張丙煬，許赟昊，于學(xué)海

(1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804;2.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

1 引言

足球機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究課題之一，其研究極富挑戰(zhàn)性［1］。足球機(jī)器人比賽一般具有較高的對(duì)抗性，所以對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬軟件系統(tǒng)有著更高的技術(shù)要求。足球機(jī)器人為機(jī)器人足球比賽的具體執(zhí)行者，其主要功能是根據(jù)程序和算法判斷并實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)指令在一定時(shí)間內(nèi)要求實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作。在準(zhǔn)確接收到運(yùn)動(dòng)指令后，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確度主要取決于機(jī)器人本身，包括其控制系統(tǒng)的控制精度、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度以及足球機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性等［2］。輪式足球機(jī)器人作為足球機(jī)器人中最常見的一種［3］，具有控制簡(jiǎn)單、傳動(dòng)準(zhǔn)確、啟停迅速、轉(zhuǎn)向靈活、速度快等優(yōu)點(diǎn)，一直被國(guó)內(nèi)外足球機(jī)器人比賽參賽者所采用。

目前常見的輪式足球機(jī)器人主要有以下幾種形式:①兩輪驅(qū)動(dòng)式;②履帶式;③全方位式［2］。其中兩輪驅(qū)動(dòng)式機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但容易產(chǎn)生動(dòng)力不足的問題，在足球比賽正面沖撞對(duì)抗中往往不能占得優(yōu)勢(shì)。履帶式機(jī)器人傳動(dòng)精確，通過性強(qiáng)，但速度靈活性較低。全方位機(jī)器人采用特殊的車輪結(jié)構(gòu)和布置，可實(shí)現(xiàn)各類平面運(yùn)動(dòng)，具有動(dòng)作靈活、轉(zhuǎn)向自如的特點(diǎn)，但其復(fù)雜性也較大地增加了控制難度和制造成本。筆者設(shè)計(jì)的機(jī)器人同時(shí)考慮到了三種常見輪式足球機(jī)器人形式的優(yōu)缺點(diǎn)，采用四電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)，且兩側(cè)電機(jī)組獨(dú)立控制，提高了控制的精確性與運(yùn)動(dòng)的靈活性。同時(shí)，在控制系統(tǒng)、射門裝置和車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面均做出了一定的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了線性調(diào)速與連續(xù)射門的功能，進(jìn)一步提升了機(jī)器人性能。

2 設(shè)計(jì)要求

文中的足球機(jī)器人主要針對(duì)同濟(jì)大學(xué)第六屆創(chuàng)意機(jī)器人挑戰(zhàn)賽要求設(shè)計(jì)。比賽主題為1V1足球機(jī)器人對(duì)抗賽，比賽機(jī)器人尺寸要求能夠?qū)⒆钚∷酵队跋拗圃?00 mm×300 mm的矩形區(qū)域內(nèi)，比賽用球?yàn)橹睆郊s67 mm的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)球。

比賽中所用的球門采用創(chuàng)新的三層式設(shè)計(jì)，從底層至頂層進(jìn)球后分別記1、3、5分。由此可見，要想在比賽中獲得較高的分?jǐn)?shù)以保證競(jìng)爭(zhēng)力，足球機(jī)器人必須具有可連續(xù)射門的機(jī)械結(jié)構(gòu)。此外，為保證機(jī)器人在場(chǎng)地中控球、轉(zhuǎn)向的靈活性以及良好的操控性，機(jī)器人還應(yīng)具有線性調(diào)速功能。

3 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的足球機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)分為發(fā)射裝置層與驅(qū)動(dòng)控制層上下兩層，兩層之間用5 mm厚有機(jī)玻璃板隔開，并通過數(shù)據(jù)線相連接。下面分別敘述兩層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

(1)驅(qū)動(dòng)控制層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 足球機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制層的結(jié)構(gòu)和布置如圖1所示。設(shè)計(jì)目標(biāo)為保證尺寸要求，合理安排各控制和驅(qū)動(dòng)單元的布局位置，同時(shí)使機(jī)器人具有一定的強(qiáng)度，以適應(yīng)比賽中可能遇到的對(duì)抗與撞擊。驅(qū)動(dòng)控制層框架結(jié)構(gòu)由底盤和側(cè)板組成，底盤和側(cè)板零件由6 mm鋁合金板CNC數(shù)銑加工而成，保證了車身整體強(qiáng)度。底盤上裝有控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、12 V直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及65 mm鋁合金輪轂輪胎四大單元。底盤前部帶尖凹槽為控球結(jié)構(gòu)。

圖1 控制驅(qū)動(dòng)層結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)控制層整體上采用了對(duì)稱設(shè)計(jì)，使重心位于底盤幾何中心附近，保證了機(jī)器人小車原地旋轉(zhuǎn)時(shí)旋轉(zhuǎn)中心也位于中心位置。驅(qū)動(dòng)控制層重量約占整個(gè)機(jī)器人的70%，這就使機(jī)器人車體獲得了較低重心位置，從而提高了機(jī)器人的穩(wěn)定性。

