单片机的足球机器人小车系统设计

中图分类：TP273 密级：无 UDC： 单位代码： 基于单片机的足球机器人小车系统设计 Car System Design of Soccer Robot Based on SCM 姓　 名 李小朋 学　　制 3年 专 业 电气自动化技术 研究方向 自动化技术 导　 　师 赵路民 职　　称 工程师 论文提交日期 2008.5.25 论文答辩日期 2008.6.2 焦作大学 摘要 足球机器人是人工智能与机器人领域极富挑战性的高技术密集项目，它涉及机械、计算机、自动化、电子、传感器信息、图象处理、无线网络等高技术。同时又是人工智能技术的一个理想突破点。机器人踢足球，看似游戏，其实展示了一个国家信息和自动化技术的综合实力。足球机器人系统在许多领域有着广泛的应用前景，比如，高校和科研院所的教学和科研；无人驾驶飞机群的编队控制及与敌方的辅助攻防对抗等，国内许多高校都开展了机器人足球的研究，并自1999年起分别在哈尔滨工业大学、上海交大等高校成功地举行了数次全国机器人足球竞赛，但我国的中型组足球机器人比赛所用的平台都是从国外进口，所谓的比赛只能称之为软件上的对抗。 本次设计从最基本的硬件开发做起，在原有的基础上进行了一系列的改进，设计依然采用MCS-51单片机作为足球机器人的微处理器，它结构简单，性能稳定，引脚数量多。小车的驱动方面有采用双电机做为动力，四轮配置，PWM调速，使机器人的机动性能、灵活性、灵敏度等都有了大副度的提高；赛场的信息采集使用了并行口A/D模数转换，使得机器人对赛场信息把握更为及时；小车的通讯方面，采用了BIM-418(433)-F无线收发模块，使机器人足球队整体配合更为默契。软件方面用C语言来编写，为以后的小车系统改进提高打下基础。 关键词：足球机器人小车；单片机；PWM调速；A/D数模转换 Abstract Soccer robots and artificial intelligence robot is a very challenging field of high technology-intensive projects, involving machinery, computer, automation, electronics, sensors, image processing, wireless networks, and other high-tech. At the same time artificial intelligence technology is a good breakthrough. Robot soccer, the game appears, in fact, display a national information and automation technology's overall strength. Soccer Robot system in many areas have a wide application, for example, universities and research institutes of teaching and scientific research, unmanned aircraft and the control group and the formation of supporting the enemy offensive and defensive combat, many domestic colleges and universities have developed machines A-side soccer studies, and since 1999, in Harbin Institute of Technology, Shanghai Jiaotong University and other colleges and universities successfully held a number of National Robot Soccer Competition, but our group of medium-sized robot soccer competition using the platform are imported from abroad, Competition can only be referred to as the so-called software on the confrontation. The basic design of the hardware development from the start, in the original on the basis of a series of improvements, the design still used as a SCM MCS-51 soccer robot's microprocessor, its structure is simple, stable performance, Reply Large number of feet. Trolley drivers have a dual motor as a driving force, four-wheel configuration, PWM speed control so that the robot's