CN1172172C - 一种微型足球机器人小车性能测试装置 - Google Patents

Abstract

一种微型足球机器人小车性能测试装置属于机器人性能测试领域，被测数据采集器由定位、夹紧和测速三机构组成的机械平台来完成；被测小车夹紧在机械平台上，使小车左、右车轮分别与对应的两个惯性摩擦轮紧密接触，通过与机器人小车车轮同直径惯性摩擦轮的同步转动，其轴上编码器即时采集到小车轮转速；由中央控制器单片机、测速计数、显示驱动、存贮、电平转换单元构成检测控制器的电路；按照检测方法进行测试，将采集到的小车左、右两轮脉冲信号分两路送入计数单元的不同接口和存贮器；在中央控制器的单片机上按规定算法测算出小车左、右两轮的线速度、加速度和时间常数，并加以显示、存贮，按指令把测试数据由电平转换单元向上位机传输。

Description

一种微型足球机器人小车性能测试装置

所属技术领域

本发明属于机器人性能测试领域，为一种微型足球机器人小车性能测试装置。

背景技术

关于微型足球机器人小车性能测试装置，到目前为止已在国内、外还未见专利报道和实际产品的报道。

第一个正式提出让机器人踢足球的学者是加拿大哥伦比亚大学的艾兰.麦克乌斯教授，他在1992年发表的文章“关于可视机器人”中指出，让机器人寻找足球并跟踪足球，对于人工智能的发展具有突破意义。微型足球机器人在国外发展已有十年历史。在中国最早研究开发者是东北大学人工智能与机器人研究所，到目前为止国内已经有了十几个研发机构。

微型足球机器人系统主要有四部分组成：小车子系统、视觉子系统、决策子系统和通讯子系统。机器人小车在系统中扮演着执行机构的角色，其性能的优劣对整个系统起着举足轻重的作用。体现机器人小车性能优劣的指标包括哪些内容？这些性能指标达到什么样的标准才能满足要求？如何检测这些指标？本行业专家根据多年研究的结果和实践经验认为，在比赛场上最能体现机器人小车性能的是它的左、右轮转速、左、右轮加速度和小车的机电时间常数三个指标。目前国内外还没有专用装置来测试这些数据，来准确地标定一台微型足球机器人的性能。

发明内容

据此，本发明提出一种微型足球机器人小车性能测试装置，实现足球机器人小车的快速整定、动态特性的便捷观察，为今后研究新控制算法提供了实验平台。

机器人小车性能测试装置的硬件如图1所示，由被测数据采集器1、检测控制器2和计算机3构成。使用被测数据采集器来测试机器人小车左、右轮的转速。其结构如图2、图3、图4所示，由底板4，前支承板5，拉簧6，轴7，压板8，侧护板9，后支承板10，测速轴11，惯性摩擦轮12，轴座13组成了机械平台。前支承板5，拉簧6，轴7，压板8，侧护板9，测速轴11，惯性摩擦轮12由两件构成；轴座13由四件构成；左、右对称，组装在一起构成了测试机器人小车左、右两个车轮转速的两套测试机构。

整个机械平台分为定位机构、夹紧机构和测速机构三个部分，各机构由底板4连接。

定位机构由前支承板5、后支承板10和两个侧护板9组成，起定位被测机器人小车车体的作用，使小车在前、后、左、右各个方向不会移动，而且它的位置还可根据需要进行调整。

夹紧机构由两个拉簧6、两个轴7和两个压板8组成，它的作用是在被测机器人小车被定位后，将小车夹紧在机械平台上，并保证车轮与两个惯性摩擦轮紧密接触。而且拉簧的拉力可通过调整固定拉簧的螺钉位置进行调整，可提供三种拉力。图3中的虚线所画的是小车的示意图，使用时先将两个压板8扳向后面，然后将小车按图示方向放在机械平台上，再将两个压板8向前扳，夹紧小车。

