【文章內(nèi)容簡介】 36 附 錄 37 致 謝 43 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 足球機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 1 1 足球機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 機(jī)器人競賽是近年來 國際 上迅速開展起來的一種高 科技對抗活動(dòng)， 足球機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì) 它涉及人工智能、智能控制、機(jī)器人、通訊、傳感及機(jī)構(gòu)等多個(gè)領(lǐng)域的前沿研 究和技術(shù)融合。它集高技術(shù)、娛樂和比賽于一體，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注和極大興趣。目前，國際上推出了各種不同類型的機(jī)器人比賽，如機(jī)器人足球、機(jī)器人舞蹈、機(jī)器人相撲、機(jī)器人投籃等，其中尤以機(jī)器人足球比賽最為引人注目。 足球機(jī)器人小車系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其性能好壞對整個(gè)起著至關(guān)重要的作用。早期微型足球機(jī)器人采用分立元件控制 [1]，這基本可以滿足一般訓(xùn)練和比賽的要求，但也暴露很多的問題，例如運(yùn)算速度太慢，可靠性低，經(jīng)常出現(xiàn)故障等等，隨著硬件水平的不斷提高，越來越多的國內(nèi)外更高性高的解決方案，如采用 DSP 的 方式可以提高運(yùn)算速度和控制精度，但是由于 DSP 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用這種方式的同時(shí)也為電路的設(shè)計(jì)和后續(xù)的開發(fā)和擴(kuò)展工作帶來了很大的困難。因此本次設(shè)計(jì)采用集成度較高的 8051 單片機(jī)為核心來設(shè)計(jì)電路，它集成度高、性能穩(wěn)定、價(jià)格低、外圍擴(kuò)展電路豐富、開發(fā)周期短等特點(diǎn)。 電氣設(shè)計(jì)要求具有以下功能：無線數(shù)字接收、電動(dòng)驅(qū)動(dòng) 及調(diào)速、紅外檢測 、障礙、智能協(xié)調(diào)控制等。采取了 雙層 PCB 板結(jié)構(gòu)，各 部件 通過 屏障 電纜連接，金屬框架結(jié)構(gòu)。上層板是 CPU 板 、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、 放置電機(jī)驅(qū)動(dòng)及接口電路 、 無線接電路 等主要控 制電路 ；中層板是驅(qū)動(dòng)及檢測板，放置電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路及紅外檢測線路；底層板是電源與電機(jī)板，放置兩路電源，兩套電機(jī)及減速系統(tǒng)，兩個(gè)主動(dòng)輪和兩個(gè)從動(dòng)輪用于保持小車的穩(wěn)定運(yùn)行以及場地灰度檢測傳感器，還有前端控球部件等。 機(jī)器人在地面上移動(dòng)的方式通常有三種：車輪式、履帶式和步行式。 步行移動(dòng)方式模仿人類或動(dòng)物的行走機(jī)理，用腿腳走路，對環(huán)境適應(yīng)性好，智能程度也相對較高。正因如此，步行移動(dòng)方式在機(jī)構(gòu)和控制上是最復(fù)雜的，技術(shù)上也還不成熟，不適于在要求靈活和可靠性高的比賽中。 履帶式實(shí)際是一種自己為自 己鋪路的輪式車輛。它是將環(huán)狀循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車輪不直接與地面接觸。履帶式的優(yōu)點(diǎn)是著地面積比車輪式焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 足球機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 2 大，所以 對 地壓強(qiáng)??；另外與路面黏著力強(qiáng)，能吸收較小的凸凹不平，適于松軟不平的地面。因此，履帶式廣泛用在各類建筑機(jī)械及軍用車輛上。 車輪式移動(dòng)是最常見的一種地面行進(jìn)方式。車輪式移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：能高速穩(wěn)定的移動(dòng)，能量利用效率高，機(jī)構(gòu)和控制簡單，而且技術(shù)比較成熟。它的缺點(diǎn)是對路面要求較高，適于平整硬質(zhì)路面。 在機(jī)器人足球比賽中，場地為室內(nèi)光滑平整地面，非常適合車輪運(yùn)動(dòng)，因此本設(shè)計(jì)選用車輪式運(yùn)動(dòng)方式。 機(jī)器人電路硬件選擇 根據(jù)規(guī)則所描述，要求機(jī)器人尺寸較為小巧，直徑為 22cm，并且不允許人工干設(shè)其操作，需要自動(dòng)控制。因此選用單片機(jī)為核心的控制器件，小型直流電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，可以達(dá)到比賽的要求。 單片機(jī)價(jià)格低廉，體積小巧，一般為 20 引腳或 40 引腳封裝，其中包括了中央處理器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器輸入輸出設(shè)備。