双足竞步机器人技术总结报告.doc

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：
发布日期：2021-8-20
审 核 人：
批 准 人：

• 引言
2021年中国机器人大赛已经结束，回忆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和总结，并提出改良方案，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，比拟晃。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拟高，导致机器人重心比拟高，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，这也是造成机器人走路不稳定的原因。
• 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，宽度为的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比拟，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。
电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，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。

• 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缺乏
控制板供电电源电压缺乏，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左右，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，其控制的角度精度是可以到达180/1024度，约度，从时间上看其实要求的脉宽控制精度为2000/1024us，约2us。
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和步进计数器，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；
那么：
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响区比拟大，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：

此原理图比拟简单，没有什么原理性的东西，也没有做隔离和保护，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电压，满足EPM1270的供电需求；复位是直接通过一电阻拉到地上，进行低电平复位；时钟模块是一有源晶振，接上电源后就可以起振；其他都是接口。
在调试过程中，有一段时间，老烧电路板，每次烧的都是CPLD芯片，从CPLD手册上查得：

芯片供电时，I/O口的单端输出电压为

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，烧板子的原因可能是：
1.电平不匹配。
CPLD输出电平电压为，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拟大时负载过重，导致CPLD烧坏。
2.电流回流和尖峰脉冲
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，假设多个舵机同时转，且转的角度比拟大时，各舵机自身产生的电流聚集到一起应该是表较大的，假设电流倒流入电路板，电路板可能因电流过大而烧坏；另一点就是尖峰脉冲，舵机在转的过程中假设产生尖峰脉冲，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根底上加以改良，比方在机器人高度上，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，和结构的合理性，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。
• 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，又能防止舵机的抖动；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。
• 电流回流和尖峰脉冲
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,舵机控制信号和驱动电路应光耦光电隔离, 将信号隔开，防止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，施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，它是具有滞后特性的数字传输门，且受电源限制，可对输入波形进行变换和整形；另外，还可以采用通过比拟器整形的方法来消除毛刺比方用LM324，LM393等。
• 电路板制作工艺
在今后做板的时候应该加强阻焊和助焊这两道工序，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，并提出解决方法，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。
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