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1、直流控制电机在旅行家III号中型足球机器人领域的应用（基于AVR单片机） 摘 要足球运动是一项古老的体育活动，源远流长，有世界第一大运动的美称。不少国家将足球定为“国球”。现今，足球在智能机器领域波及的范围越来越广。1997年，首届RoboCup比赛及会议在日本的名古屋举行，为实现机器人足球队击败人类足球世界冠军的梦想迈出了坚实的第一步。随着人工智能水平的不断发展，足球机器人比赛的类型也在不断升级、规模逐年扩大、水平迅速提高、竞争日趋激烈。每届比赛都会出现新颖的软、硬件设计和巧妙的战术配合。在比赛过程中机器人的持球机构方向控制系统的性能高低，足球机器人能否把球控制好而直接影响整体性能和着比赛的
2、结果，固足球机器人的持球机构的方向控制在整个机器人系统中就显得尤为重要。本课题是基于AVR控球机构的方向控制，主要陈述了控球机构的硬件电路到软件编程的设计和实现过程。本课题中，系统采用了可靠性高，抗干扰能力强，工作频率高，系统的实时性好的单片机Atmega128作为控制核心。在控球机构前部安装的红外传感器作为判断是否要控制足球的依据，设计目标是改善中型足球机器人持球机构在比赛时不能很好的控制足球的问题，解决机器人在比赛时不能稳定的运球、控球、传球的状况。围绕控球机构设计实现目标，本文还介绍了相应的软件系统和硬件电路设计，硬件电路有，红外避障模块，单片机控制模块，电机驱动模块，直流电机模块，电源
3、模块等电路。而软件控制系统中，首先设计了红外传感器采集信号及处理的程序，再根据检测到的信号，设计单片机是否发出PWM的控制方法来控制驱动器，接着设计根据驱动器发出的信号，是否驱动直流电机的转动情况来控制足球。经过本课题的设计与实现，虽然还存在一定的盲点和不足，但基本上达到了控球机构方向控制的这一目标。关键词：robocup，足球机器人，控球机构，Atmega128，脉冲宽度调制一 引言本章阐述基于AVR控球机构方向控制的研究背景、国内外现状、研究的意义、研究的内容。1.1 课题来源目前国际上最具影响的是FIRA和RoboCup两大世界杯机器人足球赛。1997年正式成立，总部设在日本东京，正式注
4、册瑞士伯尔尼，是一个国际性的研究和教育组织，它通过提供一个标准问题来促进人工智能和智能机器人的研究。其中RoboCup在国际上的影响相对较大一些。这项赛事每年举办一次，分为仿真组、四足机器人组、小型机器人组、中型机器人组、人形机器人组、救援组和家庭组。RoboCup是一个新的里程碑(Landmark)工程，它提出了如下的长远目标：到2050年，完全自主的类人的机器人将打败当时的世界足球冠军队，这是一个50年的长远计划。自从1997年第一届RoboCup世界杯足球机器人大赛创办以来，足球机器人作为人工智能的一个重要组成部分，已经成为机器人研究领域最为活跃的领域之一。中型组足球机器人作为其中的一个
5、比赛项目，集高新技术、娱乐和竞赛于一体，为发挥创造力、展示科技实力、交流学术成果提供了广阔天地。由于其自主性、智能性、对抗性、实时性、等控制特点，更具有挑战性。随着RoboCup世界杯中型足球机器人大赛的发展，影响力的日益广泛，国内外投入到该项赛事的高等院校及科研机构越来越多,研发的技术也在不断的升级,但他还有很多的不够完善的地方需要去解决。如在比赛过程中机器人的持球机构方向控制的性能高低，影响着足球机器人能否把球控制好而直接影响着比赛的结果，固足球机器人的持球机构的方向控制在整个机器人系统中就显得尤为重要。2011年，我校代表队Rising Sun第一次参加了robocup中国机器人大赛，虽