分别测试机器人小车左、右两个轮子转速的两套测速机构由各自的惯性摩擦轮12、轴座13、测速轴11以及与测速轴相联的编码器组成。惯性摩擦轮的转动惯量是经过计算确定的，可以模拟小车的惯量，使小车在机械平台上的运动参数接近于在场地上的实际运动参数。在两个测速轴11上安装测速编码器，将惯性摩擦轮12的直径做成与车轮的直径一样尺寸，惯性摩擦轮圆周表面加工呈网格花纹，保证摩擦力足够大，避免惯性摩擦轮12与车轮发生滑动，保证两个轮同步转动，所以可以认为编码器测取的速度就是小车左、右轮的转速。

检测控制器电路功能构成如图5所示，由中央控制器单片机、左、右两个测速单元、计数单元、显示驱动单元、存贮单元、电平转换单元构成。

为了实现机器人小车测试检测装置的测试作业，本发明研发了一个电路，如图6所示。

从图5及电路图(见图6)可见，测试台控制器的中央控制器单元采用的是(U₁)单片机AT89C51。通过单片机完成对其它单元电路的工作方式及状态进行控制和协调。

计数单元由(U₄)8253计数器芯片完成，左、右两个测速单元由光电编码器U₅和光电编码器U₆构成。光电编码器U₅和光电编码器U₆将测得的两组电机转速脉冲交给计数单元U₄，供单片机U₁读取，经过适当的计算便可得到机器人小车左右轮的转速。

显示驱动单元由U₈～U₁₂构成，U₈选用的是键盘显示器扫描芯片8279，U₉、U₁₂选用2803为驱动芯片，U₁₀为138译码器，U₁₁为反向器。显示驱动单元的作用是驱动6位数码显示器。

电平转换单元选用MAX232(U₇)是为了完成测试台控制器与上位计算机串行通讯而设计。

存贮单元U₃采用随机存贮器芯片6264，作用是存放测试数据及结果。

测试时，机器人小车的转速由U₆检测出变换成脉冲的信号。其中一个小车轮速由U₅一路经U₅A进U₄的CLK₁端，小车的另一个车轮轮速由U₆另一路经U₆A进入U₄的CLK₀端；计数芯片U₄分别对两路脉冲信号进行计数，单片机U₁每隔4mS对U₄的计数值进行采样，按预定的算法变换成机器人小车的线速度后存入存贮器U₃同时送往U₈经U₉、U₁₀、U₁₁、U₁₂送给LED显示器。

在与上位机通讯时先把计算机的串口通讯电缆与测试台控制器的J₁联好，当面板的“发送”键按下时U₁把存在U₃的测试数据调出经U₇和J₁送出。

为了用本发明的微型足球机器人小车性能测试装置完成对其动态性能测试，发明人用51汇编语言编写了软件程序，这种语言具有程序简短、执行速度快、占用的内存单元和CPU资源少等特点。

机器人小车性能测试软件编制的原理如下：

参数计算

(1)加速度计算方法

因为 $a=\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\Δt}},$ $V=\frac{\mathrm{\Δs}}{\mathrm{\Δt}}$

所以 $a=\frac{\mathrm{\Δs}}{\mathrm{\Δ}{t}^2}$

又因为 $\mathrm{\ΔS}=K_1\frac{\mathrm{\Δn}}{K_2{K}_3}$

所以 $V=\frac{\mathrm{\Δs}}{\mathrm{\Δt}}=\frac{K_1}{\mathrm{\Δt}{K}_2{K}_3}\·\mathrm{\Δn}$

$a=\frac{K_1}{{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^2{K}_2{K}_3}\·\mathrm{\Δn}$

式中：K₁-小车轮周长(m)；K₂-减速比；K₃-电机编码器线数；Δt-周期(s)；

Δn-Δt时间测取的脉冲数。

令 $R=\frac{K_1}{{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^2{K}_2{K}_3},$ 则a＝R·Δn

由于K₁、K₂、K₃、Δt均已知，故每次测出Δn，即可计算出瞬时速度。NEUNEW的小车轮周长14cm，减速比1∶8，K₂＝8；若小车采用128线，K₃＝128线编码器对电机进行测速，采样周期为Δt＝4ms。

则常数R为：0.14/[(4×10^-3)²×8×128]＝8.5(m/s)

如小车采用512线，采样周期为Δt＝0.88ms，

则常数R为：0.14/[(0.88×10^-3)²×8×512]＝44(m/s)

