专利名称：基于数字信号处理器的足球机器人光电定位装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光电定位装置，尤其涉及一种基于数字信号处理器的足球机器人光电定位装置，适用于全自主足球机器人参加世界杯足球比赛，也可用于其他机器人项目，属于足球机器人技术领域。
背景技术：
随着足球机器人比赛的推广和足球机器人技术的发展，足球机器人的性能日趋完善。在全自主足球机器人竞赛中，要求机器人具有高灵活性、策略性以及良好的协作，如果机器人在赛场上不能准确地确定自己的位置，必然导致比赛失利。因此，机器人在比赛场上定位的问题显得非常重要。根据公开的文献资料，在本发明以前，足球机器人普遍采用轮式驱动、通过随轮里程计反映走过距离的形式进行定位，或者通过全局视觉进行定位。由于物理特性，驱动轮在赛场上存在打滑的可能，这直接导致了里程计定位的不稳定、不准确；对于视觉定位，现有设备视频带宽的限制、反射镜反射面的不准确都会带来相应误差，并且现有视觉定位方式都是基于PC+Windows(或Unix、Linux)等通用软硬件平台上实现的，难以摒弃成本高、稳定性低、难以维护等缺点。
以对现有技术的检索，根据一种哈尔滨工业大学洪炳镕等人的中国专利“全自主型足球机器人及其智能控制系统”[申请号02132744.0]中的描述，涉及一种足球机器人定位装置，其装置自述为设置我方机器人坐标系，启动视觉系统寻找对方球门左右边框，根据球门识别模板算出球门左右边框的底坐标(X1，Y1)、(X2，Y2)，由曲线拟合公式将左右边框底坐标换算成左右边框相对机器人的距离和角度，以此实现机器人的定位。该专利驱动技术的不足之处在于在通用软件平台上实现，成本高、稳定性和性价比低；通过视觉设备提取图像，依据特征点识别定位，误差大，精度低，要显著提高精度必须选用高端设备，价格昂贵；由于视觉识别系统本身缺陷，受环境色差、光源强弱等因素影响很大，现有方案和设备难以适应未来机器人竞赛在自然光下进行的趋势；视觉定位的反馈位置信息误差大，造成多机器人间依据此信息进行协作困难、误差大。进一步检索表明，现有光电技术在特征检测等领域有所应用，如一种清华大学陈武柱等人的中国专利“机械扫描式焊缝跟踪光电传感器”[专利号ZL 91103380]中涉及一种用于焊缝检测的光电传感器应用，自诉为光源发出的光经工件反射，由三个分离光电管接收，信号经滤波器、放大器、解调器等一系列电路处理后得出当前焊缝的特征，借此判断电弧对焊缝的高度位置是否合理的信息。
该专利技术应用于焊缝检测领域，只能对形状进行识别，且定位误差大、易受干扰、协作性差，从技术原理、实现手段均不适合实时处理机器人在宽阔场地上的即时位置信息，不适用于足球机器人世界杯比赛。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，为当今足球机器人世界杯赛提供一种低成本的足球机器人光电定位装置，结构简单可靠，使机器人具有快速响应、定位准确的功能，不仅适用于全自主足球机器人竞赛项目，还可推广应用于其他机器人定位项目。
本发明是通过以下技术方案实现的定位装置主要由光电传感器、传感器桥架机构和控制系统电路板组成，其中控制系统电路板主要由DSP数字信号处理器、缓冲驱动芯片、JTAG测试仿真接口、通信硬件端口和通信端口驱动芯片组成，定位计算程序烧录在DSP的片内存储器中。传感器桥架机构安装在机器人底部并与地面压紧，光电传感器安装在传感器桥架机构上并保持与地面贴近，由于设定的光电传感器的输出电平与DSP的电平不一致，光电传感器的输出信号通过缓冲驱动芯片调理后经信号线发送到DSP的相应信号捕获单元实现信号采集，DSP内部存储器中的程序对信号进行分析运算得出当前位置结果，DSP通过通信端口驱动芯片与通信硬件端口连接构成通信模块实现与上位机的通信功能，其运算结果通过通信单元上发到上位机使机器人获得当前位置，通过JTAG接口可以方便地对DSP片内存储器进行在线烧写和仿真，电源与以上各部分连接。
本发明中的光电传感器基于反射式工作原理，通过内部发光二极管发出的光线照射传感器底部地面(或接触表面)，通过光学透镜组将该部分图像传输到传感器内部集成的图像分析芯片中，图像分析芯片对移动轨迹上的一系列图像进行分析处理，通过其上特征点位置变化来算出相对地面移动的距离和方向，其结果为四路代表X和Y方向和位置的信号，分别代表直角平面坐标系下两坐标轴方向下的移动距离，X方向的两路信号分别表示X正方向的位移和X负方向的位移，Y方向同理。工作时，首先光电传感器的信号经缓冲驱动芯片调理后通过数据线上发到DSP的信号捕获单元实现信号采集，然后存储在DSP片内存储器中的程序对采集的信号进行实时处理，得到该时刻机器人所处位置；为防止比赛地面偶尔的坑凹影响传感器信号的连续，当以上情况发生时程序采用曲线拟合算法推算失真时下一时刻的位置，达到平稳跟踪的目的；最后DSP运算结果通过通信硬件端口上发到上位机，实现与上位机的通信功能，使机器人获得该时刻所在的位置信息。