6、然取得了不错的成绩，但是和北京信息科技大学等强队之间存在一定的差距，特别是在持球机构上。因此，对现装持球机构的改装显得尤为重要。1.2 选题的国内外研究现状及水平1.2.1 国外研究现状及水平 自九十年代以来，FIRA和RoboCup已组织了各种形式的机器人足球比赛，机器人足球波及的范围越来越广，比赛的类型也在不断升级，比赛规模逐年扩大，比赛水平迅速提高，竞争日趋激烈，每届比赛各队都会出现新颖的软、硬件设计和巧妙的战术配合。在RoboCup已经举办的比赛中，亚洲的伊朗队,欧洲的德国队、荷兰队，美洲的美国队，新兴崛起中国队，实力水平处于世界领先地位，其他国家也在奋力直追发展足球机器人如新加坡、巴
7、西等国。各个国家在发展的时候也有不同的侧重点，例如美国、伊朗大力发展军事用途的机器人，日本大力发展的生活服务类、玩具类机器人，瑞典、德国大力发展工业用机器人。1.2.2 国内研究水平及现状 自1997年开始正式RoboCup国际比赛，中国科技大学和清华大学就参与到了RoboCup赛事中。中国科技大学参加了2000年在澳大利亚墨尔本的RoboCup世界杯，中国科技大学和清华大学参加了2001年在美国西雅图的RoboCup世界杯，清华大学在当年的比赛中夺得了RoboCup仿真组冠军。以后，其他高校如国防科技大学、浙江大学、北京理工大学、厦门大学、南京邮电大学、上海交通大学及上海大学等也陆续参加了R
8、oboCup世界杯比赛，并分别在不同的比赛项目中取得了优异的成绩，参赛的项目也由原来的仿真组扩展到RoboCup设立的几乎全部的比赛项目。1999年10月15日在重庆举办了国内第一次RoboCup比赛，比赛项目仅为仿真组，参加者只有中国科技大学和清华大学两支队伍。2000年7月在安徽合肥举办了国内第二次RoboCup比赛，比赛项目也仅为仿真组，参加者仍只有中国科技大学和清华大学，这次共三支队伍。2001年6月中国自动化学会机器人竞赛工作委员会成立。其后，在该委员会的组织下，国内每年举办一次中国机器人大赛，比赛内容广泛。同时还举办与竞赛和教育机器人有关的技术研讨和相关的产品展示。我国的足球机器人
9、事业起步较晚，但是发展速度迅猛，在很多方面已经达到甚至领先于国际水平。中国的高等院校积极开展足球机器人的研发，参加比赛的队伍也越来越壮大，研究也从最早的仿真型，到现在的的类人型，全自主型等各个组别的比赛，在以往的比赛中清华大学，中国科技大学、哈尔滨工业大学、东北大学在国际上都取得过很好的成绩，现如今以国防科技大学、华中科技大学、上海交通大学为代表的先进机器人技术，以居于全国前列。特别值得一提的是2010在新加坡举行的第14届世界杯机器人足球赛，吸引了来自40多个国家，500多支代表队的参与。北京信息科技大学“Water”队参加的中型组比赛中，有来自荷兰、葡萄牙、德国等国的近10支队伍。经过10
10、场鏖战，“Water”队杀入最后的总决赛，以5:4的比分险胜，获得2010RoboCup机器人世界杯中型组冠军。今年在土耳其伊士坦布尔举行的第十五届RoboCup机器人世界杯中国科大“蓝鹰”夺得仿真组2D赛冠亚军各一项。在往届的RoboCup机器人世界杯中我国中国科技大学、清华大学、东南大学等高校代表队曾获得仿真组RoboCup世界杯冠军。中国也积极的举办RoboCup国际赛事，如2008年在苏州举办的RoboCup比赛。今天中国的足球机器人正在逐渐发展和壮大起来，引起社会各界的极大兴趣，国内已有上百所大学和诸多的科研团体在开展这方面的研究。他们对于中国的机器人足球事业的推动和和发展作出了不可
11、磨灭的贡献。1.3 研究的原理及内容1.3.1 研究原理 红外线传感器首先对外界进行识别，当接收管接收到放射光线后，单片机发出驱动指令，直流电机转动，带球。1.3.2主要研究内容本论文主要的研究具体内容如下：a.研究基于AVR单片机的控球机构控制系统，软硬件的设计。改进中型足球机器人持球机构不能稳定控制足球的这一现状，提出一种可行性方案。b.在持球机构中怎样对足球进行识别。当机器人在比赛的过程中拿到球之后,用什么样的装置来识别足球,选用的这个装置要具备可靠稳定的性能、良好的性价比等特点。c.在持球机构中AVR单片机怎样采集足球信号、根据采集来的足球信号如何驱动持球机构中的直流电机。二 控球机构
