线通讯,控制决策,多传感器信息融合等技术。因此,中型组机器人足球比赛最具挑战性,也最能体现研究单位的科研实力。对智能足球机器人的研究成果可广泛用于军事,民用等众多领域。

2. 足球机器人总体结构
机器人的控制系统如图1所示:
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                    图 1机器人控制系统功能框图
   其主控单元为一款主频为300MHZ的基于PC104总线协议的CPU板。作为上位机它主要负责整个系统的控制决策,包括多传感器的信号融合,数字图像处理以及路径规划。超声波阵列配合全景视觉模块完成机器人的避障和路况识别功能。语音识别模块用于完成对特定人声的识别以及语音合成输出。无线通讯使用目前应用广泛的无线收发数传MODEM芯片PRT2000来实现。底层电机驱动模块主要负责执行来自上位机PC104的控制命令,同时将机器人的速度和位置信息,通过串口通讯反馈给PC104,实现闭环控制。系统的电源由串联的两块12AH的蓄电池提供,经过一块单输入多输出的DC-DC电压转换模块为整个系统提供所需电压。本文将主要讨论底层运动控制模块的设计。

3. 底层电机运动控制系统
3.1 MSP430F149特点和硬件总体设计
MSP430是一种新型的混合信号处理器,本系统采用MSP430F149单片机,它是超低功耗flash型16位RISC指令集单片机,具有强大的处理能力、丰富的片上外围模块和方便高效的开发方式 。它具有:
⑴片内有1个硬件乘法器。
⑵2个16位的定时器,且带有多个捕获/比较寄存器,定时器可以设置成PWM输出方式。
⑶2个串行通讯接口,支持通用异步协议(UART协议)和同步协议(SPI协议)。
⑷一个8路12位精度、高效通用的A/D转换模块。
⑸有48个I/O引脚,每个I/O口分别对应输入、输出、功能选择、中断等多个寄存器,使得功能口和通用I/O口可以复用,大大增强了端口功能和灵活性。
   目前电机驱动模块的主控芯片普遍采用TI公司的DSP作为主控芯片,但其芯片本身及其仿真器价格偏高,不适合小规模开发。而我们使用的MSP430F149采用了JTAG技术、FLASH在线编程技术,省去了仿真器,采用自制的仿真接口即可实现在线仿真调试,因此与DSP相比,同样是贴片封装MSP430F149的具有更高的性价比。下图是以MSP430F149为主控单元的底层电机驱动模块结构图。
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                     图2 底层运动控制模块结构图
本系统采用MSP430F149作为主控芯片,其产生的2路PWM信号通过光藕TIL113输出到集成H桥芯片LMD18200驱动电机,与电机的同轴的光电码盘信号通过四倍频电路输入单片机的I/O口,单片机利用其I/O口的中断捕获功能对光电码盘信号进行正反相计数,并将其作为反馈信号,用软件实现电机速度和位置的PID控制 。

3.2 电机驱动模块设计
3.2.1 LMD18200特点
LMDl8200是美国国家半导体公司生产的、用于电机驱动的功率集成芯片。它将4个DMOS管构成的H桥及其控制逻辑电路均包含在1个11脚的T—220封装中,其额定电流3A,峰值电流为6A;内含防桥臂单侧直通电路;芯片过热报警输出和自动关断。图3为其典型应用。
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                  图3 LMD18200 典型应用
LMDl8200可采用两种不同类型的PWM信号:①PWM信号中既包含方向信息又包含幅值信息,50%占空比的PWM信号代表零电压。使用时,该信号应加于方向输入端(DIR),同时将PWM信号输入端置逻辑高电平。②分别由方向信号与幅值信号组成。幅值由PWM信号的占空比决定,零脉冲时代表零电压。在实际使用时,DIR接PWM信号,PWM逻辑高电平BREAK接逻辑低电平 。
3.2.2光电码盘的信号处理
提高反馈信号的精度,我们对光电码盘的信号进行信号处理,除了具有四倍频信号还具有鉴向功能。其电路图如图所示
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  其时序图如图5所示:
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                      图5 四倍频及鉴向电路时序图
3.3系统供电
MSP430系列单片机工作电压为3.3V,因此我们选择了AME1117-3.3这款LDO(低压降线性调节器)为其单独供电(图5)。其它由外部蓄电池经电源模块提供。为了监控蓄电池的状态,我们还设计了电源模块中包含具有欠压报警功能的电池监控模块,防止蓄电池过度放电,影响其寿命。
3.4底层驱动软件设计
本系统的控制软件共包括初始化主程序,串口通讯子程序,PID算法子程序和光电码盘信号捕获中断子程序等四个部分组成。如图6所示:
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                  图6 底层驱动系统软件流程图
本系统所采用PID算法为防止饱和积分得变速积分PID算法,在很多资料中均有详细介绍,本文不再赘述。
MSP430F149有两个硬件UART,通过对控制寄存器UXCTL和波特率寄存器UXBR0(或UXBR1)设置串口。其接收和发送分别具有独立的中断向量,数据的发送和接收可以在不同的中断程序中执行 。本系统定义的串口通信协议为:
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表中左右轮速度为两位二进制数所表示的低速,中速,中高速,高速四种速度等级。

4. 结论
实验证明,将MSP430F149单片机作为主控制器,LMD18200为驱动芯片设计出来的ROBOCUP中型组机器人的底层运动控制系统的速度和位置控制精度,以及左右轮的同步性等指标均达到设计要求。与以DSP为主控芯片的控制系统相比,减低了设计成本。

参考文献:
[1] 胡大可 MSP430系列超低功耗单片机原理和应用[M]。北京:北京航空航天大学出版社。2003
[2] Chris Nagy. Embedded System Design Using TI MSP430 Series[C].Texas Instruments Incorporated 2003
[3] 王晓明 电动机的单片机控制[M] 北京:北京航空航天大学出版社。2002
[4]Brian Merritt .PWM DC Motor Control Using Timer A of the MSP430 [M] Texas Instruments Incorporated 2003
[5] 魏小龙 MSP430系列单片机接口计术和系统设计实例[M]。北京:北京航空航天大学出版社。2002
作者简介:
陈全福(1981-),男,江苏省连云港市人,硕士研究生,研究方向为智能机器人控制系统。
1楼
不错,好贴,参考文献[5]那个人是我老师,我感到很骄傲哦.呵呵
2楼
好文章
3楼
cd太强大了到处都是你的帖子[EM05]
4楼
做的不错啊
5楼
很好 我观看了 全国的足球机器人比赛 现在看看 感觉挺好的呵呵

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