足球机器人底层自动控制系统硬件

1 引 言

　　足球机器人是一个典型的智能机器人系统，其低层控制系统的基本任务是：接收决策子系统通过无线通信子系统发射装置传来的运动控制指令，然后根据接收到的运动指令控制小车左、右轮以实现规划的运动。机器人足球赛的胜负除了取决于决策子系统水平的高低外，在很大程度上决定于硬件系统机器人性能的好坏。机器人的性能主要由低层控制系统决定，研究与开发集成度好、可靠性和控制高的控制系统具有重要的意义。

　　本文介绍由LPC2132微控制器、LM629运动控制芯片、L298恒压恒流桥式驱动芯片、BIM-433(418)-F无线收发模块等器件构成的足球机器人低层控制系统，简化系统软硬件设计，提高系统可靠性，在硬件设计上还考虑了机器人硬件平台的改进与升级问题(如加装避障传感器)。下面分述其构成的硬件及其特性。

2 硬 件

2.1 自动控制系统结构

　　足球机器人低层控制系统主要包括：微控制单元、运动控制器单元、电机驱动单元、速度检测单元、ID编码单元、无线接收单元、电源单元等。

2.2 微控制器

　　微控制器选用菲利浦公司生产的LPC2132芯片，他是内置FLASH存储器的ARM7TDMI-S内核的微控制器，内部具有64 kB高速FLASH存储器。其内还有A／D，PWM及D／A，适用于工业控制、汽车和医药等要求性能高的嵌入式应用系统中。

主要特性如下：

(1) CPU工作电压：3.0～3.6 V(I／O口可承受5 V的电压)；

(2) 47个可承受5 V的通用I／O口；

(3) 2个32位定时器(带4路捕获和4路比较通道)、看门狗；

(4) 多个串行接口、可加密；

(5) 8路A／D(10位)转换器、1路D／A(10位)转换器；

(6) CPU工作频率可达60 MHz；

(7) 单电源供电，含有上电复位和掉电检测电路。

微控制器在本系统中主要完成如下功能：

(1) 通过无线通信模块接收PC机发出的运动指令信息；

(2) 初步处理运动指令；

(3) 与运动控制芯片LM629通信，进行智能PID控制；

(4) 使能控制电机驱动芯片L298；

(5) 机器人ID处理、低电压监测等。

2.3 运动控制芯片

　　运动控制芯片选用美国国家半导体公司生产的可编程全数字运动控制芯片LM629，内置PID算法，其参数可以修改，支持实时读取和设定速度、加速度以及位置等运动参数，他适用于多种直流电机、无刷直流伺服电机以及其他可提供增量式位置反馈信号的伺服机构，可完成高性能数字式运动控制所需的集中、实时的计算任务。

主要特点如下：

(1) 32位的位置、速度及加速度寄存器；

(2) 带16位参数的可编程数字PID控制器；

(3) 可编程的微分采样时间；

(4) 8位脉宽调制PWM信号输出；

(5) 内部梯形速度图发生器；

(6) 速度、目标位置以及PID控制器的参数均可在运动过程中改变；

(7) 位置、速度两种控制方式；

(8) 可实时中断、增量式编码器接口；

(9) 电压：4.5～5.5 V。

　　微控制器LPC2132有47个通用、双向的数字I／O引脚，其中大多数是基本功能和一般的I／O功能复用。通过配置寄存器设置成所需要的功能。LM629与LPC2132连接电路见图2。

　　LM629的8位数据口D0～D7与LPC2132相连，实现数据交换，LM629的CS，RD，WR，PS，CLR，HI引脚分别与LPC2132相连，用于控制LM629的片选、数据读写及信息输出等。LM629受控于LPC2132，当LPC2132接收到PC机无线发送的信息后，先进行数据处理，然后通过数据口把处理完的信息传给LM629，再经过LM629内部梯形图发生器和PID调节器的运算，输出脉宽调制信号和方向信号，由LM629的引脚PWM(M)和PWM(S)输出。