(2)發(fā)射裝置層設(shè)計(jì) 發(fā)射裝置層的結(jié)構(gòu)和布置如圖2所示。發(fā)射裝置層主要由機(jī)械臂和發(fā)射裝置兩部分組成。其中機(jī)械臂由舵機(jī)控制，其功能是將球抬起并通過導(dǎo)軌收入發(fā)射筒中，為發(fā)射做好準(zhǔn)備。發(fā)射裝置由發(fā)射筒、蓄力裝置、導(dǎo)向定滑輪、卷揚(yáng)伺服電機(jī)和電磁鐵觸發(fā)器等單元組成，其作用是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的連續(xù)射門功能。

圖2 發(fā)射裝置層結(jié)構(gòu)

根據(jù)中場(chǎng)和點(diǎn)球點(diǎn)處分別攻入3分，5分門原則，發(fā)射筒仰角可按下式設(shè)計(jì):

式中:v為出射速度，此處取v=4～5m/s;α為發(fā)射仰角;l3和l5分別為中場(chǎng)和點(diǎn)球點(diǎn)距球門水平距離;h3，h5分別為3分、5分球門高度。根據(jù)計(jì)算結(jié)果取發(fā)射筒仰角為45°，并在蓄力裝置中采用內(nèi)徑1.6 mm，外徑3.2 mm的乳膠皮筋。

(3)連續(xù)射門功能的實(shí)現(xiàn) 連續(xù)射門功能由循環(huán)發(fā)射程序控制與實(shí)現(xiàn)，其基本工作原理為:打開機(jī)器人電源開關(guān)，發(fā)射裝置即初始化，發(fā)射程序開始運(yùn)行。卷揚(yáng)伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)工作，將高強(qiáng)度尼龍繩繞上繞線軸，同時(shí)通過導(dǎo)向滑輪將與尼龍線相連的發(fā)射擋板下拉，此時(shí)擋板上安裝的皮筋從導(dǎo)軌中伸長(zhǎng)蓄能。當(dāng)擋板下拉130 mm行程時(shí)，掛鉤恰好勾住觸發(fā)桿鎖定裝置，同時(shí)電機(jī)開始反轉(zhuǎn)相同的圈數(shù)，將彈射所需行程轉(zhuǎn)出。完成以上準(zhǔn)備工作后，按下發(fā)射按鈕，電磁鐵通電，其鐵心帶動(dòng)觸發(fā)桿右移15 mm，將掛鉤脫出觸發(fā)，皮筋彈力即將球射出發(fā)射筒，然后電磁鐵斷電復(fù)位。完成上述一套發(fā)射動(dòng)作后，程序自動(dòng)開始下一次循環(huán)并為下一次發(fā)射做好準(zhǔn)備。

實(shí)驗(yàn)表明，通過精確調(diào)整卷揚(yáng)伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)時(shí)間，發(fā)射裝置可在不進(jìn)行調(diào)零操作的情況下至少連續(xù)射門120次以上而不出現(xiàn)較大誤差，這一數(shù)字完全滿足單場(chǎng)比賽的要求。

4 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

足球機(jī)器人控制系統(tǒng)總體框圖如圖3所示。12 V鋰電池為控制器、遙控接收模塊、電機(jī)和電磁鐵供電。遙控接收模塊接收來自遙控器的控制信號(hào)并將信號(hào)解碼傳輸至控制器。控制器根據(jù)具體信號(hào)內(nèi)容控制各驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而控制機(jī)器人動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)最小系統(tǒng)版采用了STC12C56XXAD系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)處理控制。系統(tǒng)總體電路接線圖如圖4所示。下面分別介紹各模塊的設(shè)計(jì)。

圖3 控制系統(tǒng)總體框圖

圖4 系統(tǒng)電路接線圖

(1)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)控制器接受到的控制指令，并驅(qū)動(dòng)左右兩組電機(jī)完成控制指令要求的動(dòng)作(如前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向和原地旋轉(zhuǎn)等)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人應(yīng)具有線性無級(jí)調(diào)速功能，所以電機(jī)采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)來驅(qū)動(dòng)。左右驅(qū)動(dòng)電路采用英飛凌BTN7971B芯片組建雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，依靠通道選擇器74LS157芯片實(shí)現(xiàn)電機(jī)換向。

使用BTN7971B電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的理由:①芯片的內(nèi)部阻抗極低，具有極高的驅(qū)動(dòng)力，滿足大功率電機(jī)的供電需求;②由于電機(jī)在較為惡劣的環(huán)境下工作(長(zhǎng)時(shí)間通電、堵轉(zhuǎn)、被迫反轉(zhuǎn)等)，對(duì)于驅(qū)動(dòng)橋電路的各方面性能要求較高;③該芯片電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易、使用簡(jiǎn)單、便于診斷錯(cuò)誤。

