2023年双足竞步机器人技术全面汇总归纳报告.pdf

双足竞步机器人技术总结报告 双足竞步机器人 技术总结报告 编制单位:侏罗纪工作室 作 者:侯兆栋 版 本:V0、1 发布日期:2010-8-20 审 核 人:批 准 人:引言 2010 年中国机器人大赛已经结束,回顾整个比赛及赛前调试过程,我们遇到了很多问题,下面就将我们遇到的问题做一分析与总结,并提出改进方案,对我们以后的工作有所帮助。遇到的问题及原因分析 机器人稳定性不好 机器人在走路的过程中不稳,比较晃。造成此问题的原因有两个:1、机器人高度过高。由于我们用成型的 U 型套件,套件高度就是固定的,我们必须将腿做成一定的高度才能保证腰翻下去不压脚;下面两个套件决定了腰的高度,所以总体下来我们的机器人高度比较高,导致机器人重心比较高,平衡性不好,造成不稳定。2、步态设计不合理。在动作上需要 6 个舵机同时配合,要做到很协调,还就是很有难度的,某个舵机的角度,速度都会对整个机器人的行走造成影响,这也就是造成机器人走路不稳定的原因。双足竞步机器人技术总结报告 舵机控制问题 舵机控制原理 控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片,获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路,产生周期为 20ms,宽度为 1、5ms 的基准信号,将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较,获得电压差输出。最后,电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时,通过级联减速齿轮带动电位器旋转,使得电压差为 0,电机停止转动。电源线与地线用于提供舵机内部的直流电机与控制线路所需的能源.电压通常介于 46V,一般取 5V。注意,给舵机供电电源应能提供足够的功率。控制线的输入就是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号,方波脉冲信号的周期为 20 ms(即频率为50 Hz)。当方波的脉冲宽度改变时,舵机转轴的角度发生改变,角度变化与脉冲宽度的变化成正比。双足竞步机器人技术总结报告 上电机器人乱动 问题在于上电程序初始化时,没有给出一个确定的值来产生一个确定的脉冲,脉冲给舵机后,舵机状态不定,就出现了乱动的现象。舵机抖动 在调试过程中,舵机出现抖舵的问题,主要原因有:1、控制板供电电源电压不足 控制板供电电源电压不足,引起芯片电源电压不稳定,导致输出脉冲抖动,测得当供电电压降低到 5V 以下经过 78M05 稳压,再经过 ASM1117 稳压后,输出脉冲高电平电压再 2、5V 左右,就是一不可靠的高电平,输入舵机控制电路后,输出的直流偏置电压不准确,导致舵机抖动。2、脉冲精度不够 很多舵机的位置等级有 1024 个,如果舵机的有效角度范围为 180 度的话,其控制的角度精度就是可以达到 180/1024 度,约 0、18 度,从时间上瞧其实要求的脉宽控制精度为 2000/1024us,约 2us。双足竞步机器人技术总结报告 此次为节省芯片资源,先将时钟进行一次分频,再拿分频产生的时钟来控制脉冲的时基计数器与步进计数器,这样,每个计数器的计数值变小,节省了一定的资源,但在控制精度上有所下降,控制板产生的脉冲精度为:脉冲时基计数值为:1600;步进计数值为:1 或 2;则:脉冲精度为 1/1600*20 ms=12、5 us 与舵机的要求精度相差很大,由于模拟舵机的无反应区比较大,当以较低精度的脉冲来控制舵机时,在某个时刻舵机状态不定就会出现抖舵现象。