對于需要靈活機(jī)動(dòng)，精度要求不高，有可擴(kuò)展性及程序可擦寫和簡單成熟的編程平臺(tái)等要求，單片機(jī)不失為最合適的選擇。 電機(jī)選擇方面，考慮到機(jī)器人本身自重不大，必且場地尺寸有限，可選用小型直流伺服電機(jī)，可用電樞 電壓作為速度控制信號，但必須加裝減速箱以適應(yīng)低轉(zhuǎn)速和大扭矩的應(yīng)用環(huán)境。 通過對比賽規(guī)則的解讀可以發(fā)現(xiàn)，對于球和場地基板的設(shè)計(jì)是該項(xiàng)比賽中最具特色內(nèi)容，它對機(jī)器人的核心設(shè)計(jì) ― 傳感器以及比賽的方式產(chǎn)生了決定性的影響。 發(fā)出紅外光的足球意味著機(jī)器人必須有紅外傳感器來對其進(jìn)行檢測。紅外線波長介于可見光和無線電波之間，大約 — 1000nm，而光電傳感器其所用到的波長選擇在近紅外區(qū)，即 — 1000nm。常用的紅外線接收元件為光電二極管和光電三極管。它們可以將接收到的光 變化轉(zhuǎn)變的電流變化 [2]。 比賽的場地圖紙為縱向的黑白灰度漸變，這意味著機(jī)器人對進(jìn)攻方向作出正確判斷必須要能讀出場地的灰度變化信息。要實(shí)現(xiàn)這一功能，則要用到紅外光電反射式傳感器。該元件由紅外發(fā)光管和接受管組成。發(fā)光管材料一般為砷化鉀半導(dǎo)體，發(fā)光波長范圍在 — 1500 nm，小功率的管壓降 — ，平均工作電焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 足球機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 3 流 20— 50mA，紅外發(fā)管有指向角，光軸，波長，輝度等性能指標(biāo)。紅外接收管可用上述光電二極管或三極管。 紅外元件所接收的信號，根據(jù)情況的需要，要進(jìn)行模擬 數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，因此需要 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 ， A/D 轉(zhuǎn)換的選擇要根據(jù)所選用的單片機(jī)來確定。本文所選用的51 系列單片機(jī)， 為了提高數(shù)據(jù)處理速度和控制精度，本次設(shè)計(jì)采用并口技術(shù)。 對比賽過程的規(guī)則進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，比賽的進(jìn)行與真實(shí)的足球比賽的思維過程是一致的，機(jī)器人需要完成下述動(dòng)作循環(huán) （如圖 11）。 圖 11足 球車機(jī)器人的算法 Figure 11 soccer robot vehicles algorithm 然而在這一過程中 最關(guān)鍵 的一步是把球攻進(jìn)正確的球門 ， 其難點(diǎn)在于找球的傳感器與地面方向的傳感器是相互獨(dú)立的兩套系統(tǒng)，怎樣才能讓機(jī)器人判斷當(dāng)前狀態(tài)是找球過程還是在帶球進(jìn)攻過程。如果單獨(dú)執(zhí)行找球程序，讓機(jī)器人跟隨球的方向前進(jìn)，很有可能把球撞入己方球門；如果單獨(dú)執(zhí)行方向判斷程序，機(jī)器人則無法知道當(dāng)前球的位置，有可能在沒有控球的情況下沖向?qū)Ψ角蜷T而造成無效的進(jìn)攻。 怎樣解決找球程序和進(jìn)攻方向判斷程序的銜接，避免烏龍球 和無效的進(jìn)攻，這是算法設(shè)計(jì)要解決的重要問題。然而筆者查閱過一些相關(guān)資料，一直沒有找令人滿意的算法解決方案。 由于機(jī)器人套件的外形限制，在外形上做一些改動(dòng)以適應(yīng)算法需要的想法無法實(shí)現(xiàn)。而本設(shè)計(jì)這是利用了外形可以自行設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，通過加裝了一個(gè) “ 持球探測臂 ” 來解決算法上找球程序和進(jìn)攻方向判斷程序的銜接的問題。 參考圖如圖12所示。 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 足球機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 4 圖 12 足球機(jī)器人模型 Figure 12 soccer robot model 由圖可知 ，當(dāng)機(jī)器人尋找到球，并把球控制在控球板內(nèi)時(shí)，持球探測臂上垂直向下的持球傳感器將接收到紅外信號并轉(zhuǎn)換為電流變化。利用該信號作為是否持球的判斷標(biāo)志，單片機(jī)不斷查詢該標(biāo)志位。若該標(biāo)志位無信號反饋，則說明機(jī)器人沒有控球，執(zhí)行找球程序；若該標(biāo)位有信號反饋，則說明已經(jīng)控球，則執(zhí)行進(jìn)攻方向判斷及帶球進(jìn)攻程序。 