12、的总体论述2.1控球机构系统硬件的组成及选择本控球系统采用ATMEL公司生产的Atmega128的8位单片机作为核心控制单元，由安装在持球机构前部的红外避障传感器采集信号，将信号传到核心控制单元进行判别处理后，由单片机中的PWM模块发出PWM波，经过驱动器对直流电机进行控制，完成控球机构对足球的控制。控球机构系统主要有以下几个部分构成：中央处理单元、足球识别单元、直流电机驱动单元、电源单元。 图2.1 控球机构系统构成（1）中央处理单元：采用ATMEL公司生产的Atmega128单片机。（2）足球识别单元：足球机器人在比赛过程中，使用安装在持球机构前部的E18-D80NK-N红外避障传感器来识
13、别足球，并反馈给单片机控制单元。（3）直流电机驱动单元：根据足球识别单元反馈的信息，驱动直流电机的运转。（4）电源单元：电源模块为系统其他各模块提供所需电源，设计中要考虑电压范围和电流容量等基本参数，以及考虑电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单方面的优化、可靠的电源方面是整个电路稳定可靠运行的基础。2.1.1硬件系统的主要特点1. 系统采用了8位Atmega128单片机作为MCU,该系统单片机可靠性高、性能好、功耗低、抗干扰能力强，工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS，保证了系统的实时性与稳定性。2系统采用脉宽调制法来控制直流驱动电机。PWM技术利用微处理器的数字输出来对模拟电路
14、进行控制的一种非常有效的技术。它的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的又一个优点。因此可得到更好地控制性能。3. 系统硬件和软件都采用了模块化结构，可按需求方便增加或删减功能。特别是在激烈的比赛过程中采用这种结构，能很好的固定各个模块的位置使其很好的发挥各自的功能，保证了系统的时效性、稳定性。2.1.2 硬件电路主要器件 1控制模块MCU：Atmega1282足球识别模块E18-D80NK-N红外避障传感器3驱动器模块博创科技BDMC36062.1.3系统控制模块 控球机构使用的微控器是美国ATMEL公司生产的基于AVR
15、 RISC的低功耗8位单片机，型号为Amega128，由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间（实现了在一个时钟周期内执行1条指令可以访问2个独立寄存器），它的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。2.1.4主控制器模块的选择方案一：选用AVR单片机Atmega128，Atmega128是高性能、低功耗的 AVR 8 位微处理器，64引脚。采用先进的 RISC 结构，具有133 条指令，大多数可以在一个时钟周期内完成。它具有两个独立的预分频器和比较器功能的8 位定时器/计数器和两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/计数器及具有独立预分频器
16、的实时时钟计数器。片内带有模拟比较器。具有上电复位以及可编程的掉电检测功能。其片内资源丰富，具有： 8个外部中断， 4个定时计数器，53个I/O口，可解除I/O口资源不足的困难。其引脚大多数都有具有第二功能，功能强大。.方案二：采用AT89S52单片机，AT89S52 单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。AT89S52有5个中断源，和3个定时计数器。方案三：采用FPGA（现场可编辑门列阵）作为系统控制
