FIRA小型组自主足球机器人设计

目录摘要4第一章 设计综述51.1 足球机器人国内外发展概况51.2 足球机器人设计任务概述51.3 课程设计主要内容5第二章 方案设计62.1机械结构方案设计62.2驱动方案选择72.3结构的合理性以及参数的合理性7第三章 机械系统设计83.1机械系统总体方案83.2关键零部件结构与尺寸设计83.3运动学分析10第四章 控制系统设计114.1 控制系统总体方案设计114.2 电机选型124.3 驱动电机控制电路设计12第五章 软件系统设计145.1软件系统总体设计145.2速度控制方案145.3轨迹规划方法145.3.1模拟引导曲线法145.3.1.1 轨迹角度控制155.3.1.2轨迹线速度控制165.4避障165.4.1避障概况165.4.1判断障碍物的存在165.4.2避障17第六章 装配与调试196.1 机器人系统整体装配196.2 系统调试出现的状况196.3 系统缺陷与改进19第七章 市场应用前景分析20项目心得21参考文献22附录1：成本分析23附件2 ：源程序主程序24摘要摘要：本课程设计项目主要研究了针对于现有FIRA的小型组自主足球机器人比赛的足球机器人，首先对国内外足球机器人发展现状进行了介绍与了解，再根据足球机器人75*75*75的体积限制，对机器人的各个组成部分和机械结构进行了设计。在机械结构的设计中，第一步我们对电机进行了选择，由于体积的限制，只能选择了冯哈伯的一款直流电机，再根据电机的尺寸对上下部分车体以及一级减速机构的大小齿轮、轴、轴承、套筒、电机固定板等进行了设计，再根据这些尺寸选择了300mah的锂电池，电池的容量是通过机器人运行的要求时间设计的。最后对紧固件进行选择，基于便于安装的原则，并且根据体积要求，选择了M2内六角的沉头螺钉，长度再根据板壁分别选择。之后对电气结构进行了设计，单片机芯片方面选择了STM32单片机，通过pwm波，输出给直流电机，驱动电机进行转动，通过调节pwm的占空比，调节电机的转动速度，通过调节H桥不同桥路的通电，调节电机的正反转，从而可以控制小车的正反向运动以及转动。软件方面采用C语言进行编程，并且使用STM32的库编程，通过调用相关的函数，改变底层的参数，从而对两个电机的pwm波进行调节和控制。最终，制作出符合课程设计要求的足球机器人机械结构以及基于STM32的单片机控制系统，并且编写出了较为完善的程序，进行了装配以及调试。第一章 设计综述1.1 足球机器人国内外发展概况 机器人足球比赛是今年来国际上迅速开展起来的一种高科技的对抗活动，它涉及人工智能、智能控制、机器人、通信、传感等多个领域的前沿研究和技术融合。目前，国际上机器人足球已发展为两大系列，一是由国际机器人足联（FIRA）组织的微型机器人世界杯足球赛( MiroSot );另一个是由国际人工智能学会组织的机器人世界杯足球赛( RoboCup )。在机器人足球比赛蓬勃开展的同时，有关机器人理论研究也取得了长足的进步，并且机器人足球比赛开始逐渐的遍布到所有国家。 国内的机器人研究近年来也取得了长足的进步。目前，国内有很多大学都有了自己的FIRA机器人足球队，其中包括哈尔滨工业大学、东北大学、浙江大学、清华大学、北京大学、中国地质大学（武汉）、西华大学等。从1999年开始，国内开始组织全国性的足球机器人比赛，以及相关的学术交流活动。国内的机器人研究虽然刚刚起步，但是已经显示出强大的活力。中国人工智能学会、中国自动化学会分别设立了机器人足球协会和机器人竞赛委员会，以组织、协调和指导我国高校和研究机构开展机器人足球比赛、学术交流和相关研究工作。