基于单片机的足球机器人小车系统设计及其在高校教学与科研中的应用前景_W66利来国际

足球机器人汽车系统设计

基于cm

概括

足球机器人是人工智能和机器人领域极具挑战性的高科技项目。它涉及机械、计算机、自动化、电子、传感器信息、图像处理、无线网络等高新技术。同时，它也是人工智能技术的理想突破点。机器人踢足球看似是一种游戏，其实它体现了一个国家信息化、自动化技术的综合实力。足球机器人系统在高校、科研院所的教学、科研等多个领域具有广泛的应用前景；无人机群的编队控制以及与敌方的辅助和防御对抗。据研究，1999年以来，哈尔滨工业大学、上海交通大学等高校成功举办了多届全国机器人足球比赛，但我国中型足球机器人比赛使用的平台均从国外进口。所谓竞争而已。堪称软件对抗。

本设计从最基本的硬件开发开始。在原有基础上进行了一系列改进。本设计仍然采用MCS-51单片机作为足球机器人的微处理器。其结构简单、性能稳定、引脚数量多。本质小车驱动器采用双电机作为动力，四轮配置，PWM调速，大大提高了机器人的机动性、灵活性、灵敏性； D模态转换使机器人更及时掌握现场信息；小车通讯方面，采用BIM-418(433)-F无线收发模块进行机器人足球队的整体配合。软件方面，采用C语言编写，为今后小型车系统的完善奠定基础。

关键词：足球机器人小车；单片机； PWM调速； A/D数字模式转换

抽象的

SocceroBotSandartiFicialIntelligeEROBOTISAVERENGINGIELDOFHIGHIGHTE ICS、传感器、图像处理、无线网络和其他高科技IntemintechNOLOGOAKTHROUGH.ROBOTSO CCER、TheGameAppEars、Infact、DisplayANALINDAUNDAUTONDECHNOLOGYSOVERANGTH.SocCerrobotSystemAreashaVideApplication、FO例如，大学和研究机构和科学研究机构、无人机和控制组支持敌人的进攻和防御作战，许多国内大学和大学都开展了佩德马赫内萨-边足球研究，以及自1999年以来，哈尔滨在科技大学，上海交通大学生命科学学院举行了一场充满活力的 ELDA 数字机器人竞赛，但我们的 BotSocCercom 请愿书使用该平台进口国外，竞赛可以被称为所谓的对抗。

硬件产品的基本设计从一开始，在原有的基础上进行了一系列的改进，设计以SASCMMMCS-51SOCCERROBO T'S微处理器为基础，ITSSTRUCURURURURURURIMPLE，性能稳定，回复大量offeet。手推车驱动器拥有AlMotora驱动力，四轴配置， PWM速度控制该机器人的移动性、灵活性、灵敏度AntheuniversPro-Vice-VegreeImproInFormationCollecollec TionStadium采用了PaLALLPORTA/DANALOG-DIGITALCON版本，使得体育场机器人更及时地掌握信息；车辆通信，使用 ABIM-418 (433) -F 无线收发器模块，Theerobot Soccerteam 作为整体，带有更多信息 Tnding.c-语言软件使用以预用于 FUREYSYSYSYSTEMTOLIMPRONGING INC Rease。

