摘要：足球機(jī)器人融合了計(jì)算機(jī)視覺、模式識(shí)別、決策對(duì)策、自動(dòng)控制、無線通信、多智能體合作等多項(xiàng)技術(shù)，具有極高的研究?jī)r(jià)值。本文設(shè)計(jì)了基于arm7微處理器的集中視覺足球機(jī)器人底層控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足微型機(jī)器人的控制需要。同時(shí)，也有利于足球機(jī)器人自主化的轉(zhuǎn)型和發(fā)展。 關(guān)鍵詞：足球機(jī)器人 嵌入式系統(tǒng) lpc2106 arm7 ptr2000以應(yīng)用為中心的嵌入式系統(tǒng)，已經(jīng)深入到生活的各個(gè)方面。相對(duì)于其它領(lǐng)域，智能機(jī)器人系統(tǒng)可以說是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用最典型、最廣泛的領(lǐng)域之一。本文對(duì)嵌入式系統(tǒng)在足夠機(jī)器人底層控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。1 足球機(jī)器人系統(tǒng) 足球機(jī)器人是計(jì)算機(jī)視覺、模式識(shí)別、決策對(duì)策、自動(dòng)控制、無線通信、智能體設(shè)計(jì)與電力傳動(dòng)、多智能體合作等多項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合體，是一個(gè)典型的智能機(jī)器人系統(tǒng)。足球機(jī)器人比賽集高科技、娛樂、競(jìng)技于一體，雖歷時(shí)不長(zhǎng)，但已經(jīng)成為國際上廣泛開展的高技術(shù)對(duì)抗活動(dòng)，引起社會(huì)廣泛的關(guān)注。研究與開發(fā)足球機(jī)器人系統(tǒng)，參加機(jī)器人足球賽是研究智能機(jī)器人，跟蹤國際高科技理論技術(shù)的理想切入點(diǎn)，同時(shí)也是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)理論聯(lián)系實(shí)際的極富生命力的成長(zhǎng)點(diǎn)。 從國內(nèi)外的比賽情況來看，目前主要是集中視覺的足球機(jī)器人比賽。如圖1所示，在整個(gè)比賽中，視覺系統(tǒng)通過ccd攝像頭和圖像采集卡對(duì)場(chǎng)上情景進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，把辨識(shí)結(jié)果送給決策系統(tǒng)，通過無線發(fā)射器向車體系統(tǒng)發(fā)出一系列控制命令。機(jī)器人根據(jù)主機(jī)命令做出反應(yīng)，在場(chǎng)上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)能通過譯碼器進(jìn)行位置控制以及基于傳感器進(jìn)行自動(dòng)避障和簡(jiǎn)單識(shí)別環(huán)境。 通常足球機(jī)器人系統(tǒng)可以劃分為機(jī)器人（車體）子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、視覺子系統(tǒng)和決策子系統(tǒng)四個(gè)部分，通過計(jì)算機(jī)視覺子系統(tǒng)閉環(huán)而構(gòu)成智能決策和控制系統(tǒng)（如圖2）。從圖2中可以看到，足球機(jī)器人車體是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它直接體現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的性能。小車的性能主要由車體性能與車載嵌入式控制系統(tǒng)——微型足球機(jī)器人底層控制系統(tǒng)決定。當(dāng)小車車體具有了良好的運(yùn)動(dòng)性能后，小車的性能就由車載嵌入式系統(tǒng)決定了。因此構(gòu)建一個(gè)快速、安全、可靠的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)2.1 系統(tǒng)任務(wù) 通過無線通信系統(tǒng)接受決策子系統(tǒng)傳來的控制指令；根據(jù)運(yùn)動(dòng)指令控制小車左右輪轉(zhuǎn)速；通過傳感器判斷場(chǎng)上環(huán)境信息，輔助機(jī)器人定位及運(yùn)動(dòng)。 2.2 微處理器選型 傳統(tǒng)的微處理器如51、96系列應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)，雖然開發(fā)周期短，成本低，但其實(shí)時(shí)性不好，復(fù)雜的控制算法難以實(shí)現(xiàn)；另外，增加的外圍電路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度慢，使機(jī)器人的性能得不到充分的發(fā)揮。高速dsp的出現(xiàn)雖然使得系統(tǒng)模塊化和全數(shù)字化，但其開發(fā)套件成本高。與dsp具有同等性能的arm微處理器資源豐富，具有很好的通用性，其主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是高性能、低價(jià)格、低功耗，可以廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，因此將arm應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)不失為一種好的策略。 lpc2106是飛利浦帶有一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的arm7tdmi-s微處理器，嵌入128kb高速flash存儲(chǔ)器。采用3級(jí)流水線技術(shù)，取指、譯碼和執(zhí)行同時(shí)進(jìn)行，能夠并行處理指令，提高cpu運(yùn)行速度。由于具有非常小的尺寸和極低的功耗，非常適用于那些將小型化作為主要要求的應(yīng)用。多個(gè)32位定時(shí)器、pwm輸出和32個(gè)gpio使它特別適用于工業(yè)控制和小型機(jī)器人系統(tǒng)。本文就是以lpc2106為核心，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的足球機(jī)器人車體系統(tǒng)。 2.3 車體系統(tǒng)設(shè)計(jì) 采用輸出軸配有光電編碼器的小型直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電路。lpc2106產(chǎn)生的pwm波經(jīng)專門的集成電路雙h橋驅(qū)動(dòng)器l298放大，驅(qū)動(dòng)左右輪電機(jī)。編碼器輸出兩路具有90度相位差的脈沖，經(jīng)正交脈沖解碼，為cpu提供反饋的計(jì)數(shù)值和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。lpc2106透過無線接收模塊接收主機(jī)命令，并融合外傳感器電路反饋的環(huán)境變量進(jìn)行電機(jī)的pid閉環(huán)控制。cpu保留jtag在線調(diào)試接口，方便程序的編寫、下載和升級(jí)。系統(tǒng)硬件組成原理圖如圖3所示。（1）電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路 微型直流電機(jī)以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能和非常高的效率廣泛的應(yīng)用于小功率系統(tǒng)中。為了控制直流電動(dòng)機(jī)，采用定頻脈寬調(diào)制（pwm）控制。這里，由于lpc2106本身就帶有6個(gè)pwm輸出口，直接輸出控制信號(hào)即可，無須另加電路。不過，其輸出的pwm波功率有限，須由驅(qū)動(dòng)電路放大后才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 考慮到電壓、電流的等級(jí)尺寸、外觀等因素，采用了l298來代替三級(jí)管所構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路。l298驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。 l298是恒壓恒流雙h橋集成電機(jī)芯片，可同時(shí)控制兩個(gè)電機(jī)，且輸出電流可達(dá)到2a。l298的en a（第6引腳）、en b（第11引腳）分別與lpc2106的pwm4和pwm6相連，作為調(diào)制信號(hào)。sense a，sense b為電流反饋引腳。電機(jī)控制方向引腳如表1所列。表1 l298控制引腳使能邏輯關(guān)系ena（b） in1