mobility, flexibility, sensitivity and so has the University Pro-Vice-degree improvement in the information collection stadium used the parallel port A / D analog-digital conversion, making the stadium robot grasp more timely information; vehicle of communication, using a BIM-418 (433)-F wireless transceiver modules, the robot soccer team as a whole with more understanding. C-language software used to prepare for the future of the trolley system to lay a foundation for improving the increase. Keyword: Robot Soccer car, SCM, PWM speed control, A / D DAC 目录 1摘要 2Abstract 11 足球机器人的总体设计 11.1引言 11.2机器人的总体介绍 11.3机器人移动方式的选择 21.4机器人电路硬件选择 21.5传感器元件及转换元件选择 31.6机器人运行算法的构想 72 动力驱动及硬件电路设计 72.1 动力驱动部件与运动方式设计 72．2机器人的车轮配置和操舵方式 82.3 硬件电路设计 82.3.1机器人系统结构 92.3.2主控部分硬件电路[3] 122.3.3传感器部分硬件电路 162.3.4电源供应部分 212.4.1无线电线通讯接收系统 233 足球机器人的软件设计 233.1 A/D转换器的读写控制模块[8] 243.2运动控制程序模块 243.2.1程序原理 243.2.2 运动控制模块 263.3找球程序模块 263.3.1编程思路 263.3.2找球程序流程图 273.3.3用C语言编写的程序代码 283.4进攻程序模块 283.4.1编程思路 293.4.2 进攻程序模块流程图 303.4.5 用C语言编写的程序代码 313.5碰撞避让程序模块 313.5.1碰撞避让程序的硬件实现 313.5.2中断控制设置 323.5.3碰撞系统模块程序 323.6整体程序 344 功能测试 344.1功能测试 344.1.1 找球功能模块测试 344.1.2碰撞功能模块测试 344.1.3 方向判断功能模块测试 355 设计总结 355.1 本设计的优点及创新之处 355.2本设计可改进的方面 36参考文献 37附 录 43致 谢 1 足球机器人的总体设计 1.1引言 机器人竞赛是近年来国际上迅速开展起来的一种高科技对抗活动，足球机器人的硬件设计它涉及人工智能、智能控制、机器人、通讯、传感及机构等多个领域的前沿研究和技术融合。它集高技术、娱乐和比赛于一体，引起了社会的广泛关注和极大兴趣。目前，国际上推出了各种不同类型的机器人比赛，如机器人足球、机器人舞蹈、机器人相扑、机器人投篮等，其中尤以机器人足球比赛最为引人注目。 足球机器人小车系统作为整个系统的执行机构，其性能好坏对整个起着至关重要的作用。早期微型足球机器人采用分立元件控制[1]，这基本可以满足一般训练和比赛的，但也暴露很多的问，例如运算速度太慢，可靠性低，经常出现故障等等，随着硬件水平的不断提高，越来越多的国内外更高性高的解决，如采用 DSP 的方式可以提高运算速度和控制精度，但是由于DSP 结构复杂，采用这种方式的同时也为电路的设计和后续的开发和扩展工作带来了很大的困难。因此本次设计采用集成度较高的8051 单片机为核心来设计电路，它集成度高、性能稳定、价格低、外围扩展电路丰富、开发周期短等特点。 1.2机器人的总体介绍 电气设计要求具有以下功能：无线数字接收、电动驱动 及调速、红外检测、障碍、智能协调控制等。采取了双层PCB板结构，各部件通过屏障电缆连接，金属框架结构。上层板是CPU板、A/D转换电路、放置电机驱动及接口电路、无线接电路等主要控制电路；中层板是驱动及检测板，放置电机驱动线路及红外检测线路；底层板是电源与电机板，放置两路电源，两套电机及减速系统，两个主动轮和两个从动轮用于保持小车的稳定运行以及场地灰度检测传感器，还有前端控球部件等。 1.3机器人移动方式的选择 机器人在地面上移动的方式通常有三种：车轮式、履带式和步行式。 步行移动方式模仿人类或动物的行走机理，用腿脚走路，对环境适应性好，智能程度也相对较高。正因如此，步行移动方式在机构和控制上是最复杂的，技术上也还不成熟，不适于在要求灵活和可靠性高的比赛中。 履带式实际是一种自己为自己铺路的轮式车辆。它是将环状循环轨道履带卷绕在若干滚轮外，使车轮不直接与地面接触。履带式的优点是着地面积比车轮式大，所以对地压强小；另外与路面黏着力强，能吸收较小的凸凹不平，适于松软不平的地面。因此，履带式广泛用在各类建筑机械及军用车辆上。 车轮式移动是最常见的一种地面行进方式。车轮式移动的优点是：能高速稳定的移动，能量利用效率高，机构和控制简单，而且技术比较成熟。它的缺点是对路面要求较高，适于平整硬质路面。 在机器人足球比赛中，场地为室内光滑平整地面，非常适合车轮运动，因此本设计选用车轮式运动方式。 