关键词: Robotsoccercar, SCM, PWMSpeedControl, A/DDAC

TOC\O《1-3》\H\Z\u 总结1

摘要2

1 足球机器人总体设计1

1.1 简介 1

1.2 机器人概述1

1.3 机器人动作选择1

1.4 机器人电路硬件选型2

1.5 传感器元件和转换元件选择2

1.6 机器人运行算法思路3

2 电源驱动及硬件电路设计 7

2.1 动力驱动部件及机芯设计 7

2.2 机器人轮子配置及转向方法 7

2.3 硬件电路设计 8

2.3.1 机器人系统结构 8

2.3.2 主要控制硬件电路[3] 9

2.3.3 传感器部分硬件电路12

2.3.4 电源部分16

2.4.1 无线电线通信接收系统 21

3 足球机器人软件设计 23

3.1 A/D转换器读写控制模块[8]23

3.2 运动控制程序模块24

3.2.1 方案原理 24

3.2.2 运动控制模块24

3.3 找球程序模块 26

3.3.1 编程思想 26

3.3.2 找球程序流程图 26

3.3.3 C语言编写的程序代码 27

3.4 进攻性程序模块28

3.4.1 编程思想 28

3.4.2 进攻程序模块图29

3.4.5 C语言编写的程序代码 30

3.5 防撞程序模块31

3.5.1 防撞程序的硬件实现 31

3.5.2 中断控制设置 31

3.5.3 碰撞系统模块程序 32

3.6总体方案32

4 功能测试 34

4.1 功能测试 34

4.1.1 找球功能模块测试 34

4.1.2 盲功能模块测试 34

4.1.3 方向判断功能模块测试 34

5 设计总结 35

5.1本设计的优点和创新点35

5.2 本设计可改进 35

参考文献 36

附录37

谢谢 43

1 足球机器人总体设计

1.1 简介

机器人竞赛是近年来在世界范围内迅速发展起来的一项高科技对抗活动。足球机器人的硬件设计涉及人工智能、智能控制、机器人、通信、传感器和机构等多个领域的前沿研究和技术融合。它集高科技、娱乐性、竞技性于一体，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类型的机器人，如机器人足球、机器人舞蹈、机器人相扑、机器人射击等，其中以机器人足球比赛最为引人注目。

作为整个系统的执行机构，足球机器人小车系统的性能在整体中起着至关重要的作用。早期的微型足球机器人采用独立部件控制[1]，基本可以满足一般训练和比赛的要求，但也暴露出许多问题，如计算速度太慢、可靠性低、经常出现故障等。硬件水平的水平出现，随着硬件水平水平的不断提高，国内外排名靠前的解决方案越来越多。例如，DSP的方法可以提高速度和控制精度。但由于DSP结构复杂，这种方法也给设计和设计以及电路设计和后续的开发和扩展工作带来了很大的困难。因此，本设计采用高度集成的8051单片机作为核心来设计电路。集成度高、性能稳定、价格低廉、外围扩展电路丰富、开发周期短。

1.2 机器人整体介绍

电气设计要求实现以下功能：无线数字接收、电动驱动调速、红外检测、障碍物、智能协调控制等。采用双层PCB板结构，各部件通过护栏电缆连接，金属框架结构。上板是CPU板、A/D转换电路、放置电机驱动器和接口电路、无线连接电路等主要控制电路。板、两个电源、两套电机和减速系统、两个主动轮和两个保持小车稳定运行的板、场地灰度检测传感器、前端球控制组件。

1.3 机器人运动方式的选择

地面移动通常有三种方式：轮式、履带式、步行式。

步行的运动方法模仿人类或动物的行走机制，用腿和脚行走，对环境有很好的适应能力，智力也比较高。正因为如此，步行动作的机构和控制最为复杂，技术尚未成熟，不适合灵活、可靠性高的比赛。

履带式其实就是一种为自己铺路的轮式车辆。它是一条圆形的圆形轨道，外面包裹着几个滚轮，使轮子不直接接触地面。履带式的优点是接地面积比轮子大，所以对地面的压力小；另外，它与路面的粘合力很强，可以吸收较小的凸面和凹凸不平，适合松软、不平整的地面。因此，履带广泛应用于各类工程机械和军用车辆上。

车轮运动是地面上最常见的行驶方式。轮式运动的优点是：运动高速稳定、能量利用效率高、机构和控制简单、技术较为成熟。其缺点是路面较高，适合平坦硬路。

在机器人足球比赛中，室内场地平整光滑，非常适合轮式运动。因此，本设计采用轮式运动。

1.4 机器人电路硬件选型

根据规定，机器人的尺寸要求比较小，直径为22cm，并且不允许自动控制手动烘干的操作。因此，采用单片机作为核心控制器件，可以采用小型直流电机作为动力驱动，可以满足比赛的要求。

单片机价格低，体积小，一般封装为20或40引脚，包括中央处理器、数据存储器和程序存储器输入输出设备。对于灵活的机动性，精度要求不高，有可扩展性和可擦的程序以及简单成熟的编程平台。单片机是最合适的选择。

在电机选型方面，考虑到机器人本身并不重，场地大小必然受到限制。可选用小型直流伺服电机，利用发动机电压作为速度控制信号。环境。

1.5 传感器元件和转换元件选择

通过对比赛规则的解读可以发现，球和场地底层的设计是比赛中最具特色的内容。它对机器人的核心设计——传感器以及比赛的方式有着决定性的影响。

红外足球的消亡意味着机器人必须有红外传感器来检测它。红外波长介于可见光和无线电波之间，约为0.76nm -1000Nm，光电传感器所使用的波长选择在近红外区域，即0.76nm -1000nm。常用的红外接收元件有光视网膜和光伏三极管。它们可以通过改变光的变化来改变电流[2]。

