【文章內(nèi)容簡介】 35 參考文獻(xiàn) 36 附 錄 37 致 謝 43 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 1 足球機(jī)器人的總體設(shè)計 1 1 足球機(jī)器人的總體設(shè)計 引言 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， 足球機(jī)器人的硬件設(shè)計 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)作為整個系 統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其性能好壞對整個起著至關(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也為電路的設(shè)計和后續(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)計采用集成度較高的 8051 單片機(jī)為核心來設(shè)計電路，它集成度高、性能穩(wěn)定、價格低、外圍擴(kuò)展電路豐富、 開發(fā)周期短等特點。 機(jī)器人的總體介紹 電氣設(shè)計要求具有以下功能：無線數(shù)字接收、電動驅(qū)動 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)動及接口電路 、 無線接電路 等主要控制電路 ；中層板是驅(qū)動及檢測板，放置電機(jī)驅(qū)動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)，兩個主動輪和兩個從動輪用于保持小車的穩(wěn)定運行以及場地灰度檢測傳感器，還有前端控球部件等。 機(jī)器 人在地面上移動的方式通常有三種：車輪式、履帶式和步行式。 步行移動方式模仿人類或動物的行走機(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)點是著地面積比車輪式焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 1 足球機(jī)器人的總體設(shè)計 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。 車輪式移動是最常見的一種地面行進(jìn)方式。車輪式移動的優(yōu)點是：能高速穩(wěn)定的移動，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，非常適合車輪運動，因此本設(shè)計選用車輪式運動方式。 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)作為動力驅(qū)動，可以達(dá)到比賽的要求。 單片機(jī)價格低廉，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)存儲器、程序存儲器輸入輸出設(shè)備。對于需要靈活機(jī)動，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。 傳感器元件及轉(zhuǎn)換元件選擇 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)計是該項比賽中最具特色內(nèi)容，它對機(jī)器人的核心設(shè)計 ― 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 1 足球機(jī)器人的總體設(shè)計 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)計采用并口技術(shù)。 機(jī)器人運行算法的構(gòu)想 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 ， 其難點在于找球的傳感器與地面方向的傳感器是相互獨立的兩套系統(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以適應(yīng)算法需要的想法無法實現(xiàn)。而本設(shè)計這是利用了外形可以自行設(shè)計的優(yōu)勢，通過加裝了一個 “ 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 1 足球機(jī)器人的總體設(shè)計 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，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 1 足球機(jī)器人的總體設(shè)計 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 1 足球機(jī)器人的總體設(shè)計 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 2 動力驅(qū)動及硬件電路設(shè)計 7 2 動力驅(qū)動及硬件電路設(shè)計 動力驅(qū)動部件與運動方式設(shè)計 在各種機(jī)電一體化設(shè)備中動力驅(qū)動部件與運動方式，是系統(tǒng)中最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是最終的實現(xiàn)者對系統(tǒng)各方面的性能有幾大的影響。一個好的，動力驅(qū)動部件，可以讓整個系統(tǒng)可以平穩(wěn)的運行，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)器人找一個好驅(qū)動方 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，左右兩輪為獨立驅(qū)動輪，其自轉(zhuǎn)中心于車體中心重合，適于在狹窄場地運行。其靈活性穩(wěn)定性都比較好。其缺點是前后輪不能同時著地，加速前進(jìn)時可能出現(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個操舵輪需要同一個操舵機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向， 增加了操舵轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，同時 為了減少后輪摩擦損焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 動力驅(qū)動及硬件電路設(shè)計 8 耗，配備了差動齒輪裝置，增加了機(jī)構(gòu)復(fù)雜性 。 綜合各種因素考慮，本設(shè)計采用圖 21所示的四輪配置方案 硬件電路設(shè)計 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)動部分。對每個部分的 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)計中根據(jù)實際情況的需要，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 2 動力驅(qū)動及硬件電路設(shè)計 9 圖 24 足球機(jī)器人模型 Figure 24 soccer robot model [3] — 8051 本設(shè)計選用了 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、程序存儲器 (ROM)、數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)、定時 /計數(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)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作 。 數(shù)據(jù)存儲器 (RAM) 8051 內(nèi)部有 128 個 8 位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和 128 個專用寄存器單元，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，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。 程序存儲器 (ROM) 8051共有 4096 個 8位掩膜 ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 定時 /計數(shù)器 (ROM) 8051 有兩個 16 位的可編程定時 /計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(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，有兩個外中斷、兩個定時 /計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有 2級的優(yōu)先 級別選擇。 時鐘電路 8051 內(nèi)置最高頻率達(dá) 12MHz 的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機(jī)運行的脈沖時序，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，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛結(jié)構(gòu) 原理 ，另一種是采用通用計算機(jī)廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結(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 2 動力驅(qū)動及硬件電路設(shè)計 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 個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根， 4組 8位共 32個 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 個時鐘周期寬度以上，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， ALE作低八位地址的鎖存控制信號。平時不訪問片外存貯器時，該端以六分之一的時鐘振蕩頻率固定輸出脈沖。 ALE 端負(fù)載驅(qū)動能力為 8 個 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 2 動力驅(qū)動及硬件電路設(shè)計 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， CPU取指令從片內(nèi)程序存貯器自動順延至片外程序存貯器。 /EA 端接低電平時， 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)程序存貯器編程時的編程電壓。