若将速度上升曲线规划为 $V\left(t\right)=V(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}}),$ 则加速特性主要表现在 $V\left(t\right)=V(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}}){|}_{t\≤\mathrm{\τ}}$ 期间，本程序算法是在速度实测值≤V(1-e^-1)时，取各点加速度的平均值(式中V为速度给定值，τ为机器人小车的时间常数)。

(2)时间常数的计算方法

若把速度曲线规划为 $V\left(t\right)=V_0(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}})$

式中V₀为速度给定值，τ为机器人小车的时间常数

当t＝τ时，V(t)|_t＝τ＝V₀(1-e^-1)

只要测出V_测＝V₀(1-e^-1)那么所经历的时间即可认为是小车的时间常数。

该软件程序的框图如图7所示。它是由初始化、编码器类型设定、机器人小车速度给定值的参数设定、采样、计算机器人小车左右车轮加速度、计算机器人小车左右轮系的时间常数、数据发送步骤构成。

初始化：是单片机上电复位进行的必要工作，包括对周围外部芯片的初始设定。

编码器类型设定：此功能是针对目前国内的机器人小车两种电机编码器，一种为128线，另一种为512线，本检测控制器默认为512线，也可根据需要通过按钮改设定为128线。

参数设定：此功能主要设定机器人小车的速度给定值(因为在计算加速度和计算时间常数时均与设定值有关)，本检测控制器默认值为60。

采样：机器人小车放在测试台上并运行，测试台检测控制器开始对机器人小车的左右轮转速开始检测，每4ms采取一次数据，共采集200次，把采集的数据经计算得到车轮速度后，送给显示器显示，同时送入内部存贮器保存。此过程则结束。

计算加速度：采样结束，若按下加速度键，则根据预定算法计算出机器人小车左右轮的加速度参数并分别显示。

时间常数计数：若按下面板的时间常数键，则程序按照预定算法分别计算出左右轮的时间常数并显示。

数据发送：若按下面板的数据发送键，则程序将存在检测控制器内存的200组数据传送给上位计算机供其使用。在发送同时，面板的指示灯将闪烁指示。

本发明微型足球机器人小车性能的测试装置完成了以下的测试：

(1)测试机器人小车左右轮的实际转速并显示；

(2)将所测得的实验数据存贮；

(3)将存贮的实验数据传给上位计算机，计算机将数据再现，绘制实测曲线。

(4)计算并显示小车左右轮加速度

(5)计算并显示小车左右轮传动系统时间常数

(6)自检功能

(7)故障提示

实现了以下的功能：

(1)实现足球机器人小车参数的快速整定

足球机器人小车在测试台上通过仿真器，控制其运转。在测试台的数码显示器上可直观的观测到左右轮实时的转速；并可以将测得的数据在PC机上绘制出速度曲线更加直观的观测到左右轮转动的差别。进而，调整仿真器程序中机器人小车的PID参数，再进行测试直至达到要求为止。这样省去了对89C51反复进行程序写入的麻烦，实现了足球机器人小车参数的快速整定。

(2)为今后研究新的控制算法提供直观的测试平台

足球机器人动态性能测试台具有数据在PC机上再现、绘制速度曲线的功能，这大大方便了动态特性的观察，也为今后研究新的控制算法提供了实验平台。

附图说明

图1为本发明测试装置硬件组成关系图；

图2为被测数据采集器结构之一，机械平台结构示意图；

图3为图2的左侧投影视图；

图4为图2的俯视投影视图；

图5为本发明检测控制器电路功能框图；

图6为本发明检测控制器电路图；

图7为本发明检测控制器测试计算软件程序框图；

图8为本发明检测控制器实施例的面板图；

图9为实施例的测试装置测试结果1曲线(给定速度为50)

图10为实施例的测试装置测试结果1曲线(给定速度为60)

图11为实施例的测试装置测试结果2曲线(给定速度为50)