比赛的场地绘制是纵向的黑白灰度渐变，这意味着机器人必须正确判断进攻方向才能读取场地的灰度变化信息。为了实现这一功能，采用了红外光电反射传感器。该组件由红外光管和接受管组成。发光管一般为砷化钾半导体，发光波长范围0.76-1500nm，小功率管电压降1.0-1.3V，平均工作电流20-50mA，红外管有指向角、光轴、波长、辉辉度等性能指标。红外接收管可以采用上述光电二极管或三极管。

红外元件接收到的信号应根据情况需要转换为模拟量-数字量。因此，需要A/D转换芯片。 A/D转换的选择应根据所选单机来确定。为了提高数据处理速度和控制精度，本文51系列单片机的设计采用了合并技术。

1.6 机器人运行算法思想

分析游戏过程的规则后发现，游戏的思维过程与真实的足球比赛是一致的。机器人需要完成如下动作循环（如图1-1所示）。

图1 -1 足球机器人算法

图 1 - 足球机器人车辆算法

然而，这个过程中最关键的一步是将球攻入正确的球门。难点在于寻球传感器和地面方向传感器是两个独立的系统。依然是带球进攻。如果你单独执行球，让机器人跟随球的方向，它很可能会把球打进自己的球门；如果单独执行方向判断程序，机器人无法知道当前球的位置。冲向对方球门并造成无效攻击。

如何解决寻球程序与进攻方向的衔接，避免出现乌龙球和无效进攻，是算法设计需要解决的重要问题。不过查阅了一些相关资料，并没有找到满意的算法方案。

由于机器人套件形状的限制，无法实现对形状进行一些改变来满足算法需要的想法。在这个设计中，这就是可以自行设计的优点。通过增加一个“持球探针”，在算法上将球的连接与找球程序和进攻方向判断程序连接起来的问题。参考图如图1-2所示。

图1 -2 足球机器人模型

图 1-2 足球机器人模型

从图中可以看出，当机器人发现球并控制控球板上的球时，球探头上垂直向下的持球传感器会接收到红外信号，并将其转换为电流变化。以此信号作为是否持球的判断标志，单机继续查询标识。如果标志中没有信号反馈，则说明机器人不控制球，执行寻球程序；如果有信号反馈，则表示控球已被控制，将执行进攻方向判断和控球进攻程序。

简要流程如图1-3所示：

图1-3 简要流程图

图 1-3 简要流程图

使用绘图软件制作一个小车模型如图1-4所示：

图1-4 内部结构

图 1-4 汽车内部结构

各组件介绍如图1-5(a)、(b)、(c)所示：

图A

图B

图C

图1-5 各部件图

图 1-5 各种备件表

2 电源驱动及硬件电路设计

2.1 动力驱动部件及运动设计

各种机电一体化设备中的动力驱动部件和运动方式是系统中的最终执行机构，最终不动产对系统的性能有几大影响。一个好的动力驱动元件可以让整个系统平稳运行，并且具有较高的灵敏度和响应速度。足球机器人也不例外，因此需要找到一种好的机器人驱动方法。

2.2 机器人轮子配置及转向方法

常用的车轮配置有多种：两轮配置、三轮配置、四轮配置等。

第二轮配置通常用在一些简单的需求比如自行车上，这显然不适合我们的足球机器人。

三轮构型机器人本体配置结构虽然简单，但稳定性较差，遇到时容易倾倒。与三轮配置相比，四轮配置具有更好的稳定性。四轮的典型配置如下。

图2-1 四轮典型配置

图 2-1 典型四轮车的分配

如图2-11所示，前后轮为万向脚轮，左右轮为独立驱动轮。旋转中心重叠在车体中心，适合在狭窄场地行驶。其灵活性和稳定性较好。缺点是前后轮不能着地，加速时可能会出现俯冲。

图2-2 四轮轮的典型配置

图 2-2 四种典型配置

图2-2的配置方法是常见的所谓汽车配置方法，汽车的稳定性较高。两个舵轮需要协调同一个舵机构的转向，这就增加了舵对机构的传递。同时，为了减少后轮摩擦损失，差速齿轮装置加装了差速齿轮装置，增加了机构的复杂性。

综合各方面因素，本设计采用如图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将该机器人分解为主控部分、传感器部分、AD转换部分、电源部分、电机驱动部分。分析了装置各部分的主要功能及各部分组合而成的总体系统。

2.3.1 机器人系统结构

根据现代机器人理论，机器人分为机器人、环境、任务、控制器四种交互方式。系统结构图如图2-3所示：

图2-3 现代机器人的结构模型

图2-3 现代机器人结构模型

本设计中，根据实际情况的需要，对上述模型进行简化，得到如图2-4所示的系统结构图：

图2-4 足球机器人模型

图 2-4 足球机器人模型

2.3.2 主要控制硬件电路[3]