2.4 电机驱动芯片　　

　　本系统电机驱动芯片选用的SGS公司的产品专用电机驱动芯片L298，他是恒压恒流双H桥式2A驱动芯片，可用来驱动继电器、线圈、直流电动机和步进电动机等电感性负载。VSS接逻辑控制的电源。VS为电机驱动电源。IN1～IN4输入引脚为标准TTL逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关，即实现电机的正反转。ENA，ENB引脚则为使能控制端，用来输入PWM信号实现电机调速。1，15脚是输出电流反馈引脚，通常在使用中这两个引脚直接接地。

主要数据如下：

(1) 电源：4.8～50 V；

(2) 逻辑电源：4.5～7 V；

(3) 输入或禁止信号：-0.3～7 V；

(4) 总功耗：25 W；

(5) 输出峰值电流：短时(100μs)：3 A；

　　连续(直流)：2 A；

　　断续(80％ON，20％OFF)：2.5 A。

　　本系统中L298与LPC2132和LM629连接电路见图3。L298的使能控制端ENA，ENB受控于LPC2132，他们分别接在LPC2132的P0.28和P0.29口。LM629(R)是控制足球机器人右轮的运动控制芯片，LM629(L)是控制足球机器人左轮的运动控制芯片，他们的输出信号PWM(M)和PWM(S)分别接L298的输入引脚IN1～IN4。LM629通过增量式编码器与电机接口，2个四倍频信号口A、B接在电机内部的测速编码器上，构成速度检测单元。L298的输出OUT1～OUT4引脚接驱动左右轮运动的直流伺服电机M1和M2，控制足球机器人的左右轮正、反转和停止。

2.5 直流伺服电机

　　车载电源是直流电源，所以小车的驱动电机只能选用直流电机。本系统选用Minimotor公司生产的微型直流伺服电机。该电机与测速编码器被制作成一个整体，具有体积小、重量轻、输出功率大、测速高等特点。测速编码器检测为512线，两相输出。

主要参数如下：

(1) 额定电压：6 V；

(2) 空载转速：8 200 rpm；

(3) 空载电流：29 mA；

(4) 机电时间常数：11 ms；

(5) 输出功率：4.6 W。

2.6 无线收发模块

　　本系统无线通信选用英国Radiometrix公司的低功耗超高频数据收发模块，型号为BIM-418-F和BIM-433-F，载波频率分别为418 MHz和433 MHz，通信速率高，性能可靠，体积小，只接少许外围电路即可工作，使用起来非常方便，即可发送又可接收，接线如图4，模块15脚(发射允许端)接为高电平，禁止发射功能，16脚(接收允许端)接为低电平，使能接收功能。模块12脚RXD端为接收到的数据信息，11脚为载波测试端，该端为低时12脚的数据有效。

主要特性如下：

(1) 微型PCB叠层结构；

(2) 工作业余无线电波波段；

(3) 可双向传送；

(4) 单向传输速率可达到40 kb／s；

(5) 室内有效范围为20 m，空旷处有效范围为100 m；

(6) 工作电压范围4.5～5.5 V，工作电流小于15 mA；

(7) 可与CMOS逻辑和TTL逻辑兼容。

2.7 电源电路

　　足球机器人底层自动控制系统硬件用同一电源供电，电池选用7.2 V可充电的锂电池组，由于LPC2132的CPU内核为3.3 V供电，其他外围设备采用5 V供电，系统电源有两种，5 V供电稳压选用LM7805三端稳压块，3.3 V供电稳压选用MIC5213-3.3BC5线性稳压器。

3 结 语

系统主要特点如下：

(1) 简化了软硬件设计，较好地解决了复杂运行算法的瓶颈问题；

(2) 具有很高的速度控制，动态品质优良；

(3) 实现了智能PID自适应控制；

(4) 可方便地进行功能扩展，如加装红外避碰系统，为改造成RoboCup小型足球机器人控制系统提供了便利。

总之该硬件系统结构简单，硬件组装无需调试，控制高，运行可靠、稳定。（马英庆，程 福，赵 臣）