【正文】 ：車輪式、履帶式和步行式。正因如此，步行移動方式在機構(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械及軍用車輛上。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，機構(gòu)和控制簡單，而且技術(shù)比較成熟。 在機器人足球比賽中，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。因此選用單片機為核心的控制器件，小型直流電機作為動力驅(qū)動，可以達到比賽的要求。對于需要靈活機動，精度要求不高，有可擴展性及程序可擦寫和簡單成熟的編程平臺等要求，單片機不失為最合適的選擇。 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。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。它們可以將接收到的光變化轉(zhuǎn)變的電流變化 [2]。要實現(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， 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)。 紅外元件所接收的信號，根據(jù)情況的需要，要進行模擬 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)所選用的單片機來確定。 機器人運行算法的構(gòu)想 對比賽過程的規(guī)則進行分析后發(fā)現(xiàn)，比賽的進行與真實的足球比賽的思維過程是一致的，機器 人需要完成下述動作循環(huán) （如圖 11）。如果單獨執(zhí)行找球程序，讓機器人跟隨球的方向前進，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攻方向判斷程序的銜接的問題。 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 1 足球機器人的總體設(shè)計 4 圖 12 足球機器人模型 Figure 12 soccer robot model 由圖可知 ，當(dāng)機器人尋找到球，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。若該標(biāo)志位無信號反饋，則說明機器人沒有控球，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)行進攻方向判斷及帶球進攻程序。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。 2． 2 機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械中運用，顯然不合適我們的足球機器人。 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。其缺點是前后輪不能同時著地，加速前進時可能出現(xiàn)俯沖。 2個操舵輪需要同一個操舵機構(gòu)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向， 增加了操舵轉(zhuǎn)向機構(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，增加了機構(gòu)復(fù)雜性 。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。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 如 圖 23所示 ： 圖 23 現(xiàn)代 機器人的結(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 單片機作為控制器。 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。 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。 時鐘電路 8051 內(nèi)置最高頻率達 12MHz 的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但 8051單片機需外置振蕩電容 。 INTEL 的 MCS51 系列單片機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 ?，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。 XTAL1（ 19 腳）：接外部晶體振蕩器的另一端。 (3)控制信號 RST/Vpd、 ALE/(/PROG) 、 / PSEN和 (/EA)/Vpp RST/Vpd（ 9 腳）：復(fù)位端。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。訪問片外存貯器時， ALE作低八位地址的鎖存控制信號。 ALE 端負載驅(qū)動能力為 8 個 LSTTL 門。 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。 (/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。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。負載能力為 8個 LSTTL門。負載能力為 3個 LSTTL門。 ～ （ 10～ 17 腳）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口。另外還有專門的第二功能。 該紅外接收器由一只光電三極管構(gòu)成，其電路圖如下： 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 13 圖 26 找球電路 原理圖 Figure 26 the ball circuit schematics 當(dāng)光電三極管接收到紅外線信號時，其電阻減小，在管兩端的電壓分壓減小，輸出口電壓上升，輸入到 AD轉(zhuǎn)換芯片進行轉(zhuǎn)換。 (3)進攻方向判斷傳感器 場地貼有按進攻黑白灰度漸變的基板帖紙，由兩個位于車底的灰度傳感器進行判斷，當(dāng)左右兩個傳感器值相等時，認為正對球門。輸入到 AD轉(zhuǎn)換芯片進行轉(zhuǎn)換。由于碰撞開關(guān)安裝高度大于球的直徑，不會造成球碰到碰撞開關(guān)而造成誤操作。 碰撞傳感器線路圖見 圖 1— 5線路圖，其中的電容 C4電阻 R3起到對碰撞信號穩(wěn)定延遲的作用，使單片機能接收到一個可靠的中斷信號。從而來處理模擬信號 。 逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要特點是轉(zhuǎn)換速度快，此外，與同樣分辨率的雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器比較，它不需要高精度的運算放大器，成本比較低的特點。 考慮到這次設(shè)計中的模數(shù)轉(zhuǎn)換更需要是速度的要求，我選擇了逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器 ADC0809芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。 引腳名稱與功能如下： IN0~IN7： 8路模擬量輸入端。 START：啟動信號輸入端。 ALE：地址鎖存控制信號。 START與 ALE可連接在一起通過程序輸入一個正脈沖啟動 A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng) A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束， EOC由低變高，反相器反相后可作中斷請求信號。當(dāng) OE=1時，打開三態(tài)門，數(shù)據(jù)線被解鎖，把內(nèi)部轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送往總線上。 ADC0809要求外接時鐘，其頻率為 10~128MHz。 V（ ）：負參考電壓輸入端， VREF（ ）接地（ GND）。選擇對應(yīng)的輸入通進行 A/D轉(zhuǎn)換，對應(yīng)關(guān)系見 29。 封裝模型如圖 210所示 [5]： 圖 2— 10 穩(wěn)壓芯片 L7805 Figure 210 regulator chip L7805 (2)電源選擇 雖然微處理器和微控制器不需要支持電路，功耗也很低，但必須要加以考慮?？梢允箼C器人的重量減輕，成本降低。 考慮到機器人控制電路需要穩(wěn)定可靠的電源， 本 次 設(shè)計才用 了 雙電池供電模式，四節(jié) 堿性電池用于控制芯片供電， 二 節(jié) 9V電池用于驅(qū)動電機供電。 圖 111電路為用三極管構(gòu)成的 H橋集成功放電路基本形式。 通過改變不同的三極管導(dǎo)通狀況，可改變電機兩端電壓，達到反轉(zhuǎn)目的。是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個 H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號，可驅(qū)動 46V、 2A以下的電機。 L298可驅(qū)動 2個電機， OUTl、 OUT2和 OUT OUT4 之間分別接 2個電動機。 L298 驅(qū)動芯片是性能優(yōu)越的小型直流電機驅(qū)動芯片之一。在 6— 46V 的電壓下，可以提供 2A 的額定電流。 為保證 L298 正常工作， 本次設(shè)計 加裝二極管 反饋電路 ，如圖 212所示： 圖 212 L298封裝模型 Figure 212 L298 model package 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 18 L298驅(qū)動雙電機的電路連接圖 如圖 213： 圖 213 L298驅(qū)動雙電機的電路連接圖 Figure 213 L298 motordriven doubleconnection of the circuit 電機控制邏輯 見 表 21： Vss=5V芯片電源電壓， Vs=18V電機動力電壓 表 21 電機控制邏輯 Table 21 motor control logic IN1 IN2 IN3 IN4 M1 M2 1 0 1 0 正 反 0 1 0 1 反 反 1 0 0 1 正 反 0 0 0 0 急停 急停 電機調(diào)速方面采用 PWM脈沖調(diào)速 [6] 脈寬調(diào)制 (PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。 9V電池就是一種模擬器件，因為它的輸出電壓并不精確地等于 9V，而是隨 時間發(fā)生變化，并可取任何實數(shù)值。模擬信號與數(shù)字信號的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在 {0V, 5V}這一集合中取值。在簡單的模擬收音機中，音量旋鈕被連接到一個可變電阻。與收音機一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。此外，許多微控制器和 DSP 已經(jīng)在芯片上包含了 PWM控制器，這使數(shù)字控制的實現(xiàn)變得更加容易了。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。電壓或電流源是以一種通 (ON)或斷