2.3.2.1 硬件主控部分-8051

本设计采用Intel公司生产的8051单片机作为控制器。

8051单片机包括中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断三个主要单元和数据总线、地址总线和控制总线。系统。现在我们分别解释一下：

中央处理器

中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件。它是一个具有8位数据宽度的处理器。它可以处理8位二进制数据或代码。 CPU负责控制、指挥、调度整个单元系统的协调工作，完成运算和控制输入的输入输出功能等操作。

数据存储器（RAM）

8051有128个8位用户数据存储单元和128个特殊寄存器单元。它们的位置是统一的。专用寄存器只能用于存储控制指令数据。用户只能访问它，不能用于存储用户数据。因此用户只能使用 128 个 RAM。读取数据、操作的中间结果或用户定义的字体表。

程序存储器（ROM）

8051共有4096个8位掩码ROM，用于存储用户程序、原始数据或表格。

定时/计数器（ROM）

8051有两个16位可编程定时器/计数器，实现定时或计数中断，以控制程序转向。

中断系统

8051具有比较完善的中断功能，有两个外部中断、两个定时/计数器中断、一个串行中断，可以满足不同的控制要求，并有2级优先级选择。

时钟电路

采用内置最大频率为12MHz的8051时钟电路来产生整个单片机的脉冲序列，但8051单片机需要外接振荡电容。

单片机结构有两种。一种是程序存储与数据存储器分离的形式，即哈佛结构原理，另一种是通用计算机广泛采用的结构与数据存储器合二为一的结构，即冯诺埃曼结构原理。 Intel的MCS-51系列单片机采用哈佛结构形式。

图2-5 单片机封装图

图 2-5 SCM 封装图

MCS-51系列单片机的8031、8051、8751采用40pin封装的双列直插DIP结构。右图是它们的引脚配置。 40个引脚中，两根正电源线和地线，外接石英振荡器件的时钟线两根，4组共32个I/O端口。现在我们解释一下这些引脚的功能[4]：

(1)主电源报价脚VCC和VSS\88\G3EJ

g8 j) 5U

VCC（40针）：主电源+5V：xloo/L

VSS（20 针）：接地 OC | e@y@xp

)Dz[7#8NY(2)时钟电路引脚Xtal1和XTAL2，({jrz

Kab H、IXTAL2（18脚）：外晶振一端。该片是振荡电路的输出，与振荡电路相反。呃（{j~

XTAL1（第19位）：外部晶振的另一端。该薄膜是振荡电路的输入端。 C

_NYOKZ (3) 控制信号 RST/VPD、ALE/(/Prog)、/PSEN 和 (/EA)/VPP -X \ _, AZ = 9 &

克 | 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，对单片机进行复位。该引脚具有复用功能。 VPD为备用电源输入端，防止主电源强力供电。

v'jf) 3h'z}* vgk#rf ale/(/prog) (30 pin)：地址锁定信号端。当访问开箱即用存储器时，ALE是低八位地址的锁定控制信号。当不访问外部存储器时，该端固定为六分之一时钟振荡频率的输出脉冲。 ALE侧负载驱动能力为8个LSTTL门。该引脚具有复用功能，是本节编程（固化）的编程脉冲输入。 ), n.'l> "dv

7d v*5"5

/PSEN（第29位）：选择外部程序存储器的信号。负载能力为8LSTTL门。 .@-V3IP^

%H*ANEU,!# (/EA)/VPP(31脚):/EA端接高电平，CPU指令自动从片内程序存储器扩展到片外程序存储器。 /EA端接低电平，CPU只从外部程序存储器取指令。该引脚具有复用功能，VPP为片内程序存储器编程的编程电压。

问 | 0o; K (4) 输入/输出引脚 P0、P1、P2 和 P3 端口 P～EC 6

ZX&]Q(|EW P0.0～P0.7(39～32脚)：作为访问片外存储器时的低八位地址线和八位数据线(复用)。

}] {B P1.0～P1.7（1～8脚）：8位准两路I/O口。负载能力为 3 个 LSTTL 门。 [*T；数字SI

P2.0～P2.7（21-28脚）：作为访问片外存储器时的高八位地址线。

Fj'4ppb(|PCD|P3.0～P3.7(10～17针)：8位双向I/O端口。负载能力为3个LSTTL门。此外，还有一个特殊的第二个功能。 ] VE 另外

P3.0（10脚）：RXD（串口输入端）

P3.1（11脚）：TXD（串口输出端）#+； “qet7

P3.2（12脚）：/int0（外部中断0输入端）D3]2LVS 4

P3.3（13脚）：/int1（外部中断1输入端）^yicolk