本发明相对机器人传统定位方案而言具有显著进步，包括1)、用光电传感器与DSP实现定位功能，系统简单、成本低，实时性好、准确可靠，并且可以和当前流行的基于DSP的电机控制系统(即机器人行走控制系统)共电路板和处理器，实现了电路简化与系统最小化原则。其工作原理防止了里程计定位中车轮打滑造成的误差，避免了视觉定位中视觉设备、传统PC+Windows(Unix或Linux)通用软硬件平台成本高、稳定性低、难以维护等缺点。
2)、对环境不敏感，在变换的自然光或环境色差下均可准确定位，符合足球机器人竞赛的发展趋势。
3)、定位装置缩入机器人底部，能适应机器人竞赛愈来愈激烈的对抗。
4)、由于工作稳定、准确，机器人利用此信息可实现良好的协作。
5)、本定位装置采取模块化设计，可独立实现定位功能，不受平台限制，移植性很强。
本发明不仅适用于全自主足球机器人竞赛项目，还可推广应用于定位精度要求高的各种机器人项目及类似要求的各种定位方案。
图1为本发明的光电定位装置结构及其在机器人车体的安装位置示意图。
图l中机器人车体1，传感器桥架机构2，桥架连杆3，两根桥架定位弹簧4、5，桥架底部平台6，桥架随动轮7，控制系统电路板8，光电传感器9。
图2为本发明控制系统结构框图，主要包括DSP数字信号处理器，光电传感器，缓冲驱动芯片，JTAG测试仿真接口，通信端口驱动芯片、通信硬件端口。
图3为本发明主程序流程图。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
如图1所示，本发明中，传感器桥架机构2通过桥架连杆3铰接在机器人车体1的底部，第一根桥架定位弹簧4一端压紧在机器人车体1的底部，另一端压紧桥架连杆3；第二根桥架定位弹簧5一端压紧桥架连杆3，另一端压紧桥架底部平台6；一组桥架随动轮7安装在桥架底部平台6上使其与地面保持固定距离，通过以上两根弹簧的压紧作用和随动轮7的限位作用使桥架底部平台始终平行地面并且与地面保持适当间距。光电传感器9安装在桥架底部平台6上，由于桥架底部平台6与地面保持间距使得光电传感器9也始终与地面保持适当间距从而正常工作。光电传感器9内部发光二极管发光照射传感器底部接触表面、光学透镜组将图像传输到内部图像分析芯片，通过对移动轨迹上一系列图像的计算得出移动距离和方向，输出四路正交编码信号(即代表X和Y方向的四路位置信号)，通过数据线上发到控制系统电路板8进行处理。
图2为本发明的控制系统结构框图，主要有DSP数字信号处理器，缓冲驱动芯片，JTAG测试仿真接口，通信端口驱动芯片，通信硬件端口。其中DSP单元主要特征为高速静态CMOS技术、电压降到3.3V功耗小、指令周期短(最短为33ns)从而具有很高的实时性，其片内的闪存存储器为非易失性存储器。本发明的定位计算程序即烧录在其内，通过JTAG接口(TI公司基于扫描的测试仿真接口)可以方便地对程序存储器进行在线烧写和仿真而无需插拔芯片，基于这种结构的本发明可脱离通用软硬件平台(如pc机、Windows、Linux、Unix等)直接实现定位、计算功能，其性价比和实时性都是普通定位系统无法比拟的。本实施例如图2所示光电传感器的四路信号经信号管脚输出，由信号线发送到缓冲驱动芯片，经缓冲驱动芯片调理后的信号经信号线输入DSP处理器的信号捕获单元实现信号采集；DSP处理器采集到的信号经片内存储器中的主程序计算后得出机器人即时所处位置，DSP处理器通过连接JTAG测试仿真接口实现在线烧录仿真功能，DSP处理器的计算结果经通信端口驱动芯片调理后送入通信硬件端口，从而实现与上位机通信、数据上发功能。