图12为实施例的测试装置测试结果2曲线(给定速度为60)。

具体实施方式

按本明的说明书的内容，制作了一部微型足球机械人小车测试装置，制作了一个测试机械平台，按本发明的电路图和软件程序组成了一台检测控制器；把机械平台，检测控制器和上位计算机联成一部微型足球机器人小车测试装置。测试控制仪的面板如图8所示，LED显示器14；自检按钮15，按下此按钮，控制器进行自检；发送铵钮16，按下此按钮，控制器将测试数据发送给上位计算机；通讯状态指示灯17，发送数据过程中，此灯闪烁显示；设置按钮18，机器人小车的速度给定值由此按钮送入；复位按钮19，按下此按钮，控制器复位；时间常数按钮20，按下此按钮，计算机器人小车的时间常数并显示；加速度按钮21，按下此按钮，计算机器人小车的加速度并显示。将被测试微型足球机械人小车安放在定位机构上，并使用夹紧机构将小车夹紧。作了如下步骤的测试操作：

1、接通电源。测试台的显示器应显示“NEU-CS”

2、将“自检/工作”开关拨至“自检”位置。显示器键应显示两个相同的介于80-100的数。若没有数字显示，或显示“0”则说明测试台出现故障不能正常工作

3、将“自检/工作”开关拨至“工作”位置。显示器应显示“NEU-CS”测试台可以开始工作：

(1)先将转换接口的插孔插在小车电路板的6线插头上(注意转换接口的方向，插好后转换接口不能超出小车电路板的边界)，再将小车电机线的6线插孔插在转换接口的插头上，最后将转换接口的引出线(快速插头)插在测试台后面板的插座上。

(2)通过测试软件或遥控器令小车运行，测试台显示器显示出小车两轮的速度(电机配128线编码器时，显示数据的单位为“脉冲数/4ms”)并把所测得的速度纪录在内存中。当内存存满时，显示器显示“NEU-OE”同时停止测速。

(3)当显示器显示“NEU-OE”时应首先设定小车的速度给定值。设定的方法为：持续按下“设置”键显示器显示“001000 E”并在为“1”的那一位连续自动加“1”，每次加“1”代表速度给定值加“10”。速度的最大给定值为“007000 E”即“70”，(速度给定值的单位为“脉冲数/4ms”)。设置完毕后释放“设置”键，等待一秒钟后显示器显示“NEU-OE”即完成设置。默认给定值为“60”

速度给定值设置完毕后：

(4)按下“加速度”键，显示器显示的数据即为两个车轮的加速度(显示数据的单位为“m/s²”)。

(5)按下“时间常数”键，显示器显示左右轮传动系统的时间常数(以上所述显示器显示的数据，左边窗口为一个车轮的数据；右边窗口为另一个车轮的数据)。

(6)按下“发送”键，测试台会将小车左右轮的各200个速度数据(十六进制数)通过232串行口发送至上位计算机，以供计算机绘制速度曲线用。(本测试台所采的速度数据为脉冲的个数采样周期为4ms)

(7)当一次测试完毕后按下“复位”键即可清除本次测试记录的数据，为下次测试做准备。

4、在使用测试台时对应测试台的不同工作状态显示器会显示一些特殊的字符串，这些字符串的含义如下：

(1)“NEU-CS”一切正常可以工作

(2)“FUN-OE”寄存器已满

(3)“FUN-02”正在发送数据

(4)“FUN-03”数据发送完毕

(5)“FUN-04”存储器出错

经过对几个微型足球机器人小车的测试得到了如下测试数据。如图9、图10所示，图9为对一辆机器人小车测试结果1曲线，此时给定速度为50，图10为对同一辆机器人小车测试结果1曲线，此时给定速度为60；从测试结果得出了评测结论，左右轮拟合很差，右轮明显损坏。

图11是对另一辆机器人小车测试结果2曲线，此时给定速度为50，与图11同时还测出机器人小车机械时间常数为T-20ms，加速度a＝40m/s²，图12是对同一辆机器人小车测试结果2曲线，此时给定速度为60。与图12同时还测出机器人小车机械时间常数T＝35ms，加速度a＝25m/s²给出评测结论：走直线性能良好，左右轮拟合良好。这些数据表明本发明的具体实施例的装置完成了对机器人小车的测试。

Claims (2)

