基于STC12C56单片机的轮式足球机器人设计*

张丙炀，许赟昊，于学海

(1.同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804;2.同济大学 电子与信息工程学院，上海 201804)

1 引言

足球机器人是机器人领域的基础研究课题之一，其研究极富挑战性［1］。足球机器人比赛一般具有较高的对抗性，所以对机器人的机械结构和硬软件系统有着更高的技术要求。足球机器人为机器人足球比赛的具体执行者，其主要功能是根据程序和算法判断并实现运动指令在一定时间内要求实现的动作。在准确接收到运动指令后，机器人的运动准确度主要取决于机器人本身，包括其控制系统的控制精度、驱动系统的传动精度以及足球机器人的动态特性等［2］。轮式足球机器人作为足球机器人中最常见的一种［3］，具有控制简单、传动准确、启停迅速、转向灵活、速度快等优点，一直被国内外足球机器人比赛参赛者所采用。

目前常见的轮式足球机器人主要有以下几种形式:①两轮驱动式;②履带式;③全方位式［2］。其中两轮驱动式机器人结构简单，但容易产生动力不足的问题，在足球比赛正面冲撞对抗中往往不能占得优势。履带式机器人传动精确，通过性强，但速度灵活性较低。全方位机器人采用特殊的车轮结构和布置，可实现各类平面运动，具有动作灵活、转向自如的特点，但其复杂性也较大地增加了控制难度和制造成本。笔者设计的机器人同时考虑到了三种常见轮式足球机器人形式的优缺点，采用四电机四轮驱动，且两侧电机组独立控制，提高了控制的精确性与运动的灵活性。同时，在控制系统、射门装置和车身结构设计方面均做出了一定的创新，实现了线性调速与连续射门的功能，进一步提升了机器人性能。

2 设计要求

文中的足球机器人主要针对同济大学第六届创意机器人挑战赛要求设计。比赛主题为1V1足球机器人对抗赛，比赛机器人尺寸要求能够将最小水平投影限制在300 mm×300 mm的矩形区域内，比赛用球为直径约67 mm的标准网球。

比赛中所用的球门采用创新的三层式设计，从底层至顶层进球后分别记1、3、5分。由此可见，要想在比赛中获得较高的分数以保证竞争力，足球机器人必须具有可连续射门的机械结构。此外，为保证机器人在场地中控球、转向的灵活性以及良好的操控性，机器人还应具有线性调速功能。

3 机器人结构设计

笔者设计的足球机器人总体结构分为发射装置层与驱动控制层上下两层，两层之间用5 mm厚有机玻璃板隔开，并通过数据线相连接。下面分别叙述两层结构的设计。

(1)驱动控制层结构设计 足球机器人驱动控制层的结构和布置如图1所示。设计目标为保证尺寸要求，合理安排各控制和驱动单元的布局位置，同时使机器人具有一定的强度，以适应比赛中可能遇到的对抗与撞击。驱动控制层框架结构由底盘和侧板组成，底盘和侧板零件由6 mm铝合金板CNC数铣加工而成，保证了车身整体强度。底盘上装有控制电路、驱动电路、12 V直流驱动电机以及65 mm铝合金轮毂轮胎四大单元。底盘前部带尖凹槽为控球结构。

图1 控制驱动层结构

驱动控制层整体上采用了对称设计，使重心位于底盘几何中心附近，保证了机器人小车原地旋转时旋转中心也位于中心位置。驱动控制层重量约占整个机器人的70%，这就使机器人车体获得了较低重心位置，从而提高了机器人的稳定性。

(2)发射装置层设计 发射装置层的结构和布置如图2所示。发射装置层主要由机械臂和发射装置两部分组成。其中机械臂由舵机控制，其功能是将球抬起并通过导轨收入发射筒中，为发射做好准备。发射装置由发射筒、蓄力装置、导向定滑轮、卷扬伺服电机和电磁铁触发器等单元组成，其作用是实现机器人的连续射门功能。

图2 发射装置层结构

根据中场和点球点处分别攻入3分，5分门原则，发射筒仰角可按下式设计:

式中:v为出射速度，此处取v=4～5m/s;α为发射仰角;l3和l5分别为中场和点球点距球门水平距离;h3，h5分别为3分、5分球门高度。根据计算结果取发射筒仰角为45°，并在蓄力装置中采用内径1.6 mm，外径3.2 mm的乳胶皮筋。

(3)连续射门功能的实现 连续射门功能由循环发射程序控制与实现，其基本工作原理为:打开机器人电源开关，发射装置即初始化，发射程序开始运行。卷扬伺服电机正转工作，将高强度尼龙绳绕上绕线轴，同时通过导向滑轮将与尼龙线相连的发射挡板下拉，此时挡板上安装的皮筋从导轨中伸长蓄能。当挡板下拉130 mm行程时，挂钩恰好勾住触发杆锁定装置，同时电机开始反转相同的圈数，将弹射所需行程转出。完成以上准备工作后，按下发射按钮，电磁铁通电，其铁心带动触发杆右移15 mm，将挂钩脱出触发，皮筋弹力即将球射出发射筒，然后电磁铁断电复位。完成上述一套发射动作后，程序自动开始下一次循环并为下一次发射做好准备。

