機器人小車車體主要由車架、車輪、電機、減速裝置、驅動電源、單片機控制電路與無線接收模塊構成。它可以按主機發(fā)出的命令調整左、右輪轉速，以保證按預定的軌跡運動。為適應激烈對抗的比賽環(huán)境，機器人應具有高度的機動性和靈活性。能平穩(wěn)迅速地完成前進、后退、轉向及急停等動作，運動速度和方向要足夠精確。為實現(xiàn)上述性能，機器人對稱性要好，雙輪由雙電機分別驅動，且加；找出幾次都沒變化的開入量比較相鄰兩次開入量：輸出穩(wěn)定的開入量；隊列指針指向下一個一38一接上頁）adda，ro；循環(huán)隊列副本區(qū)賦值；判別啟動條件；比較本次與上次開入量狀態(tài)；保存比較結果；a！=o有變化，進行濾波處理；本次沒有變，檢查前幾次；是否變化7i89er：ro3o：；啟動條件滿足，進行濾波處理：為o的位開入量己穩(wěn)定3：8a；處理濾波結果4結束語狀態(tài)計數(shù)法不受采集次數(shù)的約束，然而與開入量通道數(shù)有關；而窗口濾波法基本不受開入量通道數(shù)的約束，但與采集次數(shù)有關。因此在采集次數(shù)較多，通道數(shù)少的應用中應采用狀態(tài)計數(shù)法；在采集次數(shù)較少，通道數(shù)多的應用中采用窗口濾波法。

工精度高。由于比賽中對運動速度和方向有很高的精度要求，所以需要設計好運動控制模塊。

1模塊設計首先討論小車接收命令后的控制過程。無線接收模塊將命令字串行發(fā)送到單片機。每1幀命令字為3個字節(jié)。

第1字節(jié)為小車的標志位；第2字節(jié)為小車的左輪速度設定值；第3字節(jié)直接為小車的右輪速度設定值。接收到命令字后，先將命令字的第1字節(jié)（即小車的標志位）同本小車的標志位對比，只有2個標志位完全一樣時，才接收命令字的后2個字節(jié)。然后，單片機接收光電譯碼器的反饋信息，通過運動控制器pwm模塊驅動電機正反轉，從而實現(xiàn)對左、右輪速度的閉環(huán)控制，使左、右輪速度達到設定值（即主機發(fā)送的命令值），完成各種基本運動。系統(tǒng)硬件結構如所示。

1.1cpu的選擇cpu的選擇很關鍵，要從效率、功能、經(jīng)濟等多方面考慮。美國微芯公司（microchip）推出的cmos8位pic系列單片機，具有實用、低價、指令集小、體積小、功能強等特點。pic16687x是微芯公司的中檔產品，采用14位的類risc指令系統(tǒng)，在保持低價格的前提下，增加了a/ =轉換器、內部存儲器、比較輸出、捕捉輸入、pwm輸出、i2c總線和spi總線接口電路、異步串行通信（usart）接口電路、模擬電壓比較器、lc=驅動、flash程序存儲器等許多功能。

這種單片機具有如下特點：簡單性：采用類risc指令集，指令數(shù)目少，開發(fā)容易，周期短。

高速：pic采用哈佛總線和類精簡指令集，指令的執(zhí)行速度比一般的單片機要快45倍。

低功耗：pic采用cmos電路設計，結合了諸多的節(jié)電特性，使其功耗很低。

配備有otp（onetimeprogrammable）型、eprom型及flash型等多種形式的芯片，使產品開發(fā)更容易、快捷。

最重要的一點是采用pic可以省略運動控制器，pic166876單片機內部集成有2個ccp（捕捉、比較、脈寬調制pwm）模塊。當它工作在pwm方式下時，具有2個脈沖寬度調制輸出通道，它們可以產生寬度和周期均由編程決定的pwm波形。通過pwm來調整電壓控制電機轉速。由于cpu自帶了pwm來控制電機，所以完全可以省去運動控制器。

綜上所述并基于性價比等綜合考慮，采用pic166876最為理想，它有28引腳，開發(fā)效率高、體積小、價格低，能很好地滿足需要。

1.2電機與減速器的設計小電機有直流電機和步進電機二種。步進機的優(yōu)點是控制簡便，但受尺寸限制，不好實施。超小型的直流電機生產廠家則較多，規(guī)格也較齊全，可根據(jù)具體情況進行選擇。一般情況下，工作電壓應在312v，空載轉速8000-pm左右。電機一旦選定，額定轉速就確定了。機器人的線速度最小應大于50cm/s.基于這2個約束條件可以進行減速器的設計。減速器就是齒輪盒，即通過2半徑不同、互相嚙合的齒輪構成，工作原理很簡單。使用減速器的目的是降低電機的轉速，實際不需要小車達到如此高的速度。每輛小車需配2個齒輪盒，分別同電機和小車車輪相連。

根據(jù)機器人平均線速度的要求（按100cm/s計算），小車輪半徑！一般為23cm.設"（cm/s）為小車的線速度，（cm）為小車的輪半徑，為電機轉速，n為齒輪的減速比，pi=3.1415926.由公式"=（2xpix！xn）/（60xn），按平均線速度要求，可計算出減速比約為1：6左右。還可稍降一點，將小車的車輪半徑！=2cm，取齒輪的減速比n=14，=8000帶入上，得到fmax=120cm/s，這一速度值可滿足小車的要求。