簡要流程如圖 13所示： 圖 13 簡要流程圖 Figure 13 brief flow chart 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 足球機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 5 用繪圖軟件做小車模型如圖 14所示： 圖 14 小車內(nèi)部結(jié)構(gòu) Figure 14 car internal structure 各零部件的介紹如圖 15(a)、 (b)、 (c)所示： 圖 a 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 足球機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 6 圖 b 圖 c 圖 15 各零部件圖 Figure 15 various spare parts chart 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)及硬件電路設(shè)計(jì) 7 2 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)及硬件電路設(shè)計(jì) 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部件與運(yùn)動(dòng)方式設(shè)計(jì) 在各種機(jī)電一體化設(shè)備中動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部件與運(yùn)動(dòng)方式，是系統(tǒng)中最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是最終的實(shí)現(xiàn)者對系統(tǒng)各方面的性能有幾大的影響。一個(gè)好的，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部件，可以讓整個(gè)系統(tǒng)可以平穩(wěn)的運(yùn)行，并且有高的靈敏性和反應(yīng)速度。足球機(jī)器人也不例外，因此為機(jī)器人找一個(gè)好驅(qū)動(dòng)方式，是必需的。 2． 2 機(jī)器人的車輪配置和操舵方式 常用的車輪配置有多種：二輪配置、三輪配置、四輪配置等幾種 二輪配置通常是在自行車等些簡單的要求不高的機(jī)械中運(yùn)用，顯然不合適我們的足球機(jī)器人。 三輪配置 機(jī)器人車體配置結(jié)構(gòu)雖然簡單，但穩(wěn)定性差， 遇到?jīng)_撞容易傾倒，與 三 輪 配置 相比， 四 輪 配置的 穩(wěn)定性更 好，四輪 輪典型配置有如 下 兩種 。 圖 21 四 輪 典型配置一 Figure 21 allocation of a typical fourwheel 如圖 21 組合為前后輪為萬向腳輪，左右兩輪為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪，其自轉(zhuǎn)中心于車體中心重合，適于在狹窄 場地運(yùn)行。其靈活性穩(wěn)定性都比較好。其缺點(diǎn)是前后輪不能同時(shí)著地，加速前進(jìn)時(shí)可能出現(xiàn)俯沖。 圖 22 四 輪 典型配置二 Figure 22 The four typical configuration 圖 22 的 配置方式是常見的所謂汽車配置方式，車的穩(wěn)定性較高。 2 個(gè)操舵輪需要同一個(gè)操舵機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向 ， 增加了操舵轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，同時(shí) 為了減少后輪摩擦損焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)及硬件電路設(shè)計(jì) 8 耗，配備了差動(dòng)齒輪裝置，增加了機(jī)構(gòu)復(fù)雜性 。 綜合各種因素考慮，本設(shè)計(jì)采用圖 21 所示的四輪配置方案 硬件電路設(shè)計(jì) 本章按照機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊，把本機(jī)器人分解為主控部分，傳感器部分， AD轉(zhuǎn)換部分，電源供電部分以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分。對每個(gè)部分的器件選用，主要功能以及各部分所組合成的總體系統(tǒng)作了分析介紹。 機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 按照現(xiàn)代機(jī)器人理論，機(jī)器人分為機(jī)械手，環(huán)境，任務(wù)和控制器 4 個(gè)相互作用的部分。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 如 圖 23 所示 ： 圖 23 現(xiàn)代 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型 Figure 23 model of the structure of the modern robot 在本設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際情況的需要，對以上模型進(jìn)行了簡化，得到 如 24 所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 ： 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)及硬件電路設(shè)計(jì) 9 圖 24 足球機(jī)器人模型 Figure 24 soccer robot model 主控部分硬件電路 [3] 主控部分硬件 — 8051 本設(shè)計(jì)選用了 Intel 公司生產(chǎn)的 8051 單片機(jī)作為控制器。 8051 單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器 (ROM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別 加以說明： 中央處理器 中央處理器 (CPU)是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理 8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼， CPU 負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作 。