機(jī)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(xué)科,。RoboCup小型組(也稱F180組)足球機(jī)器人對抗賽是國際上近些年興起的機(jī)器人足球比賽項目，國內(nèi)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(jī)械設(shè)計,、理論力學(xué)、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(xué)科和技術(shù)的交叉與融合,，具有較大的難度和挑戰(zhàn)性。
　　機(jī)器人足球競賽本質(zhì)上是決策和車體性能的競賽,。由于小型組機(jī)器人足球比賽涉及到實際機(jī)器人的設(shè)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(jī)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(guān)重要的作用。近年來,，隨著比賽對機(jī)器人各項性能指標(biāo)要求的逐年提高以及機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的逐步增加,，主控芯片的負(fù)擔(dān)越來越重，大多數(shù)機(jī)器人足球隊伍都在不斷地提高主控芯片的檔次以適應(yīng)越來越激烈的國際競爭,。本文將把TMS320F2812芯片具體應(yīng)用到足球機(jī)器人上,。
1 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(jī)器人控制等領(lǐng)域中的最高檔的DSP之一,。該芯片性能優(yōu)越,，比起TMS320LF2407A來講，各項性能指標(biāo)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(shè)計,。其主要資源和性能指標(biāo)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(nèi)部FLASH,，18K內(nèi)部SARAM,，
　　可外擴(kuò)1M存儲器。存儲器是統(tǒng)一編址的,，其尋址空間達(dá)4M,。
　　(4)中斷資源豐富，可支持45個外設(shè)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(yīng)迅速。
　　(5)擁有雙事件管理器EVA和EVB,，控制更加靈活,。
　　(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(dá)MHz量級,。此外串行通訊模塊還包括增強(qiáng)的eCAN總線和新增的McBSP，能滿足多種通訊的需要,。
　　(7)16個通道的12位A/D接口可靈活設(shè)置采樣方式,。
　　(8)可使用多達(dá)56個可編程且可復(fù)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(jī)器人上的應(yīng)用
2．1 車體控制電路的性能要求
　　基于前兩屆機(jī)器人足球隊的經(jīng)驗和當(dāng)今國際強(qiáng)隊的現(xiàn)狀,，新一代機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了很大改進(jìn)，主要表現(xiàn)在以下幾點：四個單排萬向輪,、擊球機(jī)構(gòu),、挑球機(jī)構(gòu)以及帶球機(jī)構(gòu)。機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

　　以上改進(jìn)使得新車體在結(jié)構(gòu)上有了速度快、可控性好和功能全等特點,。為了充分發(fā)揮車體的性能,，同時達(dá)到高速運(yùn)動時較高的控制精度" title="控制精度">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(yīng)的要求,，主要有以下幾點：
　　(1)保證與上位機(jī)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(dá)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(yù)計應(yīng)精確到0.1ms,。
　　(3)帶球電機(jī)的可控性,。借以增加帶球的穩(wěn)定性，適應(yīng)不同的實際情況,。
　　(4)保證車體高速運(yùn)動下的可控性,，這一點是最重要的。由于采用了新的機(jī)械和動力結(jié)構(gòu),，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(jìn)行一次校正,。為了保證精度,，必須在底層對車體進(jìn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定系統(tǒng)參數(shù),，這樣對主控芯片的運(yùn)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(biāo)志以及必要的設(shè)計余量,。
　　綜合以上考慮,，充分利用已有經(jīng)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(yīng)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(guān)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(zhǔn)藍(lán)牙無線通訊模塊nRF2401，并為通訊模塊單獨(dú)配上一個TMS320LF2407處理器,。
　　通過設(shè)置SCICTL2 將TMS320F2812的SCI通訊設(shè)置為中斷方式,，并通過設(shè)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(jī)通訊的可靠性,。
　　在實際測試當(dāng)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(jī)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(jī)游走及轉(zhuǎn)動命令，使機(jī)器人到達(dá)能正常通訊的區(qū)域,。
2.2.2 擊球機(jī)構(gòu)和挑球機(jī)構(gòu)的控制
　　將加在擊球機(jī)構(gòu)和挑球機(jī)構(gòu)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(dá)4m/s以上,，而挑球距離則達(dá)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(diào)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(nèi),，且每次擊球和挑球都有較好的重復(fù)性,。

　　為了防止同時使用擊球機(jī)構(gòu)和挑球機(jī)構(gòu)造成機(jī)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(jìn)行限制,，以保護(hù)電路和機(jī)構(gòu)。
　　需要指出的是,，擊球機(jī)構(gòu)和挑球機(jī)構(gòu)的使用還應(yīng)受到球檢測情況的限制,。如果球沒有緊挨著機(jī)器人，那么擊球和挑球動作就沒法達(dá)到應(yīng)有的效果,，甚至只是無謂地出擊,，白白損失進(jìn)攻機(jī)會。因此,，僅當(dāng)確定球緊挨著機(jī)器人時才允許打開放電電路,，否則需等待機(jī)會。
2.2.3 帶球電機(jī)的控制
　　根據(jù)試驗結(jié)果,，要在不同情況達(dá)到最好的帶球效果,，并不需要對帶球電機(jī)進(jìn)行精確控制,所以帶球電機(jī)沒有帶碼盤且只允許向一個方向旋轉(zhuǎn)。
　　為了實時監(jiān)測是否帶穩(wěn)球,，設(shè)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(jìn)行定時檢測，并經(jīng)過軟件濾波就可以確定球是否被機(jī)器人帶住,。

2.2.4 驅(qū)動電機(jī)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(yán)重的打滑現(xiàn)象,。另外,，四輪設(shè)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(fù)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(dá)到所要求的高速運(yùn)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(jīng)過適當(dāng)?shù)能浖V波將當(dāng)前加速度反饋給控制主程序，用以改善底層的運(yùn)動控制,。再加上上層的視覺反饋和決策層的整體PID調(diào)整,，雙閉環(huán)的PID控制使車體在高速運(yùn)動情況下的控制精度有了很大提高。運(yùn)動控制框圖如圖5所示,。

　　由于帶球機(jī)構(gòu)和四個輪子都是由電機(jī)通過減速箱直接驅(qū)動的,，因此很容易出現(xiàn)因堵轉(zhuǎn)而燒毀電機(jī)的情況。為了保護(hù)電機(jī),，除了在機(jī)械上盡可能做好保護(hù)以外,，在底層決策上也對此作了監(jiān)測。當(dāng)發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)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(rèn)為該電機(jī)正處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)并關(guān)閉一段時間以保護(hù)電機(jī)。
2.2.5 自檢手段和設(shè)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(guān)和一個七段LED,，通過不同撥碼組合可以運(yùn)行不同的自檢程序，并實時地將結(jié)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(xué)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(dá)到初始設(shè)想的控制精度,，選用此芯片的足球機(jī)器人與國際強(qiáng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制方法，這樣必須留有足夠的計算能力余量,。TMS320F2812高達(dá)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)試驗所得到的參數(shù)，使用TMS320F2812的SPI口,，并外擴(kuò)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(yù)留了角速度傳感器的電路接口，為進(jìn)一步提高控制精度作準(zhǔn)備,。
2.3 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中給出了定時中斷子流程的基本框圖。