摘要：足球機器人融合了計算機視覺、模式識別、決策對策、自動控制、無線通信、多智能體合作等多項技術，具有極高的研究價值。本文設計了基于ARM7微處理器的集中視覺足球機器人底層控制系統(tǒng)，簡化了系統(tǒng)設計，滿足微型機器人的控制需要。同時，也有利于足球機器人自主化的轉型和發(fā)展。

    關鍵詞：足球機器人 嵌入式系統(tǒng) LPC2106 ARM7 PTR2000

以應用為中心的嵌入式系統(tǒng)，已經(jīng)深入到生活的各個方面。相對于其它領域，智能機器人系統(tǒng)可以說是嵌入式系統(tǒng)應用最典型、最廣泛的領域之一。本文對嵌入式系統(tǒng)在足夠機器人底層控制系統(tǒng)中的應用進行研究和設計。

1 足球機器人系統(tǒng)

足球機器人是計算機視覺、模式識別、決策對策、自動控制、無線通信、智能體設計與電力傳動、多智能體合作等多項技術的結合體，是一個典型的智能機器人系統(tǒng)。足球機器人比賽集高科技、娛樂、競技于一體，雖歷時不長，但已經(jīng)成為國際上廣泛開展的高技術對抗活動，引起社會廣泛的關注。研究與開發(fā)足球機器人系統(tǒng)，參加機器人足球賽是研究智能機器人，跟蹤國際高科技理論技術的理想切入點，同時也是嵌入式計算機系統(tǒng)理論聯(lián)系實際的極富生命力的成長點。

    從國內外的比賽情況來看，目前主要是集中視覺的足球機器人比賽。如圖1所示，在整個比賽中，視覺系統(tǒng)通過CCD攝像頭和圖像采集卡對場上情景進行實時采集和處理，把辨識結果送給決策系統(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。機器人根據(jù)主機命令做出反應，在場上運動，同時能通過譯碼器進行位置控制以及基于傳感器進行自動避障和簡單識別環(huán)境。

通常足球機器人系統(tǒng)可以劃分為機器人（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)四個部分，通過計算機視覺子系統(tǒng)閉環(huán)而構成智能決策和控制系統(tǒng)（如圖2）。從圖2中可以看到，足球機器人車體是整個系統(tǒng)的執(zhí)行機構，它直接體現(xiàn)了整個系統(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)——微型足球機器人底層控制系統(tǒng)決定。當小車車體具有了良好的運動性能后，小車的性能就由車載嵌入式系統(tǒng)決定了。因此構建一個快速、安全、可靠的實時嵌入式系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的關鍵。

2 系統(tǒng)設計和實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)任務

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)運動指令控制小車左右輪轉速；通過傳感器判斷場上環(huán)境信息，輔助機器人定位及運動。

    2.2 微處理器選型

傳統(tǒng)的微處理器如51、96系列應用于機器人系統(tǒng)，雖然開發(fā)周期短，成本低，但其實時性不好，復雜的控制算法難以實現(xiàn)；另外，增加的外圍電路數(shù)據(jù)轉換速度慢，使機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，其主要技術優(yōu)點是高性能、低價格、低功耗，可以廣泛的應用于各個領域，因此將ARM應用于機器人控制系統(tǒng)不失為一種好的策略。

LPC2106是飛利浦帶有一個支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S微處理器，嵌入128KB高速Flash存儲器。采用3級流水線技術，取指、譯碼和執(zhí)行同時進行，能夠并行處理指令，提高CPU運行速度。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用。多個32位定時器、PWM輸出和32個GPIO使它特別適用于工業(yè)控制和小型機器人系統(tǒng)。本文就是以LPC2106為核心，設計結構簡單、性能穩(wěn)定的足球機器人車體系統(tǒng)。

    2.3 車體系統(tǒng)設計

采用輸出軸配有光電編碼器的小型直流電機作為驅動電路。LPC2106產生的PWM波經(jīng)專門的集成電路雙H橋驅動器L298放大，驅動左右輪電機。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提供反饋的計數(shù)值和轉動方向。LPC2106透過無線接收模塊接收主機命令，并融合外傳感器電路反饋的環(huán)境變量進行電機的PID閉環(huán)控制。CPU保留JTAG在線調試接口，方便程序的編寫、下載和升級。系統(tǒng)硬件組成原理圖如圖3所示。