1.3測速裝置的設計小車實際運動過程中，由于慣性及機械上的原因以及快速制動的需要，車輪的實際轉速不可能完全等于計算值，這就需要有測速裝置來構成小車速度的閉環(huán)反饋，使其速度在短時間內達到設定值。一般有二種方案：采用霍爾傳感器。在車輪上安裝磁性物質，然后通過霍爾元件去感應。小車車輪每旋轉1周，霍爾元件感應到磁性物質便會觸發(fā)1個脈沖，cpu對脈沖進行計數(shù)，再記錄所用時間，經(jīng)簡單計算便可得到轉速。例如在分鐘內統(tǒng)計了x個脈沖，那么轉速=x/%.這種方法的優(yōu)點是經(jīng)濟且結構簡單；缺點是計數(shù)不精確，導致控制上的不精確。由于足球機器人控制要求精度高，故不宜使用此種方法。

光電碼盤又名光電譯碼器，主要是用來測量轉速，它構成小車速度的閉環(huán)反饋。光電碼盤具有響應速度快、可靠性高，測速準確等優(yōu)點。光電碼盤主要由光發(fā)射器照射下，通過光電碼盤的盤縫，不斷輸出光電脈沖信號。

輪速同光電脈沖的個數(shù)有著一一對應的關系。光電碼盤一39一分別輸出a、b 2個信號，a代表車輪正轉時輸出的脈沖，b代表車輪反轉時輸出的脈沖。輸出脈沖如所示。

由可發(fā)現(xiàn)，當車輪作順時針轉動時，a脈沖超前b脈沖1/4個周期；當車輪作逆時針轉動時，a脈沖落后b脈沖1/4個周期。cpu根據(jù)a、b脈沖的相位關系判斷車輪的正反轉。如cpu讀取光電碼盤的輸出信號，當檢測到狀態(tài)ab由00-01-11-10-00時，說明車輪在逆時針轉動；當檢測到狀態(tài)ab由說明車輪在順時針轉動。

光電碼盤的輸入很簡單，只需+5v電源和2根地線輸入。輸出為2個脈沖信號a和b，使用方便。它的一項重要的參數(shù)是脈沖比，即車輪每轉1圈產生的脈沖數(shù)。脈沖比越高，精度越高，但會使運算量加大，應權衡考慮。本設計選擇脈沖比為128的光電碼盤，能滿足系統(tǒng)的精度要求，同時運算量不大。

每輛小車均配備2個光電碼盤，一般光電碼盤均同直流電機封裝在一起。

1.4電機驅動芯片的選擇cpu輸出p1m信號，電壓為脈沖形式。由于輸出的電流很小，不能使電機轉動，直接將cpu的輸出和直流電機的輸入相連是不能使電機轉動的。使用電機驅動芯片的目的就是將cpu的輸出電流放大，從而獲得足夠大的力矩，驅動電機轉動。

本設計選用的是意法半導體聯(lián)合公司（sgs-thomson<生產的電機驅動芯片l298n.l298n為含有15個引腳的直插式芯片，其主要性能：（1）體積?。洪Lx寬x高=；（2）操作電壓范圍大：操作電壓fs范圍從4~46v；（3）抗干擾能力強：低于1.5v的電壓均視為低電平，對噪聲有較強的抑制作用；（4）配備散熱片，減少溫度對電子元器件的影響；（5）邏輯電平fss為+5v；（6）工作效率高：1塊l298n可以驅動2臺電機，故每輛小車只需配備1塊l298n；（7）輸出電流大：l298n可以將電流放大l298n共有15根引腳，要同cpu、電源、直流電機相連。具體連接方式可其技術資料。

上面已經(jīng)提到pic16f876單片機內部集成有2個ccp模塊。當它工作在p1m方式下時，相應引腳上可以輸出分辨率為8位或10位的p1m波形。此時必須將trisc寄存器中的第2位清0，以設置引腳為輸出狀態(tài)。

p1m的輸出有一個時基（周期）和一個保持為高電平的時間，p1m的頻率就是周期的倒數(shù)。p1m的周期可通過向tmr2的周期寄存器pr2寫入設定，其計算公式：p1m改變pr2寄存器的值，就可以控制輸出的p1m波形的頻率。通過寫入ccpr1l寄存器和ccp1con控制器的4~5位，可以得到p1m的高電平時間設定值，分辨率可達10位；由8位的ccpr1l值（作為10位中的高8位）和控制寄存器ccp1con中的第4~5位（作為10位中的低2位）組成。用以下方程可以計算p1m的高電平時間：p1m高電平時間=（ccpr1l：ccp1con（bit5~bit4）x在pr2―定的情況下，通過控制ccpr1l寄存器和ccp1con控制器位第4~5位的值，就可以控制輸出的p1m波形的占空比。將ccp1con寄存器的ccp1m3~ccp1m0位設置成1100，就可以使ccp1模塊工作于p1m方式。要把ccp模塊設置為p1m操作時，需按5步進行：1）向pr2寄存器寫入相應的值，以設定p1m周期；（2）向ccpr1l和控制寄存器ccp1con中的第5位、第4位寫入相應的值，以設定p1m高電平時間；（3）通過對trisc的第2位清0，以設定rc2/ccp1引腳為輸出狀態(tài)；（4）設置tmr2的前分頻值，并通過t2con寫入，以使tmr2使能；（5）設定ccp1模塊為p1m操作。

2小結驅動與運動控制模塊是足球機器人小車硬件設計中的難點和重點，本文詳細介紹了小車子系統(tǒng)該部分的設計。其中采用的都是較常用、市面上容易買到的芯片和部件，在滿足控制精確性的基礎上考慮了經(jīng)濟實用特性，且結構簡潔。據(jù)此設計出的小車子系統(tǒng)在原理上是完全可行的，也是容易實現(xiàn)的。足球機器人的研制開發(fā)必將由大學實驗室走向社會、面向大眾?；谶@種方向，今后的設計應把側重點從精確控制轉向簡潔和經(jīng)濟，使這項高科技運動適應大眾化的需求。