【正文】 構(gòu)雖然簡(jiǎn)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。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。簡(jiǎn)要流程如圖13所示：圖13 簡(jiǎn)要流程圖Figure 13 brief flow chart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 圖b圖c圖15 各零部件圖Figure 15 various spare parts chart44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)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(duì)系統(tǒng)各方面的性能有幾大的影響。利用該信號(hào)作為是否持球的判斷標(biāo)志，單片機(jī)不斷查詢?cè)摌?biāo)志位。參考圖如圖12所示。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)。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。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。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)。紅外接收管可用上述光電二極管或三極管。該元件由紅外發(fā)光管和接受管組成。比賽的場(chǎng)地圖紙為縱向的黑白灰度漸變，這意味著機(jī)器人對(duì)進(jìn)攻方向作出正確判斷必須要能讀出場(chǎng)地的灰度變化信息。常用的紅外線接收元件為光電二極管和光電三極管。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(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。電機(jī)選擇方面，考慮到機(jī)器人本身自重不大，必且場(chǎng)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(hào)，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。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。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。它的缺點(diǎn)是對(duì)路面要求較高，適于平整硬質(zhì)路面。車輪式移動(dòng)是最常見的一種地面行進(jìn)方式。履帶式的優(yōu)點(diǎn)是著地面積比車輪式大，所以對(duì)地壓強(qiáng)小；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。履帶式實(shí)際是一種自己為自己鋪路的輪式車輛。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(duì)環(huán)境適應(yīng)性好，智能程度也相對(duì)較高。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(cè)板，放置電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路及紅外檢測(cè)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(chǎng)地灰度檢測(cè)傳感器，還有前端控球部件等。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(cè)、障礙、智能協(xié)調(diào)控制等。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。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。焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 目錄單片機(jī)的足球機(jī)器人小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄摘要 1Abstract 21 足球機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 1 1 1 1 2 2 32 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)及硬件電路設(shè)計(jì) 7 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部件與運(yùn)動(dòng)方式設(shè)計(jì) 72．2機(jī)器人的車輪配置和操舵方式 7 硬件電路設(shè)計(jì) 8 8[3] 9 12 16 213 足球機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì) 23 A/D轉(zhuǎn)換器的讀寫控制模塊[8] 23 24 24 運(yùn)動(dòng)控制模塊 24 26 26 26 27 28 28 進(jìn)攻程序模塊流程圖 29 用C語言編寫的程序代碼 30 31 31 31 32 324 功能測(cè)試 34 34 找球功能模塊測(cè)試 34 34 方向判斷功能模塊測(cè)試 345 設(shè)計(jì)總結(jié) 35 本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)及創(chuàng)新之處 35 35參考文獻(xiàn) 36附 錄 37致 謝 432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 足球機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)機(jī)器人競(jìng)賽是近年來國際上迅速開展起來的一種高科技對(duì)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。 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(duì)整個(gè)起著至關(guān)重要的作用。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)。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)。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。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。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。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)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(jiǎn)單，而且技術(shù)比較成熟。在機(jī)器人足球比賽中，場(chǎng)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。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。對(duì)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(jiǎn)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。通過對(duì)比賽規(guī)則的解讀可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于球和場(chǎng)地基板的設(shè)計(jì)是該項(xiàng)比賽中最具特色內(nèi)容，它對(duì)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。紅外線波長(zhǎng)介于可見光和無線電波之間，—1000nm，而光電傳感器其所用到的波長(zhǎng)選擇在近紅外區(qū)，—1000nm。它們可以將接收到的光變化轉(zhuǎn)變的電流變化[2]。要實(shí)現(xiàn)這一功能，則要用到紅外光電反射式傳感器。發(fā)光管材料一般為砷化鉀半導(dǎo)體，—1500 nm，—，平均工作電流20—50mA，紅外發(fā)管有指向角，光軸，波長(zhǎng)，輝度等性能指標(biāo)。紅外元件所接收的信號(hào)，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。對(duì)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）。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。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。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(shì)，通過加裝了一個(gè)“持球探測(cè)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。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(cè)臂上垂直向下的持球傳感器將接收到紅外信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電流變化。若該標(biāo)志位無信號(hào)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(hào)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。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。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(jiǎn)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。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(chǎng)地運(yùn)行。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。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耗，配備了差動(dòng)齒輪裝置，增加了機(jī)構(gòu)復(fù)雜性。對(duì)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。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(duì)以上模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，得到如24所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：圖24 足球機(jī)器人模型Figure 24 soccer robot model[3]—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。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)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。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(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇。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。圖2—5 單片機(jī)封裝圖形Figure 25 SCM Packaging GraphicsMCS51系列單片機(jī)中的8038051及8751均采用