1.4机器人电路硬件选择 根据规则所描述，要求机器人尺寸较为小巧，直径为22cm，并且不允许人工干设其操作，需要自动控制。因此选用单片机为核心的控制器件，小型直流电机作为动力驱动，可以达到比赛的要求。 单片机价格低廉，体积小巧，一般为20引脚或40引脚封装，其中包括了中央处理器，数据存储器、程序存储器输入输出设备。对于需要灵活机动，精度要求不高，有可扩展性及程序可擦写和简单成熟的编程平台等要求，单片机不失为最合适的选择。 电机选择方面，考虑到机器人本身自重不大，必且场地尺寸有限，可选用小型直流伺服电机，可用电枢电压作为速度控制信号，但必须加装减速箱以适应低转速和大扭矩的应用环境。 1.5传感器元件及转换元件选择 通过对比赛规则的解读可以发现，对于球和场地基板的设计是该项比赛中最具特色内容，它对机器人的核心设计―传感器以及比赛的方式产生了决定性的影响。 发出红外光的足球意味着机器人必须有红外传感器来对其进行检测。红外线波长介于可见光和无线电波之间，大约0.76nm—1000nm，而光电传感器其所用到的波长选择在近红外区，即0.76nm—1000nm。常用的红外线接收元件为光电二极管和光电三极管。它们可以将接收到的光变化转变的电流变化[2]。 比赛的场地图纸为纵向的黑白灰度渐变，这意味着机器人对进攻方向作出正确判断必须要能读出场地的灰度变化信息。要实现这一功能，则要用到红外光电反射式传感器。该元件由红外发光管和接受管组成。发光管材料一般为砷化钾半导体，发光波长范围在0.76—1500 nm，小功率的管压降1.0—1.3v，平均工作电流20—50mA，红外发管有指向角，光轴，波长，辉度等性能指标。红外接收管可用上述光电二极管或三极管。 红外元件所接收的信号，根据情况的需要，要进行模拟-数字量的转换，因此需要A/D转换芯片，A/D转换的选择要根据所选用的单片机来确定。本文所选用的51系列单片机，为了提高数据处理速度和控制精度，本次设计采用并口技术。 1.6机器人运行算法的构想 对比赛过程的规则进行后发现，比赛的进行与真实的足球比赛的思维过程是一致的，机器人需要完成下述动作循环（如图1-1）。 图1​​-1足球车机器人的算法 Figure 1-1 soccer robot vehicles algorithm 然而在这一过程中最关键的一步是把球攻进正确的球门，其难点在于找球的传感器与地面方向的传感器是相互独立的两套系统，怎样才能让机器人判断当前状态是找球过程还是在带球进攻过程。如果单独执行找球程序，让机器人跟随球的方向前进，很有可能把球撞入己方球门；如果单独执行方向判断程序，机器人则无法知道当前球的位置，有可能在没有控球的情况下冲向对方球门而造成无效的进攻。 怎样解决找球程序和进攻方向判断程序的衔接，避免乌龙球和无效的进攻，这是算法设计要解决的重要问题。然而笔者查阅过一些相关资料，一直没有找令人满意的算法解决方案。 由于机器人套件的外形限制，在外形上做一些改动以适应算法需要的想法无法实现。而本设计这是利用了外形可以自行设计的优势，通过加装了一个“持球探测臂”来解决算法上找球程序和进攻方向判断程序的衔接的问题。参考图如图1-2所示。 图1​-2 足球机器人模型 Figure 1-2 soccer robot model 由图可知，当机器人寻找到球，并把球控制在控球板内时，持球探测臂上垂直向下的持球传感器将接收到红外信号并转换为电流变化。利用该信号作为是否持球的判断标志，单片机不断查询该标志位。若该标志位无信号反馈，则说明机器人没有控球，执行找球程序；若该标位有信号反馈，则说明已经控球，则执行进攻方向判断及带球进攻程序。 简要流程如图1-3所示： 图1-3 简要流程图 Figure 1-3 brief flow chart 用绘图软件做小车模型如图1-4所示： 图1-4 小车内部结构 Figure 1-4 car internal structure 各零部件的介绍如图1-5(a)、(b)、(c)所示： 图a 图b 图c 图1-5 各零部件图 Figure 1-5 various spare parts chart 2 动力驱动及硬件电路设计 2.1 动力驱动部件与运动方式设计 在各种机电一体化设备中动力驱动部件与运动方式，是系统中最终的执行机构，是最终的实现者对系统各方面的性能有几大的影响。一个好的，动力驱动部件，可以让整个系统可以平稳的运行，并且有高的灵敏性和反应速度。足球机器人也不例外，因此为机器人找一个好驱动方式，是必需的。 2．2机器人的车轮配置和操舵方式 常用的车轮配置有多种：二轮配置、三轮配置、四轮配置等几种 二轮配置通常是在自行车等些简单的要求不高的机械中运用，显然不合适我们的足球机器人。 三轮配置机器人车体配置结构虽然简单，但稳定性差，遇到冲撞容易倾倒，与三轮配置相比，四轮配置的稳定性更好，四轮轮典型配置有如下两种。 图2-1 四轮典型配置一 Figure 2-1 allocation of a typical four-wheel 如图2​-1组合为前后轮为万向脚轮，左右两轮为独立驱动轮，其自转中心于车体中心重合，适于在狭窄场地运行。其灵活性稳定性都比较好。其缺点是前后轮不能同时着地，加速前进时可能出现俯冲。 图2-2 四轮典型配置二 Figure 2-2 The four typical configuration 图2-2的配置方式是常见的所谓汽车配置方式，车的稳定性较高。