足球机器人 c++代码（足球机器人编程）

作者：关惠珍、刘赞、魏勇、王兰兰

以应用为中心的嵌入式系统已经渗透到生活的方方面面。与其他领域相比，智能机器人系统可以说是嵌入式系统应用最典型、最广泛的领域之一。本文研究并设计了嵌入式系统在足量机器人底层控制系统中的应用。

1 足球机器人系统

足球机器人综合了计算机视觉、模式识别、决策策略、自动控制、无线通信、智能体设计和电气传动、多智能体协作等技术。它是一个典型的智能机器人系统。足球机器人大赛集高科技、娱乐性、竞技性于一体。虽然持续时间不长，但已成为国际上广泛开展的一项高科技对抗活动，引起了社会的广泛关注。研发足球机器人系统、参加机器人足球比赛是研究智能机器人、跟踪国际高科技理论和技术的理想切入点。也是嵌入式计算机系统理论与实践相结合的一个重要增长点。

从国内外比赛来看，目前主要集中在视觉足球机器人比赛上。如图1所示，在整个比赛过程中，视觉系统通过CCD摄像机和图像采集卡实时采集和处理场上场景，将识别结果发送给决策系统，并发送一系列控制给决策系统。通过无线发射器连接车身系统。命令。机器人响应主人的命令，在场地上移动。同时，它可以通过解码器进行位置控制，并根据传感器自动避障和简单识别环境。

通常足球机器人系统可分为四个部分：机器人（车体）子系统、通信子系统、视觉子系统和决策子系统。通过计算机视觉子系统的闭环形成智能决策与控制系统（图2）。从图2可以看出，足球机器人本体是整个系统的执行器，直接体现了整个系统的性能。小车的性能主要由车体性能和车载嵌入式控制系统——微型足球机器人底层控制系统的性能决定。当车体具有良好的运动性能时，汽车的性能由车载嵌入式系统决定。因此，构建一个快速、安全、可靠的实时嵌入式系统是整个系统的关键。

2 系统设计与实现

2.1 系统任务

通过无线通信系统接收决策子系统的控制指令；根据运动指令控制小车左右轮的速度；通过传感器判断场地的环境信息，辅助机器人的定位和运动。

2.2 微处理器选型

51和96系列等传统微处理器用于机器人系统。虽然开发周期短、成本低，但其实时性较差，复杂的控制算法难以实现。另外，增加的外围电路数据转换速度慢，使得机器人的性能无法充分发挥。虽然高速DSP的出现使得系统模块化、全数字化，但其开发套件成本较高。 ARM微处理器具有与DSP相同的性能，资源丰富，通用性好。其主要技术优势是高性能、低价格、低功耗。它可以广泛应用于各个领域。因此，ARM用于机器人控制。该系统是一个很好的策略。

LPC2106是Philips ARM7TDMI-S微处理器，支持实时仿真和跟踪，内嵌128KB高速Flash存储器。采用3级流水线技术，取指令、译码和执行同时进行，可以并行处理指令，提高CPU运行速度。由于其尺寸非常小且功耗极低，因此非常适合以小型化为主要要求的应用。多个32 位定时器、PWM 输出和32 个GPIO 使其特别适合工业控制和小型机器人系统。本文采用LPC2106为核心，设计了一种结构简单、性能稳定的足球机器人本体系统。

2.3 车身系统设计

驱动电路采用输出轴上装有光电编码器的小型直流电机。 LPC2106产生的PWM波经专用集成电路双H桥驱动器L298放大后驱动左右轮电机。编码器输出两个相位差为90 度的脉冲。正交脉冲译码后，向CPU提供反馈计数值和旋转方向。 LPC2106通过无线接收模块接收主机命令，综合外部传感器电路反馈的环境变量对电机进行PID闭环控制。 CPU保留JTAG在线调试接口，方便程序编写、下载和升级。系统硬件组成示意图如图3所示。