17、器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，并且可利用EDA软件进行仿真和调试。FPGA采用并行工作方式，提高了系统的处理速度，常用于大规模实时性要求较高的系统。方案比较：由三种方案可以看出，以Atmega 128核心可以方便地实现对各个部分的控制和外接，而AT89S52而需要外扩大量的I/O口才能满足需要，而FPGA的高速处理能力得不到充分发挥且价格较贵，所以我们选择方案一。2 .1.5 ATmega128的硬件设计(1) 时钟电路：单片机及系统运行需要两个最基本的条件：电源和时钟13。其中时钟电路的设计甚为关键。ATmega128内部有时钟电路功能性能稳定可
18、靠，为方便和系统的时效性考虑，本课题的硬件又都采用模块化设计，固用单片机自带的晶振，作为单片机工作的内部总线时钟。(2) 电源电路：单片机ATmega128的供电是靠外部的+5v电源，其设计已在电源模块说明。单片机内部使用3v电压，较低的片内电压使CPU运行速度快、功耗低；较高的I/O电压有利于抗外界干扰。(3) 复位电路：采用的复位源为当电源电压低于上电复位门限VPOT时，MCU复位。2.1.6足球识别模块的选择对足球的识别是控球机构系统的关键模块之一，它将是否探测到球的信息传送给控制模块，控制模块再对信息处理后采取精准的控球，下面对足球识别的E18-D80NK-N红外避障传感器做一个简单介
19、绍。方案一 脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界的干扰；此外红外发射接收管的工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50100mA）（ST-188允许的最大输入电流为50mA），则大大提高了信噪比。此种测试方案反应速度大约在 5us。方案二 采用多路阵列式光敏电阻组成的光电探测器。方案三 采用CCD传感器，此种方法虽然能对路面信息进行准确完备的反应，但它存在信息处理满，实时性差等缺点，而且此次比赛不允许用其它处理器，因此若采用CCD传感器，无疑会加重单片机的处理负担，不利于实现更好的控制策略。根据以
20、上分析我们采用方案1。2.1.7 驱动器模块BDMC3606 驱动器的性能高低直接影响着控球机构的发挥，本课题选用的BDMC3606驱动器具有易于安装、功能全面、连接灵活、性能稳定等显著特点，是持球机构的理想产品。 BDMC3606驱动器基于16 位DSP 开发，适合驱动有刷永磁直流伺服电机，空心杯永磁直，流伺服电机或力矩电机。具备以下的特点：输入直流电源+1236V；最大连续电流6A，短时电流10A；特别针对空心杯电机设计，采用高达80Khz 的PWM 频率，通过电流调节实现力矩控制、可选择开环控制、可选择的速度控制：+/-10v模拟电压，PWM、PPM、RS232指令、脉冲方向控制、通过改
21、进设计的RS232接口和Motion Terminal软件进行控制和在线监测、温度保护、过流、过压、欠压保护等功能。由于对直流电机的调速广泛采用的 PWM调速技术，这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点稳定性也极强。驱动器的内部原理如图： 驱动器内部原理图2.1.8 驱动电机的控制 根据要通过驱动器来很好的控制直流电机，那就要选用驱动器的速度控制器工作模式，输入源在本课题中选用PWM控制方式，PWM速度控制模式是输入占空比可调的PWM波（如图1），由占空比确定电机的转速，驱动器可接受的PWM信号的频率范
22、围为100 2000Hz、占空比实际的范围为1%99%、占空比50%时正转转、占空比50%时反转、占空比=50%时停转（如图2），选定之后就设置相对应的指令和参数使之工作。 图1 PWM信号示意图图2 PWM控制信号和对应速度示意图通过以下参数的设置即可把驱动器的模式设置为PWM模式，具体的参数则根据实际的需要来设置：驱动器控制指令参数表指令功能 详细说明 V设置为速度控制器模式设置电机控制模式为速度控制模式，如果后面不带参数、默认速度为0、带参数时按照给定参数速度运动。SOR2设置PWM控制模式设置电机控制模式为PWM控制模式，该模式可以和速度控制模式组合为PWM速度控制。AC设置加速度设置