许多学校和机构已经积极行动起来，主要包括中国科学院自动化研究所、清华大学、中国科技大学等。近年来，在国际比赛中，尤其是在FIRA竞赛中，我国科研机构取得了很好的成绩。1.2 足球机器人设计任务概述机器人足球比赛的赛场长1.5米，宽1.3米，比乒乓球台略小，场地画有中线、中圈和门区。每队由五个边长不超过7.5厘米的立方形的遥控小车（机器人）组成。它们的任务就是将橘红色的高尔夫球（足球）撞入对方的球门而力保本方不失球或少失球。比赛规则与一般足球相似，也有点球、任意球和门球等。只是因电池容量有限，每半场为5分钟，中间休息10分钟。下半场结束时若为平局，则有3分钟的延长期，也实行突然死亡法和点球大战。明显不同之处在于球场四周有围墙，所以没有界外球，而在相持10秒后判争球。初定设计最快速度为2m/s，能在1s以内的时间中穿越球场。1.3 课程设计主要内容 课程设计的主要内容就是对足球机器人的下位机以及机械结构进行完整的系统设计，主要包括了足球机器人电机的选用，车体的设计，电池的选用，轴系的设计，电机固定的设计，持球部分的设计，电路固定部分的设计，除此之外还有电路部分的设计，包括了单片机芯片电路设计，wifi连接模块的设计等。第二章 方案设计2.1机械结构方案设计图2.1.1 足球机器人整体结构 根据足球机器人的机械结构设计，我们设计的足球机器人外观如图所示，我们设计的机器人的体积为7.5CM7.5CM7CM，机器人采取分层的设计，然而在内部进行分层。内部最低层为两个电机，分别独立驱动左、右轮，电机前方为电池模块，拟采用12v、300mah的锂电池模块，可以方便的进行充放电并且可以满足机器人的供电要求，在上层为电路板，通过把电机和电池放在机器人下层使机器人的重心下移，来保证运动过程中机器人的平稳，减少被撞翻的可能；电机通过一级齿轮减速装置驱动外轮，轮子被外层模块所包裹。在机器人的前方挖出凹槽使小球可以更加方便的控制。 图2.1.2足球机器人内部结构在机械结构设计中，电机带动轮子的方案是通过电机伸出轴上的尼龙塑料小齿轮通过一级减速带动大齿轮，大齿轮通过过盈配合，连接在悬臂轴上，以上图左侧的轴系为例，由右至左依次是轮系固定板、轴承、套筒、齿轮、套筒、轮子，轮子也是通过过盈配合连接在轴上的，这样通过小齿轮带动大齿轮，大齿轮带动轮子，就可以完成整体动作，实现目标功能。2.2驱动方案选择 驱动方案在单片机芯片上选择的是STM32，其功能比较强大。电机驱动使用的是H桥驱动，调速采取的PWM波调速方式。2.3结构的合理性以及参数的合理性足球机器人在结构的布置上较为合理，首先下板尺寸取得较厚，重量较大，于此同时将电池电机等重量较大的零件置于机器人的下部，保证了重心较低，也就保证了其在冲击和碰撞时不易倾倒。其次在设计轴系时，将轮子包裹在下车体内部，防止在碰撞时被破坏。在结构的制作上也较为合理，车体内部设计为圆角，方便加工，并且在轴系上采用悬臂布置，减少了车体加工的难度。参数上来说，电路板的供电电压采取12v，在满足电机供电电压6v的同时，满足了电路板上其他模块的供电。电池的容量采取300mah，保证了机器人的工作时间为12分钟，满足了设计要求。第三章 机械系统设计3.1机械系统总体方案 根据足球机器人的机械结构设计，我们设计的机器人的体积为7.5CM7.5CM7CM，机器人采取分层的设计，然而在内部进行分层。内部最低层为两个电机，分别独立驱动左、右轮，电机前方为电池模块，拟采用12v、300mah的锂电池模块，可以方便的进行充放电并且可以满足机器人的供电要求，在上层为电路板，通过把电机和电池放在机器人下层使机器人的重心下移，来保证运动过程中机器人的平稳，减少被撞翻的可能；电机通过一级齿轮减速装置驱动外轮，轮子被外层模块所包裹。