实验表明，通过精确调整卷扬伺服电机的正反转时间，发射装置可在不进行调零操作的情况下至少连续射门120次以上而不出现较大误差，这一数字完全满足单场比赛的要求。

4 机器人控制系统设计

足球机器人控制系统总体框图如图3所示。12 V锂电池为控制器、遥控接收模块、电机和电磁铁供电。遥控接收模块接收来自遥控器的控制信号并将信号解码传输至控制器。控制器根据具体信号内容控制各驱动模块，进而控制机器人动作。控制系统最小系统版采用了STC12C56XXAD系列单片机实现处理控制。系统总体电路接线图如图4所示。下面分别介绍各模块的设计。

图3 控制系统总体框图

图4 系统电路接线图

(1)电机驱动模块 电机驱动模块的设计目的是实现控制器接受到的控制指令，并驱动左右两组电机完成控制指令要求的动作(如前进、后退、转向和原地旋转等)。根据设计要求，机器人应具有线性无级调速功能，所以电机采用PWM(脉冲宽度调制)来驱动。左右驱动电路采用英飞凌BTN7971B芯片组建双H桥电机驱动电路，依靠通道选择器74LS157芯片实现电机换向。

使用BTN7971B电机驱动芯片的理由:①芯片的内部阻抗极低，具有极高的驱动力，满足大功率电机的供电需求;②由于电机在较为恶劣的环境下工作(长时间通电、堵转、被迫反转等)，对于驱动桥电路的各方面性能要求较高;③该芯片电路设计简易、使用简单、便于诊断错误。

(2)遥控接收模块 遥控接收模块采用8通道RG831B接收机和与接收器相连的RA01T资料发射器。资料发射器可将机器人状态数据传回遥控器发射机，实现与遥控器的双向传输。之后可通过所用7通道NET-K337G遥控器的液晶屏幕及时对控制参数做出监视和微调。遥控接收机主要有两个功能:①直接接收并传输遥控器指令控制机械臂舵机，提高了机械臂的控制响应速度和实时性;②接收遥控器信号，并将信号转换成PWM传至单片机。同时RG831B接收机还具有以下两个优点:①2.4 GHz数字信号传输，自动跳频，抗干扰能力强;②使用差分天线提高了灵敏度。

(3)最小系统版 机器人控制器采用最小系统板搭载STC12C5608AD单片机实现。采用STC 12系列单片机进行处理控制相比传统单片机具有明显的优势:①STC12C5 608AD单片机处理速度为传统51单片机的12倍［4］，保证了控制的灵敏性和实时性;②具有4路独立硬件PWM，减少资源消耗;③内置8路高速A/D转换，大大提高了控制运动精度［4］;④内置PCA捕获模块和高精度定时器，提高了PWM信号的读取精度。

(4)电源模块 为使控制器供电与电机、电磁铁供电互不影响干扰，采用电源隔离措施。该机器人电磁铁使用继电器控制，从而达到了电气隔离的效果。电源模块采用LT3971开关稳压芯片稳压，其开关频率可达2 MHz，能有效减少电压波纹，降低冲击，同时其最高效率可达96%，可有效降低能耗。

(5)线性调速功能的实现 机器人的线性调速功能由PWM信号控制驱动电机实现，在线性调速过程中需要系统各单元之间的相互协调配合。线性调速的原理是通过改变PWM信号的占空比，从而以线性升高或降低电机电枢电压。由于电机转速与电枢电压成正线性相关，改变占空比即可达到线性升高或降低电机转速的目的［5］。线性调速的步骤:①遥控接收器在接收到遥控信号后将其转换为PWM信号传输至单片机;②单片机将PWM信号进行A/D转换;③单片机向转向逻辑模块(TLM)输出两路独立的PWM信号;④逻辑模块分别向左右驱动电路传输各自的PWM信号;⑤驱动模块控制左右两侧电机在对应其PWM信号的转速下运行。

实际测试表明，由于采用了合理的控制电路设计方案，该足球机器人的线性调速功能实现良好，且具有响应快、精度高、调速范围大的特点。

5 程序设计

该机器人设计控制程序是在STC12C56XXAD系列单片机开发调试环境Keil uVision3下使用C语言编译而成的。程序主体为控制器程序，程序流程如图5所示。其中初始化过程记录各通道初始值，并执行伺服电机复位动作;3个通道分别为前后、左右的线性通道和一个控制发射的开关通道;短暂延时是为了防止程序执行速度过快，通道捕捉中断来不及响应而添加的。

图5 程序流程图

6 结语

笔者从机械结构、控制系统和程序算法三方面分析和给出了一种新的足球机器人的设计方法和实现途径。该足球机器人由四电机驱动，无线电遥控操作，采用STC12C56型单片机控制，具有控球、连续射门和线性调速功能。在已结束的2013年同济大学第六届创意机器人挑战赛中，该足球机器人凭借优异的表现获得了冠军。实践证明，该足球机器人在实战中运动灵活、响应迅速、控球稳定、射门精准、操作简便且功能完善，具有优于同类足球机器人的性能。

［1］ 张小川，纪 钢，邵桂芳，等.基于事例的足球机器人学习［J］.哈尔滨工业大学学报，2004，36(7):905-907.

［2］ 赵 臣，程 福，韩晓军，等.轮式足球机器人动态性能研究［J］.机械工程学报，2004，40(12):45-47.

［3］ Campion G，Bastin G，D'Andrea-Novol B.Structural properties and classification of kinematic and dynamic models of wheeled mobile robots［J］.IEEE Trans.on Robotics and Automation，1996，12(1):47-61.

［4］ 李 巍，于复生，李 琦，等.基于STC系列单片机的串行通信［J］.现代制造技术与装备，2006(6):60-61.

［5］ 张智军，张军涛.单片机变频调速PWM波发生器［J］.机械研究与应用，2005，18(4):116-117.