(2)遙控接收模塊 遙控接收模塊采用8通道RG831B接收機(jī)和與接收器相連的RA01T資料發(fā)射器。資料發(fā)射器可將機(jī)器人狀態(tài)數(shù)據(jù)傳回遙控器發(fā)射機(jī)，實(shí)現(xiàn)與遙控器的雙向傳輸。之后可通過所用7通道NET-K337G遙控器的液晶屏幕及時(shí)對(duì)控制參數(shù)做出監(jiān)視和微調(diào)。遙控接收機(jī)主要有兩個(gè)功能:①直接接收并傳輸遙控器指令控制機(jī)械臂舵機(jī)，提高了機(jī)械臂的控制響應(yīng)速度和實(shí)時(shí)性;②接收遙控器信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換成PWM傳至單片機(jī)。同時(shí)RG831B接收機(jī)還具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):①2.4 GHz數(shù)字信號(hào)傳輸，自動(dòng)跳頻，抗干擾能力強(qiáng);②使用差分天線提高了靈敏度。

(3)最小系統(tǒng)版 機(jī)器人控制器采用最小系統(tǒng)板搭載STC12C5608AD單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。采用STC 12系列單片機(jī)進(jìn)行處理控制相比傳統(tǒng)單片機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì):①STC12C5 608AD單片機(jī)處理速度為傳統(tǒng)51單片機(jī)的12倍［4］，保證了控制的靈敏性和實(shí)時(shí)性;②具有4路獨(dú)立硬件PWM，減少資源消耗;③內(nèi)置8路高速A/D轉(zhuǎn)換，大大提高了控制運(yùn)動(dòng)精度［4］;④內(nèi)置PCA捕獲模塊和高精度定時(shí)器，提高了PWM信號(hào)的讀取精度。

(4)電源模塊 為使控制器供電與電機(jī)、電磁鐵供電互不影響干擾，采用電源隔離措施。該機(jī)器人電磁鐵使用繼電器控制，從而達(dá)到了電氣隔離的效果。電源模塊采用LT3971開關(guān)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓，其開關(guān)頻率可達(dá)2 MHz，能有效減少電壓波紋，降低沖擊，同時(shí)其最高效率可達(dá)96%，可有效降低能耗。

(5)線性調(diào)速功能的實(shí)現(xiàn) 機(jī)器人的線性調(diào)速功能由PWM信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)，在線性調(diào)速過程中需要系統(tǒng)各單元之間的相互協(xié)調(diào)配合。線性調(diào)速的原理是通過改變PWM信號(hào)的占空比，從而以線性升高或降低電機(jī)電樞電壓。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速與電樞電壓成正線性相關(guān)，改變占空比即可達(dá)到線性升高或降低電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的［5］。線性調(diào)速的步驟:①遙控接收器在接收到遙控信號(hào)后將其轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)傳輸至單片機(jī);②單片機(jī)將PWM信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;③單片機(jī)向轉(zhuǎn)向邏輯模塊(TLM)輸出兩路獨(dú)立的PWM信號(hào);④邏輯模塊分別向左右驅(qū)動(dòng)電路傳輸各自的PWM信號(hào);⑤驅(qū)動(dòng)模塊控制左右兩側(cè)電機(jī)在對(duì)應(yīng)其PWM信號(hào)的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

實(shí)際測(cè)試表明，由于采用了合理的控制電路設(shè)計(jì)方案，該足球機(jī)器人的線性調(diào)速功能實(shí)現(xiàn)良好，且具有響應(yīng)快、精度高、調(diào)速范圍大的特點(diǎn)。

5 程序設(shè)計(jì)

該機(jī)器人設(shè)計(jì)控制程序是在STC12C56XXAD系列單片機(jī)開發(fā)調(diào)試環(huán)境Keil uVision3下使用C語言編譯而成的。程序主體為控制器程序，程序流程如圖5所示。其中初始化過程記錄各通道初始值，并執(zhí)行伺服電機(jī)復(fù)位動(dòng)作;3個(gè)通道分別為前后、左右的線性通道和一個(gè)控制發(fā)射的開關(guān)通道;短暫延時(shí)是為了防止程序執(zhí)行速度過快，通道捕捉中斷來不及響應(yīng)而添加的。

圖5 程序流程圖

6 結(jié)語

筆者從機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和程序算法三方面分析和給出了一種新的足球機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)途徑。該足球機(jī)器人由四電機(jī)驅(qū)動(dòng)，無線電遙控操作，采用STC12C56型單片機(jī)控制，具有控球、連續(xù)射門和線性調(diào)速功能。在已結(jié)束的2013年同濟(jì)大學(xué)第六屆創(chuàng)意機(jī)器人挑戰(zhàn)賽中，該足球機(jī)器人憑借優(yōu)異的表現(xiàn)獲得了冠軍。實(shí)踐證明，該足球機(jī)器人在實(shí)戰(zhàn)中運(yùn)動(dòng)靈活、響應(yīng)迅速、控球穩(wěn)定、射門精準(zhǔn)、操作簡(jiǎn)便且功能完善，具有優(yōu)于同類足球機(jī)器人的性能。

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