在机器人的前方挖出凹槽使小球可以更加方便的控制。在机械结构设计中，电机带动轮子的方案是通过电机伸出轴上的尼龙塑料小齿轮通过一级减速带动大齿轮，大齿轮通过过盈配合，连接在悬臂轴上，以左侧的轴系为例，由右至左依次是轮系固定板、轴承、套筒、齿轮、套筒、轮子，轮子也是通过过盈配合连接在轴上的，这样通过小齿轮带动大齿轮，大齿轮带动轮子，就可以完成整体动作，实现目标功能。3.2关键零部件结构与尺寸设计在足球机器人中，轴系上的各个部件决定了运动的精度和稳定性，因此，以轴和轮系固定板为例，对他们的结构和尺寸设计进行分析与说明。首先说明的是轴。图3.2.1 轴零件图首先对轴的结构设计进行说明。这是一根较小的阶梯轴，如图所示，由右向左的轴段上依次固定的是：轴承、套筒、齿轮、套筒、轮子。最右端固定一个内径为5mm，外径为8mm，厚度为2mm的轴承。随后由于考虑到轴肩不能直接顶到轴承外圈上，因此加了一个小套筒，使得套筒可以顶在轴承的内圈上，提供了轴承的轴向定位。那么此处为何要采取套筒定位而不是轴肩定位呢，此处的尺寸由于右侧有电池，右侧不能太长，左侧又受到齿轮定位的限制，不能太向左侧靠，因此轴段长度受到了限制，由于加工时，太短的轴难以加工出轴肩，所以采取套筒定位更方便。再向右的直径最大的轴端主要提供轴向定位，再向右主要固定大齿轮，由于轴径太小，不能采用键的方式进行周向固定，只能采用过盈配合的手段。大齿轮的轴向定位靠轴肩以及套筒定位。再向右的轴端固定的是轮子，同样依靠的是过盈配合进行周向定位，轴向定位靠的是螺钉，因此在轴上打了一个螺纹孔，方便进行轴向固定。基于以上对轴结构的分析说明，再根据车体、电池以及电机伸出轴齿轮的位置，我们可以得出这根轴的长度方向的所有尺寸，再根据对过盈配合的设计要求以及所要定位的各个零件的安装尺寸，便可以得出每段轴的配合尺寸及其偏差。在最细的两段，由于与轴承与轮子配合，选用了基孔制的配合，选用的是H7/P6的配合，在齿轮配合处，采用的是P7/H6的基轴制配合。其他的形位公差主要是配合轴的圆度，同轴度以及轴肩的跳动公差。粗糙度主要要求的是配合部分的粗糙度。对轴的工作性能影响也很大。第二个零件是轮系固定板。轮系固定板位于轴的靠近电池一端，其上装有轴承安装孔，下部有固定爪，与下底板进行固定。图3.2.2 轮系固定板零件图 其结构详细说明如下：固定板的中上部有一放置轴承的带有配合尺寸的通孔，在下部有一固定爪，在固定爪上有一个螺纹通孔，通过固定爪以及螺纹对固定板进行固定，使其稳定的固定在底板上。通过对其结构的说明，我们可以得出其需要注意的配合尺寸以及形位公差和粗糙度，首先是轴承安装孔的配合尺寸，显然应采用基轴制的过盈配合，采用的是P7/h6的过盈配合。其次在固定爪处为了方便安装，采取间隙配合，G7/h6。在形位公差的标注上，由于爪的要求较高，因此标注有平面度和圆度，对于轴承安装孔，标有位置度和圆度以保证其配合的精度。3.3运动学分析 要对机器人的运动和动作进行研究,首先要描述其位置和姿态。在这个坐标系内,机器人质心坐标（X,Y）代表机器人的位置,机器人正方向与坐标系X轴的夹角表示机器人的姿态,即机器人的方向角。机器人位姿用（X,Y,）来表示, 足球机器人机械结构由车体和两个驱动轮、两个支撑滚珠组成。支撑滚珠仅在运动失衡时起支撑作用，因此小车的运动模型是建立在两个驱动轮上的。