1、一种微型足球机器人小车性能测试装置由被测数据采集器、检测控制器和计算机组成，其特征在于：

(1)被测数据采集器是由定位机构、夹紧结构和测速机构三个部分组成的机械平台；定位机构由前后两个支承板及两个侧板组成，将被测机器人小车定位夹紧，夹紧机构由两个拉簧、两个轴和两个压板组成，将被测机器人小车夹紧在机械平台上，并保持机器人小车左、右车轮分别与对应的两个惯性摩擦轮紧密接触；通过调整固定拉簧螺钉位置来调拉簧的拉力；两组测速机构分别由各自的惯性摩擦轮、轴座和测速轴及编码器组成；将惯性摩擦轮的直径做成与机器人小车车轮直径同样大小，惯性摩擦轮表面加工成网格花纹形状，保证足够大的摩擦力，使惯性摩擦轮与机器人小车车轮同步转动，可由两组测速机构分别测取被测机器人小车左、右车轮的转速；

(2)检测控制器是由单片机承担的中央控制器、光电编码器和计数器组成的测速计数单元，显示器和显示驱动单元、存贮单元、通讯电平转换单元构成的电子线路，该电子线路中央控制器采用的是(U₁)单片机AT89C51；通过单片机(U₁)完成对其它单元电路的工作方式及状态进行控制和协调；测速计数单元由(U₄)8253计数器芯片完成，两个光电编码器由U₅和U₆构成；两个光电编码器分别将各自测得的电机转速脉冲交给计数单元U₁，供单片机U₁读取，经过适当的计算便可得到机器人小车的左、右两个轮的转速；显示驱动单元由U₈～U₁₂构成，U₈选用的是键盘显示器扫描芯片8279，U₉、U₁₂选用2803为驱动芯片；U₁₀为138译码器，U₁₁为反向器；显示驱动单元的作用是驱动6位数码显示器；电平转换单元选用MAX232(U₇)随机存贮器芯片采用6264(U₃)作用是存放测试数据及结果；测试时，机器人小车的左、右轮速由U₅、U₆检测出变换成脉冲的信号；其中一个小车轮速由U₅一路经U₅A进U₄的CLK₁端，小车的另一个车轮轮速由U₆另一路经U₆A进入U₁的CLK₀端；计数芯片U₄分别对两路脉冲信号进行计数，由单片机U₁每隔4mS对U₄的计数值进行采样，按预定的算法变换成机器人小车的线速度后存入存贮器U₃同时送往U₈经U₉、U₁₀、U₁₁、U₁₂送给LED显示器；在与上位机通讯时先把计算机的串口通讯电缆与测试台控制器的J₁联好，当面板的“发送”键按下时U₁把存在U₃的测试数据调出经U₇和J₁送出。

2、根据权利要求1所述的一种微型足球机器人小车性能测试装置是通过检测方法实施的，检测方法包括：

用于计算机初始化的初始步骤；

用于光电编码器类型K₃设置的设置步骤；

用于对机器人小车的速度V₀和采样周期Δt的数值设定，以及小车车轮周长K₁、变速比K₂输入的参数的设定和输入步骤；

其特征是所述的一种微型足球机器人小车性能测试装置机器人小车性能检测方法还包括：

按设定采样周期Δt，由两个光电编码器U₅、U₆分别测取的机器人小车车轮转速Δn，将测取的每个机器人小车车轮的数据Δn，输入的数据Δt、K₁、K₂、K₃和速度计算方法，由中央控制器单片机U₁分别计算出机器人每个小车车轮的速度V，送给显示器驱动单元进行数据显示发送，存入存贮器U₃的小车车轮速度检测采样步骤；

依据指令和测取的每个机器人小车车轮的数据Δn，输入的数据Δt、K₁、K₂、K₃和速度计算方法，由中央控制器单片机U₁分别计算出机器人每个小车车轮的加速度a，送给显示器驱动单元，进行数据显示发送的小车车轮加速度测算步骤；

依据指令和速度测算步骤得到的机器人每个小车车轮的速度、设定和输入步骤设定的速度值V₀及时间常数的计算方法，由中央控制器单片机U₁测算出机器人小车左、右车轮的时间参数，送给显示器驱动单元，进行数据显示发送的小车车轮时间参数的测算步骤；

依据指令将存贮单元U₃中的测试数据调出，经电平转换单元U₇传输给上位计算机的发送数据步骤。

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