烧电路板 电路板原理图如下:此原理图比较简单,没有什么原理性的东西,也没有做隔离与保护,电源模块有两路供电,一路经过开关后直接给舵机供电,另一路经过两级稳压输出 3、3V 电压,双足竞步机器人技术总结报告 满足 EPM1270 的供电需求;复位就是直接通过一电阻拉到地上,进行低电平复位;时钟模块就是一有源晶振,接上电源后就可以起振;其她都就是接口。在调试过程中,有一段时间,老烧电路板,每次烧的都就是 CPLD 芯片,从 CPLD手册上查得:芯片 3、3V供电时,I/O 口的单端输出电压为 3、3V 3、3V供电时,输出高电平电流为 16mA,输出低电平电流为 8 mA;由以上资料分析,烧板子的原因可能就是:1、电平不匹配。双足竞步机器人技术总结报告 CPLD输出电平电压为 3、3V,而舵机需要的为 TTL电平,由于外部再没有加驱动电路,这样 CPLD的 I/O 端口驱动能力有限,当同时有几个舵机转时或者舵机转的角度比较大时负载过重,导致 CPLD烧坏。2、电流回流与尖峰脉冲 舵机中有一直流电机,当直流电机转的时候,自身也会产生电流,若多个舵机同时转,且转的角度比较大时,各舵机自身产生的电流汇集到一起应该就是表较大的,若电流倒流入电路板,电路板可能因电流过大而烧坏;另一点就就是尖峰脉冲,舵机在转的过程中若产生尖峰脉冲,倒灌入电路板也可能因电流过大而烧坏芯片。这应该就是此次电路板烧的主要原因。3、电路板制作工艺 在刻 PCB板时,板子阻焊做的不好,在焊接的过程中,容易在电路板上留下焊锡渣,如果掉入芯片两引脚之间,也可能引起短路,导致电路板烧坏。解决方案 机器人稳定性解决方案 结构 对机器人整体结构应该在现有基础上加以改进,比如在机器人高度上,以及腰部;对于 U 型套件,自己做,用 AutoCAD设计出机器人结构图、套件图,拿到机床去加工,这样能保证套件精度,与结构的合理性,将机器人结构对研究带来的影响减到最小。步态设计 对机器人走路的步态进行更合理的设计,保证走路过程中的平稳。双足竞步机器人技术总结报告 舵机控制解决方案 上电乱动 在上电程序初始化时应该给舵机一个确定的脉冲,而且此状态持续时间应稍长,问题就会得到解决。舵机抖动 首先,保证电源电量充足,电压保持稳定,给芯片一个稳定的电压,保证输出脉冲的稳定性;其次,增加脉冲精度,即脉冲宽度的步进不要太大,这样既能精确的控制舵机,又能避免舵机的抖动;另外,可以在后端加一脉冲整形电路,可以滤除毛刺等脉冲。电路板解决方案 电平不匹配问题。对于此问题,可在后端加一电平转换芯片,增强驱动能力,保证 I/O 口有足够的能力来驱动舵机。电流回流与尖峰脉冲 方案一:加电容吸收 在舵机前端加一电容来吸收尖峰脉冲,但此方法经过实际验证不可行。加电容后,从 I/O 口输出的脉冲被电容吸收了,舵机不转。方案二:光电隔离+整形 为了防止干扰,舵机控制信号与驱动电路应光耦光电隔离,将信号隔开,避免舵机转动对控制板的影响。通过隔离出来的控制信号,还必须经过整形以消除毛刺,增加信号的稳定性,提高信号的输出电流。整形可采用施密特触发器,施密特触发器就是脉冲波形变换中经常使用的一种电路,它就是具有滞后特性的数字传输门,且受电源限制,可对输入双足竞步机器人技术总结报告 波形进行变换与整形;另外,还可以采用通过比较器整形的方法来消除毛刺比如用LM324,LM393 等。电路板制作工艺 在今后做板的时候应该加强阻焊与助焊这两道工序,能保证焊接时不出现板子上有杂物而导致短路的情况;在板子焊好后,在引脚密集的芯片处采取一些措施,如涂上硅胶或者蜡,以防短路。总结 本文针对此次比赛中出现的问题,进行原因分析,并提出解决办法,为以后的研究提供一个参考。针对出现的问题,具体解决方案需在今后的研究中结合实际情况来确定。