设l、r为左右两侧驱动轮的转动角速度，其中，r为两轮的半径，P是小车移动的速度瞬心，C是小车驱动轮轴线上的中点，则C点速度也即小车的线速度为Vc= (r+l) r2，分别投影到基础坐标系上得： (1) (2) 机器人的角速度为： (3)机器人的运动方程： (4)第四章 控制系统设计4.1 控制系统总体方案设计 我们现有实物的控制方式就是对电机进行控制，我们采用集成电路板对其进行控制，芯片我们采用的是广泛使用的STM32，其特点如下：内核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。存储器：片上集成32-512KB的Flash存储器。6-64KB的SRAM存储器。时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。POR、PDR和可编程的电压探测器（PVD）。4-16MHz的晶振。内嵌出厂前调校的8MHz RC振荡电路。内部40 kHz的RC振荡电路。用于CPU时钟的PLL。带校准用于RTC的32kHz的晶振。低功耗：3种低功耗模式：休眠，停止，待机模式。为RTC和备份寄存器供电的VBAT。调试模式：串行调试（SWD）和JTAG接口。DMA：12通道DMA控制器。支持的外设：定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和USART。2个12位的us级的A/D转换器（16通道）：A/D测量范围：0-3.6 V。双采样和保持能力。片上集成一个温度传感器。2通道12位D/A转换器：STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE独有。最多高达112个的快速I/O端口：根据型号的不同，有26，37，51，80和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。除了模拟输入，所有的都可以接受5V以内的输入。最多多达11个定时器：4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。2个16位的6通道高级控制定时器：最多6个通道可用于PWM输出。2个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）。Systick定时器：24位倒计数器。2个16位基本定时器用于驱动DAC。最多多达13个通信接口：2个IIC接口（SMBus/PMBus）。5个USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试控制）。3个SPI接口（18 Mbit/s），两个和IIS复用。CAN接口（2.0B）。USB 2.0全速接口。SDIO口。我们的集成电路板分为上下两层，通过插针将上下两层电路板连接起来。上层为芯片，电源接口以及芯片程序下载接口；下层为电机驱动以及电机接口（电路原理图见附录）4.2 电机选型 电机我们使用的是足球机器人比赛通用的德国生产的Faulhaber电机，该电机最高转速可达8000r/min，下图为我们使用的Faulhabe电机的技术参数：图4.2.1 电机技术参数4.3 驱动电机控制电路设计 我们对电机的控制电路放在了下层集成电路板上，使用的是IR2104S电机驱动模块以及H桥电路。 图4.3.1 电机驱动模块 图4.3.2 H桥电路 对H桥电路来说，当我们给其两端信号为“0”“1”时，直流电机进行正转；为“1”“0”时，电机反转；为“0”“0”时电机为不通电的状态；为“1”“1”时，电机急刹。4.4 电源供电电路设计 我们将两块儿集成电路板的电源放在了上层板上，将12V的电源通过电路板上的印刷电路、插针以及降压模块传送到芯片和电机。图4.4.1电源供电电路第五章 软件系统设计5.1软件系统总体设计 完成机械结构的搭建以及电路板驱动部分的结构以后，就可以进行软件系统的设计了。