23、电机加速度，应用于位置、速度模式，单位：r/s2、范围：030000DEC设置减速度设置电机减速度，应用于位置、速度模式，单位：r/s2、范围：030000 SP设置最大速度设置电机最高转速，应用于位置、速度模式，单位rpm 、范围：030000MV设置最小速度设置电机最小转速，应用于位置，速度模式，单位rpm、范围：0300002.1.9直流电机的介绍SAEG电机由于没有铁芯，没有齿槽效应，极大地降低了铁损（电涡流效应造成的铁心内感应电流和发热产生的损耗）。具有极高的能量转换效率，其能量转换效率一般在75%以上，部分产品可达到90%以上 低惯量空心杯转子能获得高加速度和优异的动态响应性能。启
24、动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于28毫秒，部分产品可以达到10毫秒以内，在推荐运行区域内的高速运转状态下，转速调节灵敏 可靠的运行稳定性：自适应能力强，自身转速波动能控制在2%以内 能量密度大：与同等功率的铁芯电机相比，其重量、体积减轻1/3-1/2，转速-电压、转速-转矩、转矩-电流等对应参数曲线都呈极好的线性关系。如图：直流电机介绍为电线及插头，作用是连接驱动及持球机构的电机；为橡皮轮，作用是在机器人抓住球，启动持球机构上的电机后，轮子转动，可以护住球，使机器人在左右和向后运动过程中不会丢球；为直流电机，用来带动橡皮轮转动；为减速箱，电机的转速经变速箱减速后带动橡皮轮；为转动弹簧；
25、为转动盘，在橡皮轮抓住球后，为使抓球的面积更大，转盘上面的部分可以转动，把球持的更牢靠；为固定支架，作用是把整个持球机构固定在机器人上。上图所示的持球机构需要两个，分别安装在踢球机构的两边，两个持球机构共同协作，就能很好的持住球。 2.2 软件的具体设计具体的程序设计为：先设置一个1ms的延时子程序，接着对单片机的端口初始化，配置端口的属性设置输入/输出端口，设置完后就进入了参数设置，先设置控制直流电机转速快慢的占空比，再设置PWM的模式和它的频率，当这些参数设定后接下来就进入循环，此时程序对端口持续的扫描，检测到端口是高电平是程序不动作，但检测到端口是低电平时，程序就将已设定的PWM相关参数
26、付给端口输出，进而通过控制直流电机来控制持球机构。程序见附件1：三 实物的安装与调试持球机构安装合理是保证系统稳定运行的前提，为此要对系统的直流电机、摄像头、驱动器进行恰当的安装，以此来发挥各个部件的最佳性能，来保证持球机构的运行。下面来一一介绍各个部分的安装与调试。3.1 E18-D80NK-N红外避障传感器的安装摄像头的安装主要是支架的高度问题。支架的高低取决于探测球的距离范围，安装低了，当持球机构拿到球之后传感器很可能被球隔太近而产生错误的信号（传感器的可探测范围为380cm），安装高了，在比赛时机器人随着碰撞的激烈传感器可能无法正确的识别足球，再由于机器人的前部是一个推求的装置，在比赛
27、时会产生很大的推力，所以也不能离它太近否则会损坏传感器，根据我们的实际的安装测试，它的安装高度应该在30cm36cm之间且在推求装置的后部。3.2 直流电机的安装 直流电机是持球机构的核心装置也是唯一与球接触的部件，它的安装第一个问题是固定问题，把它的两个直流电机分别固定在推球装置的两侧，离地面25cm的高度，两个直流电机相对于主机中心轴对线成45相向安装，两个直流电机的固定脚相距20cm，这个角度、高度、距离是综合了球的大小、控球的稳定性、控球的速度之后测算出来的。对于系统进行测试调试的主要目的是检测系统是否能够正常运行，能否达到预期的设计目的，主要检测的项目有：持球机构在运行的过程中能否稳