2个操舵轮需要同一个操舵机构协调转向，增加了操舵转向机构，同时为了减少后轮摩擦损耗，配备了差动齿轮装置，增加了机构复杂性。 综合各种因素考虑，本设计采用图2-1所示的四轮配置方案 2.3 硬件电路设计 本章按照机器人系统结构模块，把本机器人分解为主控部分，传感器部分，AD转换部分，电源供电部分以及电机驱动部分。对每个部分的器件选用，主要功能以及各部分所组合成的总体系统作了分析介绍。 2.3.1机器人系统结构 按照现代机器人理论，机器人分为机械手，环境，任务和控制器4个相互作用的部分。其系统结构图如图2-3所示： 图2-3 现代机器人的结构模型 Figure 2-3 model of the structure of the modern robot 在本设计中根据实际情况的需要，对以上模型进行了简化，得到如2-4所示的系统结构图： 图2-4 足球机器人模型 Figure 2-4 soccer robot model 2.3.2主控部分硬件电路[3] 2.3.2.1主控部分硬件—8051 本设计选用了Intel公司生产的8051单片机作为控制器。 8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明： 中央处理器 中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 数据存储器(RAM)  8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 程序存储器(ROM) 8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。 定时/计数器(ROM) 8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。 中断系统 8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。 时钟电路 8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。 单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛结构原理，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即冯诺依曼结构原理。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式。 图2—5 单片机封装图形 Figure 2-5 SCM Packaging Graphics MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明[4]： (1)主电源引脚Vcc和Vss \88,\G3eJ   g 8 j)5u Vcc（40脚）：主电源接＋5V :xlo O/l   Vss（20脚）：接地 oc |E@Y@xP   )Dz[ 7#8Ny (2)时钟电路引脚XTAL1 和XTAL2 ,( {Jr z   KA b h,i XTAL2（18脚）：接外部晶体振荡器的一端。片内是一个振荡电路反相放大器的输出端。 e​ r({j ​~   XTAL1（19脚）：接外部晶体振荡器的另一端。片内是一个振荡电路反相放大器的输入端。 c ?+ T]   _ NyoKZ (3)控制信号RST/Vpd、ALE/(/PROG) 、/ PSEN和 (/EA)/Vpp -X\_,aZ=9&   k|jU@~,Gz RST/Vpd（9脚）：复位端。高电平有效，宽度在24个时钟周期宽度以上，使单片机复位。该引脚有复用功能，Vpd为备用电源输入端，防止主电源掉电。 v'JF )3h'Z} * vgK#rF ALE/（/PROG）（30脚）：地址锁存信号端。访问片外存贮器时，ALE作低八位地址的锁存控制信号。平时不访问片外存贮器时，该端以六分之一的时钟振荡频率固定输出脉冲。ALE端负载驱动能力为8个LSTTL门。该引脚有复用功能， 为片内程序存贮器编程（固化）的编程脉冲输入。 ),n.'l>"dv   7d​V*5 "5 /PSEN（29脚）：片外程序存贮器读选通信号端。负载能力为8LSTTL门。 .@- V3iP^   %H*ANEu,!# (/EA)/Vpp（31脚）：/EA端接高电平时，CPU取指令从片内程序存贮器自动顺延至片外程序存贮器。 /EA端接低电平时，CPU仅从片外程序存贮器取指令。该引脚有复用功能，Vpp为片内程序存贮器编程时的编程电压。 Q |0 O;k (4)输入/输出引脚P0、P1、P2和P3口 P ~ e C 6   Zx& ]q(|Ew P0.0～P0.7（39～32脚）：访问片外存贮器时作为低八位地址线和八位数据线（复用）。负载能力为8个LSTTL门。 _;W2 :y?Qo }]{ B P1.0～P1.7（1～8脚）： 8位准双向I/O口。负载能力为3个LSTTL门。 [ *t​;dSi   ‑\‑ xA{  P2.0～P2.7（21～28脚）：访问片外存贮器时作为高八位地址线。 FJ'4pPb(|p c d | P3.0～P3.7（10～17脚）：8位准双向I/O口。负载能力为3个LSTTL门。另外还有专门的第二功能。 ;] V E:   v C方法

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