软件系统的总体设计方案如下：对于电机，使用选择信号确定电机的转动情况，即正传、反转与停止，再通过使用PWM波，调节电机的速度，即调节PWM波的占空比调节直流电机的转速。后期再通过wifi模块的编程实现远程控制。5.2速度控制方案 速度控制在前文第三章第二节中已有描述，此处给出建系的情况。图5.2.1位置姿态示意图5.3轨迹规划方法5.3.1模拟引导曲线法 假定有一条光滑 的曲线连接机器人小车运动初始位置与终点， 并在终点与小车目标状态的倾角方向相切，则小车在该曲线的引导下，沿着该曲线运动可以平滑到达终点目标 。如图所示，在局部坐标系下小车起点位姿， 终点位姿( 0，0，0)， 连接该两点曲线方程可表示为 (5) 根据假设，要求满足终点位姿条件 (6) 可以得到最简解 (7) 图5.3.1.1模拟引导曲线 式中为正数 ， 通过起点坐标可以求解得 (8) 在局部坐标表示下有， 在该模拟引导曲线的基础上分别讨论跟踪轨迹的角度控制与速度控制 。 5.3.1.1 轨迹角度控制 根据式( 5)，模拟引导曲线在起点的角度 其角速度 可分别表示为 (9) (10) 只要小车角度以及角速度都满足式 (6)和式( 7)，小车便可以按照假设在模拟引导曲线 的导引下到达目标，因此，及成为小车当前位置下的控制目标，根据 (11) (12) 经过时间离散后的下一时刻的角速度 (13) 式中， t 为离散时间间隔5.3.1.2轨迹线速度控制 轨迹线速度控制可以直接引用 Bang Bang控制方式进行,小车终点切线方向的位姿误差及其微分 (14) (15) 同理，时间离散后的下一时刻的速度 (16) 根据轨迹角度、速度控制结果以及式（1)，式 (2)，反推可以得到下一时刻两轮机器人 小车左右轮的速度，。 由此可以得出小车的轨迹规划计算方法。5.4避障5.4.1避障概况 本章主要研究出现在机器人和目标点之间的障碍物有时会出现两机器人互相撞在一起的情况，尤其是我方两机器人撞在一起，对整个比赛损失最大当我方两机器人撞在一起时，应给有利于进攻(或防守)的机器人让路，调整另外机器人的方向角，使它运动到旁边一点。5.4.1判断障碍物的存在 机器人在追目标点 (小球)时，如果前方有障碍物，首先判断障碍物的存在以要控制的机器人与目标点为对角线构造矩形，当机器人与目标点在某一方向上很接近时，为了更好地搜索障碍物，可以适当扩大矩形若障碍物坐标在矩形内，则说明存在障碍物当矩形较大时，考虑到一种特殊情况，即机器人和障碍物的一条对角线与目标点和机器人的连线平行，此时障碍物的挡蔽可能性最大.设机器人中心坐标为( x1，y1 )，目标点坐标为( x2，y 2 )，障碍物坐标为( x3，y 3 )。如图7-1所示，可以求机器人与目标点连线斜率：k=( y1一y2 ) ( x1一 x2) 以及A、 B两点坐标 ：A： ( x3+L2，Y3一L2)， B：( x3一L2，Y 3+L2).其中L为机器人边长。图5.4.1.1 障碍物的判断 设直线L2过 点， 直线L3过B点,D1是直线L1和直线L3的距离， D2是直线L1和直线L2的距离，则可得：l1： y=k( x x2)+y2 (17) 前提条件是D1和D2 都大于0，如果 D1 或 D2 (/2)X ， 则可判断障碍物存在 5.4.2避障 判断出障碍物后，机器人选择采用什么方式避障机器人的运动轨迹应该是弧线，可以通过调节左右轮速实现。 