28、定的控制住足球；检测程序是否能正常稳定的的工作；根据各个原理图测试连接线是否正常；调试系统供电电路，保证系统正常、稳定工作的需求；检验持球装置的各个部分能否很好的衔接起来；提高系统的稳定性，增强系统对各种电磁、噪声等的抗干扰能力。安装后的图：调试中遇到的问题和解决方法（1）直流电机的的转速比较慢程序之前设置控制电机的频率为500Hz、占空比为40%，之后把程序的频率设置为2000 Hz、占空比8%，这样就达到了预期的效果。（2）足球在比较远的地方就触发了持球装置这种情况经过分析主要是红外避障传感器的探测范围设置远了，之后把传感器的探测范围调在了16cm左右，这样就大大减少了误动作的情况。（3）
29、持球机构在运动过程中松动这是由于在激烈的运动中螺丝被抖松了，为解决这种情况我们在螺丝的一头加上垫片和弹簧垫，以后就很稳固了。总结本论文讲述了ATmega128单片机作为主控制器的持球机构的实现，对该系统的总体方案设计的各个模块做了细致的论述。本文先讲了课题的背景来源、研究的目标意义，接着对课题的总体方案所采取的技术路线、解决的关键问题、所要达到的设计目标做了简单的介绍，最后是对课题的核心，硬件的介绍设计和软件的介绍设计，做了详细的论述。当然在本系统的设计中，由于时间和能力有限，不论硬件设计还是软件设计都还可以进一步的完善，本系统也存在着一些日后待改进的地方，可以从以下几个方面进行完善：通过对程
30、序和驱动器更加合理化的配置，达到对控球机构中的直流电机一个精准的控制；可以采用把各个硬件集成模块化结构，把持球装置固定在足球机器人上，以增加其稳定性、实用性；可以采用功率更大的直流电机来持球，从而减少掉球的概率。附件1：#include #include /*- 延时程序计算方法 计数个数j = 延时时间/6*晶振频率 - 1-*/1ms延时子程序void DelayMs(unsigned int i) while(i-) unsigned int j; for(j=1;j=613;j+) ; /*端口初始化函数*/void port_init(void) DDRA =0X00;/配置PORT
31、A属性，配置为输入口 PORTA=0XFF;/配置PORTA属性，带上拉电阻 DDRB =0XFF;/配置PORTB属性 PORTB=0XFF;/配置PORTA属性，配置为输出口 void main(void) unsigned char i=20,key;/占空比=i/255 port_init();/端口初始化函数 TCCR0=0x62; /0b0110 0010,PWM相位修正模式,8分频,在升序计数时发 /生比较匹配将清零OC0,降序计数时发生比较匹配将置位OC0 while (1) OCR0 = i;TCCR0=0; if(PINA != 0XFF) /检测A口电平，如果全是高电平则
32、退出 DelayMs(20); /防抖 if(PINA != 0XFF ) /再次检测A口电平，如果不全是高电平则继续执行程序 TCCR0=0x62; /将PINA读出的值赋给B端口， while(PINA != 0XFF); /当前有按键处于按下状态，再按其他按键时程序维持当前 /状态， 参考文献世界足球机器人官网：http：/www.robocup.org/about-robocup/周兴华手把手教你学AVR单片机C程序设计M北京：北京航天航空大学出版社2009李永新,杨杰,陈小平 Robocup及其四个赛组 J 自动化与仪表, 2010(4) ：25利用单片机PWM信号进行舵机控制，http：wwwepccom马潮高档8位单片机ATmega128原理与开发应用指南M北京：北京航空航天大学出版社，2004BDMC3606用户手册，北京博创兴盛机器人技术有限公司胡伟，单片机C程序设计及应用实例M北京：人民邮电出版社,2003，63-66刘兰香,张秋生ATmega128单片机应用与开发实例M北京：机械工业出版社,2006：165-167金春林,邱慧芳AVR系列单片机C语言编程与应用实例M北京：清华大学出版社，2003，45