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM) 8051 內(nèi)部有 128 個(gè) 8 位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和 128 個(gè)專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的 RAM 只有 128 個(gè)，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。 程序存儲(chǔ)器 (ROM) 8051 共有 4096 個(gè) 8位掩膜 ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 (ROM) 8051 有兩個(gè) 16 位的可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。 中斷系統(tǒng) 8051 具備較完善的中斷功能，有兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有 2 級的優(yōu)先級別選擇。 時(shí)鐘電路 8051 內(nèi)置最高頻率達(dá) 12MHz 的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序，但 8051 單片機(jī)需外置振蕩電容 。 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開的形式，即哈佛結(jié)構(gòu) 原理 ，另一種是采用通用計(jì)算機(jī)廣泛使用的程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合二為一的結(jié)構(gòu)，即 馮諾依曼 結(jié)構(gòu) 原理。 INTEL 的 MCS51 系列單片機(jī)采用的是哈佛焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)及硬件電路設(shè)計(jì) 10 結(jié)構(gòu)的形式 。 圖 2— 5 單片機(jī)封裝圖形 Figure 25 SCM Packaging Graphics MCS51 系列單片機(jī)中的 803 8051 及 8751 均采用 40Pin 封裝的雙列直接 DIP結(jié)構(gòu)，右圖是它們的引腳配置， 40 個(gè)引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根， 4組 8位共 32 個(gè) I/O 口，中斷口線與 P3 口線復(fù)用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說 明 [4]： (1)主電源引腳 Vcc 和 Vss Vcc（ 40 腳）：主電源接＋ 5V Vss（ 20 腳）：接地 (2)時(shí)鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2 XTAL2（ 18 腳）：接外部晶體振蕩器的一端。片內(nèi)是一個(gè)振蕩電路反相放大器的輸出端。 XTAL1（ 19 腳）：接外部晶體振蕩器的另一端。片內(nèi)是一個(gè)振蕩電路反相放大器的輸入端。 (3)控制信號 RST/Vpd、 ALE/(/PROG) 、 / PSEN 和 (/EA)/Vpp RST/Vpd（ 9 腳）：復(fù)位端。高電平有效，寬度在 24 個(gè)時(shí)鐘周期寬度以上，使單片機(jī)復(fù)位。該引腳有復(fù)用功能， Vpd為備用電源輸入端，防止主電源掉電。 ALE/（ /PROG）（ 30腳）：地址鎖存信號端。訪問片外存貯器時(shí)， ALE 作低八位地址的鎖存控制信號。平時(shí)不訪問片外存貯器時(shí)，該端以六分之 一的時(shí)鐘振蕩頻率固定輸出脈沖。 ALE 端負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力為 8 個(gè) LSTTL 門。該引腳有復(fù)用功能， 為片內(nèi)程序存貯器編程（固化）的編程脈沖輸入。 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)及硬件電路設(shè)計(jì) 11 /PSEN（ 29腳）：片外程序存貯器讀選通信號端。負(fù)載能力為 8LSTTL 門。 (/EA)/Vpp（ 31腳）： /EA端接高電平時(shí)， CPU 取指令從片內(nèi)程序存貯器自動(dòng)順延至片外程序存貯器。 /EA 端接低電平時(shí)， CPU 僅從片外程序存貯器取指令。該引腳有復(fù)用功能， Vpp 為片內(nèi)程序存貯器編 程時(shí)的編程電壓。 (4)輸入 /輸出引腳 P0、 P P2 和 P3 口 ～ （ 39～ 32 腳）：訪問片外存貯器時(shí)作為低八位地址線和八位數(shù)據(jù)線（復(fù)用）。負(fù)載能力為 8 個(gè) LSTTL 門。 ～ （ 1～ 8腳）： 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口。負(fù)載能力為 3個(gè) LSTTL 門。 ～ （ 21～ 28腳）：訪問片外存貯器時(shí)作為高八位地址線。 ～ （ 10～ 17 腳）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O