机器人避障过程见图5.4.2.1 ，在整个过程中，保证机器人做无碰撞运动假设不会有第3个机器人干扰，则可以将避障过程分成两个部分， 在障碍物附近寻找一点，在机器人到达这一点的过程中， 应保持与障碍物无碰撞，把这一点作为第一目标点如果障碍物在机器人与目标点连线的下方，见图5.4.2.1 ，第一目标点应在障碍物的上方，否则在障碍物的下方。当机器人到达这一点时，机器人朝向原来目标点运动 ，此时原来目标点称为第二目标点机器人向第一目标点运动过程如图5.4.2.2所示假设机器人初始方向角为 ，机器人左轮速度大于右轮速度，这样机器人运动轨迹应该是向上凸形的曲线为保证机器人在这段期间是无碰撞运动，考虑到一种特殊情况，障碍物见图5.4.2.2，其方向角是的整数倍，此时机器人要通过障碍物，其轨迹的弧度最大机器人到达第一目标点，此时可设机器人方向角为，见图5.4.2.3 图5.4.2.1 避障过程 图5.4.2.2向第一目标点前进图5.4.2.3到达第一目标点第六章 装配与调试6.1 机器人系统整体装配 我们的装配过程是这样的，将电机固定板和轴承固定板分别粘上固定脚，电机与电机固定板通过沉头螺钉相连，再把电机固定板和轴承固定板固定在底板上，然后把轴放上轴承固定在轴承固定板上，随后依次将齿轮、轮子固定在轴上，最后把上车体固定在地板上，轮子上在固定增加摩擦力的橡皮膏。6.2 系统调试出现的状况 受限于加工精度的原因，工厂的师傅建议我们这次做了一个1:1的模型，在装配时我们遇到了极大地挑战。由于足球机器人比赛官方对机器人的尺寸有要求，机器人的大小不能超过7.5立方厘米，导致我们的阶梯轴在制作完之后只有1厘米，并且我们是将一个一个轴段分开制作的，所以在连接各个轴段时付出了很大努力才将其固定好。就算是这样，各个轴段的同轴度还是不能保证，这就使整个机构在运转过程中会出现不平稳的现象。各个板的固定脚由于亚克力板切的精度不够，让我们在装配时必须将其用锉锉平整之后才能装配。为了增大车轮与地面间的摩擦力，我们尝试了很多方法，最初打算是用橡皮筋套在车轮外缘上，但是车轮过薄使橡皮筋无法牢固地套在车轮上就放弃了，后来我们使用了橡皮膏，并在橡皮膏上滴上一些胶水才使车轮能够与地面较好的接触。6.3 系统缺陷与改进由于时间原因，我们不能那个将金属的车体完整地做出来，我们采用的是切割亚克力板的方式完成的，这就导致我们机器人真题的精度不够，轴的问题尤其严重，在以后的工作过程中，我们会拿出一个金属的车体，控制方面也会进行改进。第七章 市场应用前景分析 我们制作的这个足球机器人以后是用来参加比赛用的，国际上有专门为这种形式的机器人设立的比赛。在我国，已经有好多学校在技术上比较成熟，但是他们也不愿意将自己的研究成果泄露给其他人，我校这次是第一次在足球机器人方面的尝试，以后做出来的足球机器人会比我们做的更加完善。项目心得通过这次对项目的制作使我明白了什么事情都不能够一蹴而就，我们在设计完三维模型并画出二维图时对自己的设计非常有信心，一度认为自己做得非常完善，但是通过工厂师傅对我们的教导之后，我们发现其实自己还差得很远，由于没有实际加工经验，对有些部分的设计不合理，让师傅们很为难，而且在亚克力板的模型加工完之后我们又发现尺寸方面还有不足，又对现有图纸进行改进，以后再做实体项目时，尤其是对于我们这种新手来说，应该先做个模型先看看自己的设计是否合理，合理过后在进行实施。我还对团队协作有了新的认识，当一个项目较复杂时，一个人是很难完成的，我们需要分工合作，才能将事情做好。参考文献1 刘杰.机电一体化技术基础与产品设计,冶金工业出版社,20032 熊有伦.机器人技术基础,华中科技大学出版社,19953 陈志旺.STM32嵌入式微控制器快速上手，电子工业出版社，2012附录1：成本分析名称单价件数总价直流电机130022600机械加工10001100