当光电定位装置工作时，首先安装在桥架底部平台6上的光电传感器9输出平面直角坐标系下X、Y两方向的四路信号，信号经传感器9的信号管脚输出、由信号线发送到缓冲驱动芯片，缓冲驱动芯片调理过的信号经信号线上发到DSP数字信号处理器的信号捕获单元，DSP处理器内部事件管理器模块的方向检测逻辑通过判断X或Y方向信号的先导序列来判断行走方向，DSP处理器内部的通用定时器以正交输入脉冲作为时钟基对信号进行计数。然后，DSP处理器内部存储器中烧录的定位计算程序基于捕获的信号进行计算处理，得出机器人当前在赛场上所处的位置，程序中的拟合算法模块用于在赛场偶尔出现凹坑、影响传感器信号连续性时进行拟合补偿运算，推算出下一点机器人应该到达的位置，以达到平稳跟踪的目的，以上计算结果经主程序逻辑判断后、其信号通过通信端口驱动芯片调理后发送到通信硬件端口，通信硬件端口将信号发送到上位机使机器人获得当前位置信息或用于多机器人间的协作。
图3为本发明的主程序流程图。本发明主程序用于计算机器人当前所在位置，其中拟合算法模块用于当赛场偶尔出现凹坑影响光电传感器信号时的路径补偿运算，推算出机器人下一点应该到达的位置以达平稳跟踪目的。如图3所示，程序控制过程为开始，首先系统初始化，初始化包括光电传感器、DSP信号处理器、缓冲驱动芯片以及通信端口驱动芯片和通信硬件端口；然后判断初始化是否成功，如未成功则返回初始化程序；初始化成功后，对是否进入比赛场地进行判断，如果未进入则返回判断程序延时等待；若机器人进入比赛场地，程序首先由机器人的进入点设置当前坐标系作为全局定位标准，当前坐标设置成功后激活信号采集流程对光电传感器的信号进行采集、调理；采集的信号经过DSP处理器内部存储器中程序的方向检测、计算等环节最后得到机器人当前在所建立坐标系下的位置；然后进入“判断传感器当前是否有信号？”环节(也可视为出现赛场凹坑时的判断环节)，如果下一个时钟周期上传感器信号是连续的，则判断为赛场状况良好且光电传感器工作正常，计算结果直接进入通信模块上发；如果下一个时钟周期上传感器停止上发信号，则进入“机器人是否处于行走状态？”环节(也可视为传感器信号停止原因判断环节)，系统由通信模块从上位机获取机器人当前是否行走的信息，如果机器人当前并未行走，则以上对机器人当前位置的计算结果是正确的，数据进入通信模块上发；如果机器人当前处于行走状态，则判断出当前赛场出现异常导致光电传感器无信号，程序进入拟合补偿算法，用曲线拟合算法推算出机器人按当前速度和方位应该到达的下一点位置，然后回到位置计算程序中进行数据更新，机器人越过凹坑后以更新后的数据为基准继续累加。此算法有效的减小了因场地问题带来的误差。最终结果数据进入通信模块上发，数据上发后程序返回信号采集流程，实现位置信息的即时更新、发送。
权利要求
1.一种基于数字信号处理器的足球机器人光电定位装置，其特征在于传感器桥架机构(2)通过桥架连杆(3)铰接在机器人车体(1)的底部，第一根桥架定位弹簧(4)一端压紧在机器人车体(1)的底部，另一端压紧桥架连杆(3)，第二根桥架定位弹簧(5)一端压紧桥架连杆(3)，另一端压紧桥架底部平台(6)，一组桥架随动轮(7)安装在桥架底部平台(6)上，使桥架底部平台(6)始终平行地面并且与地面保持间距，光电传感器(9)安装在桥架底部平台(6)上并始终与地面保持间距，光电传感器(9)输出代表X和Y方向的四路正交编码信号，通过数据线上发到控制系统电路板(8)进行处理，控制系统包括DSP数字信号处理器，缓冲驱动芯片，JTAG测试仿真接口，通信端口驱动芯片以及通信硬件端口，光电传感器的四路信号发送到缓冲驱动芯片，经缓冲驱动芯片调理后的信号经信号线输入DSP处理器的信号捕获单元实现信号采集，DSP处理器采集到的信号经片内存储器中的主程序计算后得出机器人即时所处位置，DSP信号处理器片内具可重复烧录的闪存存储器，通过连接JTAG测试仿真接口实现在线烧录，DSP处理器的计算结果经通信端口驱动芯片调理后送入通信硬件端口，实现与上位机通信及数据上发，使机器人获得当前位置信息。
全文摘要
本发明涉及一种基于数字信号处理器的足球机器人光电定位装置，由光电传感器、传感器桥架机构和控制系统组成，控制系统包括DSP数字信号处理器、缓冲驱动芯片、JTAG测试仿真接口、通信硬件端口和通信端口驱动芯片，传感器桥架机构安装在机器人底部并与地面压紧，光电传感器安装在传感器桥架机构上并保持与地面贴近，光电传感器的输出信号通过缓冲驱动芯片调理后发送到DSP的相应信号捕获单元实现信号采集，DSP处理器的计算结果经通信端口驱动芯片送入通信硬件端口，实现与上位机通信及数据上发，使机器人获得当前位置信息。本发明整套装置成独立模块，可脱离通用计算机软硬件平台独立完成定位工作，准确可靠、可移植性好、成本低。
文档编号G01S17/00GK1579587SQ20041001830
公开日2005年2月16日 申请日期2004年5月13日 优先权日2004年5月13日
发明者徐化, 曹其新, 陈卫东, 黄彦文 申请人:上海交通大学