(1)电机及驱动电路

微型直流电机因其良好的线性特性、优异的控制性能和极高的效率而广泛应用于小型电力系统。为了控制直流电机，采用固定频率脉宽调制（PWM）控制。这里，由于LPC2106本身有6个PWM输出端口，因此可以直接输出控制信号，无需添加额外的电路。但其输出的PWM波功率有限，必须经过驱动电路放大后才能驱动电机。

考虑到电压电流水平、尺寸、外观等因素，采用L298代替三级管组成的驱动电路。 L298驱动电路如图4所示。

L298是一款恒压恒流双H桥集成电机芯片，可以同时控制两个电机，输出电流可达2A。 L298的EN A（第6引脚）和EN B（第11引脚）分别连接到LPC2106的PWM4和PWM6作为调制信号。 SENSE A 和SENSE B 是电流反馈引脚。电机控制方向引脚如表1所示。

Vss电压最小为4.5V，最大为36V；最大Vs电压也是36V。但经过实验，Vs电压要高于Vss电压，否则有时会出现失控现象。

(2)无线接收模块

小车通过无线接收模块接收主机发出的指令进行移动。通信的高速、稳定和准确至关重要，将直接影响整个系统的采样周期。采用PTR2000模块作为控制核心。其明显的优点是所需外围元件较少，设计非常方便。传统的无线通信电路解决方案要么复杂，要么难以调试。 PTR2000是一款基于nRF401芯片的无线数据收发模块。最大通信速率为20Kb/s，工作距离在10m以内。采用FSK调制解调方式，抗干扰能力强。其工作频率稳定可靠，功耗极低，灵敏度极高。非常适合小型化设计，频率为433.92MHz和434.33MHz，非常适合满足比赛要求。

图5为PTR2000与LPC2106的接口电路图。其中，DO和DIIV分别连接到LPC2106的TXD0（13引脚）和RXD0（14引脚）作为串行通信通道。 CS为PTR2000模块的频率选择信号，PWR为模块节能引脚，正常工作时为高电平。 TXEN为模块发送和接收控制，由LPC2106的I/O口控制。 PRT2000是一款集成收发芯片，采用3.3V供电，可与LPC2106无缝连接。当PRT2000连接PC作为发送器时，需要通过电平转换器（这里使用MAX3232）转换为RS-232电平。

主机采用广播通信方式，依次发送13个字节。如图6所示，足球机器人根据ID指针响应相应的字节，并验证起始位和自身的ID验证字节以做出选择。

(3) 传感器模块

场上局势瞬息万变，单纯依靠视觉系统往往会造成逃跑、推牛、丢球等情况。为了稳定球并避免碰撞，需要添加相应的传感器来识别场上物体并实现避障和带球功能。

(4)电源模块

系统采用同一电源为IC和电机供电，电池采用8.4V可充电锂电池。除了直接给电机供电外，还需要分离出5V给外围设备供电。由于LPC2106采用双电源供电，CPU核心为1.8V，I/O端口需要3.3V，因此电流和电压由7805转换为5V。稳压器TPS76818QD和TPS75733KTT提供1.8V和1.8V的电压。分别为3.3V。同时采用专用电源监控芯片MAX708S，提高了系统的可靠性。

2.4 编程

程序主要由初始化程序、串行通信程序、可调PWM波输出程序、I/O口控制程序组成。 main函数是一个响应中断的循环结构，如图7所示。

ARM7是一款支持多种操作系统移植的芯片。采用合适的实时操作系统（如CLinux等）来代替循环等待结构的主程序，大大简化了编程任务，方便系统任务的扩展，有利于系统的升级和改造。从系统移植的角度来看，ARM比传统的51、96系列，甚至DSP单片机有明显的优势。

3 结论

本文研究设计了一种基于ARM7微处理器的车载嵌入式系统，不仅满足了微型足球机器人控制系统的要求，而且为机器人的改造应用提供了良好的技术支撑。

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