（1）電機與驅動電路

微型直流電機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用于小功率系統(tǒng)中。為了控制直流電動機，采用定頻脈寬調制（PWM）控制。這里，由于LPC2106本身就帶有6個PWM輸出口，直接輸出控制信號即可，無須另加電路。不過，其輸出的PWM波功率有限，須由驅動電路放大后才能驅動電機。

    考慮到電壓、電流的等級尺寸、外觀等因素，采用了L298來代替三級管所構成的驅動電路。L298驅動電路如圖4所示。

L298是恒壓恒流雙H橋集成電機芯片，可同時控制兩個電機，且輸出電流可達到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，作為調制信號。SENSE A，SENSE B為電流反饋引腳。電機控制方向引腳如表1所列。

表1 L298控制引腳使能邏輯關系

Vss電壓最小為4.5V，最大可達36V；Vs電壓最大值也是36V。但經(jīng)過實驗，Vs電壓應該比Vss電壓高，否則有時會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。

（2）無線接收模塊

小車通過無線接收模塊接收主機發(fā)出的命令進行運動，通信的高速性、穩(wěn)定性和準確性至關重要，它將直接影響整個系統(tǒng)的采樣周期。采用PTR2000模塊作為控制核心，它的顯著特別是所需要外圍元件少，設計非常的方便。傳統(tǒng)的無線通信電路方案不是電路復雜就是調試困難，PTR2000是一款基于nRF401芯片的無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，最高通信速率為20Kb/s，工作距離為10m內。采用抗干擾能力較強的FSK調制/解調方式，其工作頻率穩(wěn)定可靠，功耗極低且靈敏度極高，非常適合小型化的設計且其頻率433.92MHz與434.33MHz可選，很好地滿足了比賽的要求。

    圖5給出了PTR2000與LPC2106的接口電路圖。其中，DO、DIIV與分別LPC2106的TXD0（13引腳）和RXD0（14引腳）相連，作為串行通信的通道。CS為PTR2000模塊的頻率選擇信號，PWR為模塊節(jié)能引腳，正常工作為高電平。TXEN是模塊發(fā)射接收控制，由LPC2106的I/O口控制。PRT2000是收發(fā)一體的集成芯片，采用3.3V供電，可以與LPC2106進行無縫連接。PRT2000作為發(fā)射端與PC機相連時，需要通過一個電平轉換器（這里用MAX3232）轉換成RS-232電平。

主機采用廣播式通信方式，依次發(fā)送13個字節(jié)，如圖6所示，足球機器人根據(jù)ID指針去響應相應的字節(jié)，并校驗啟動位及自身ID校驗字節(jié)，進行取舍。

（3）傳感器模塊

場上形勢瞬息萬變，單純依靠視覺系統(tǒng)，經(jīng)常出現(xiàn)空跑、頂牛或帶球丟失等情況。為了穩(wěn)定帶球以及避免碰撞，有必要增加相應的傳感器來識別場上的物體，實現(xiàn)避障與帶球功能。

    （4）電源模塊

系統(tǒng)用同一電源給IC和電機供電，電池采用8.4V的可充電鋰電池。除直接給電機供電外，還需分出5V給外圍設備供電，由于LPC2106是雙電源供電，CPU內核為1.8V，I/O口需要3.3V，所以電流電壓經(jīng)7805轉換成5V電壓，由線性穩(wěn)壓器TPS76818QD與TPS75733KTT分別提供1.8V和3.3V電壓。同時采用專門的電源監(jiān)控芯片MAX708S，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.4 程序設計

程序主要由初始化程序、串行通信程序，可調整PWM波輸出程序、I/O口控制程序組成。主函數(shù)是一個響應中斷的循環(huán)結構，如圖7所示。

    ARM7是一個支持多個操作系統(tǒng)移植的芯片。使用合適的實時操作系統(tǒng)（例如μCLinux等）來代替循環(huán)等待結構的主程序，使程序設計的任務大大簡化，方便了系統(tǒng)任務的擴充，有利于系統(tǒng)的升級和轉型。從系統(tǒng)移植的角度看，ARM比傳統(tǒng)的51、96系列，甚至DSP單片機都具有明顯的優(yōu)越性。

3 結論

本文研究和設計一個基于ARM7微處理器的車載嵌入式系統(tǒng)，不僅滿足了微型足球機器人控制系統(tǒng)的要求，同時，也為機器人的轉型應用提供了良好的技術支持。