足球機器人電磁擊球系統設計

　足球機器人（又稱(chēng)智能足球機器人）是近幾年國際上迅速開(kāi)展起來(lái)的一項高技術(shù)對抗活動(dòng)，它涉及人工智能、機械、自動(dòng)化、計算機、信號處理、無(wú)線(xiàn)通信、傳感、精密機械等領(lǐng)域的前沿學(xué)科研究[1]。足球機器人在比賽中采用全視覺(jué)和無(wú)線(xiàn)通信方式，由雙方的主控機控制的足球機器人在特定的場(chǎng)地進(jìn)行全自主模式比賽，既是一個(gè)典型的智能足球機器人系統，又是一個(gè)多機器人之間合作和對抗的生動(dòng)的研究模型。其中的理論技術(shù)可應用于國防事業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)、救援、教育等領(lǐng)域，從而有效推動(dòng)國家科技、經(jīng)濟和安全等各方面的發(fā)展。
　機器人踢球和人踢球的最大共同點(diǎn)都是隊員能夠越過(guò)對方的阻礙，順利地把球踢進(jìn)對方的球門(mén)。要想完成機器人能像球星那樣靈活地踢球和運球，一個(gè)功能完備的踢球（擊球）系統必不可少。因此，設計擊球系統對于足球機器人的射門(mén)和傳接球具有重要意義。
1 電磁擊球機構與擊球電磁鐵的設計
1.1 電磁擊球機構工作原理
　電磁擊球機構是目前足球機器人擊球機構中最為普遍的一種機構，其優(yōu)點(diǎn)是力量大、動(dòng)作頻率高、反應速度快、機械結構相對簡(jiǎn)單可靠[2]。此處將電磁力作為足球機器人平射擊球和挑射擊球的動(dòng)力，能夠實(shí)現傳球和擊球射門(mén)的目的。足球機器人電磁擊球機構設計如圖1所示，主要包括復位彈簧、鐵芯、平射擊球線(xiàn)圈、支架、平射擊球桿、挑射擊球線(xiàn)圈、挑射器等。足球機器人前方無(wú)阻礙時(shí)采用平射方式傳球或擊球射門(mén)，當平射擊球時(shí)，鐵芯帶動(dòng)平射擊球桿猛力向前擊球，擊球完畢鐵芯在復位彈簧的作用下復位；足球機器人前方有阻礙時(shí)采用挑射方式，挑射擊球線(xiàn)圈工作，帶動(dòng)挑射擊球桿迅速向機器人后方移動(dòng)，使挑射器圍繞轉軸轉動(dòng)，完成挑射擊球過(guò)程。挑射擊球完畢在復位彈簧的作用下復位，挑射擊球將球越過(guò)前方足球機器人，達到帶球過(guò)人（足球機器人）的目的。


　由式（1）可知，增加線(xiàn)圈匝數和電流，可以增加螺管式電磁鐵的吸引力；選用磁導率高、磁滯損耗小的軟磁材料的銜鐵也是提高吸引力的一個(gè)重要因素。
　挑射擊球電磁鐵和平射擊球電磁鐵使用相同的電磁鐵，通過(guò)控制電磁線(xiàn)圈導電時(shí)間調節擊球力度[3]，分別帶動(dòng)挑射擊球桿和平射擊球桿，完成挑射擊球和平射擊球的動(dòng)作。
2 升壓模塊設計與實(shí)現
　電池是足球機器人行動(dòng)的能源，采用12 V、1 800 mAh的鋰電池供電。直接用電池給擊球電磁鐵供電，在短時(shí)間內低電壓供電源無(wú)法直接使球獲得足夠的動(dòng)能，需要采用較高電壓給直流電磁鐵供電。本文采用DC-DC Boost高電壓變換原理[4]，對電源電壓進(jìn)行升壓，升壓電路如圖2所示。

　本文運用一種可產(chǎn)生脈沖寬帶可調的集成控制芯片UC3843來(lái)實(shí)現控制電路的MOS管關(guān)斷控制和電壓升壓。如圖2所示：（1）調節R10可改變管腳6輸出的PWM占空比大小，從而調節充電速度，占空比越大充電越迅速；（2）PWM脈沖頻率f是由電阻R10與電容C6共同確定的（f=1.72/RC），通過(guò)調節R10和C6的比值能得到不同頻率的PWM波；（3）管腳2是電壓反饋端，當反饋電壓超過(guò)2.58 V時(shí)，芯片就停止工作，因此可以調節電阻器R5的阻值控制UC3843的工作區域達到間接調節儲能電容C5的充電電壓。
　充電過(guò)程開(kāi)始時(shí)，通過(guò)使管腳KEY使能，PWM發(fā)生器開(kāi)始工作。通過(guò)PWM發(fā)生器發(fā)生的持續脈沖驅動(dòng)大功率MOS管，產(chǎn)生規律的開(kāi)關(guān)特性作用，電感L在大功率MOS管導通時(shí)電流以指數形式增大，直到額定值為止；在大功率MOS管關(guān)斷時(shí)，電流迅速降低為0，此時(shí)電感產(chǎn)生高幅值的感應電壓脈沖。該電壓脈沖通過(guò)二極管D0對儲能電容C5充電，在多次往復充電后，儲能電容上的幅值能接近電感的感應脈沖電壓。為了使儲能電容達到設計所需電壓，可調節電位器R5的電阻值，將儲能電容的電壓反饋給PWM發(fā)生器，若反饋電壓大于等于2.58 V，則PWM停止工作；反之，PWM發(fā)生器繼續工作，儲能電容電壓增大。充電電壓的時(shí)間是與電感系數特性相關(guān)的，與PWM發(fā)生器的輸出占空比也是緊密聯(lián)系的。
3 擊球電磁鐵驅動(dòng)電路設計與控制
　如圖3所示為擊球電磁鐵驅動(dòng)電路原理圖，當足球機器人接收到上位機發(fā)送的平射擊球或挑射擊球的命令后，要迅速通過(guò)MOS管驅動(dòng)芯片MC34152分別接通大功率MOS管的Q1、Q2，把儲能電容兩端的電壓加在平射擊球電磁鐵線(xiàn)圈L1或挑射擊球電磁線(xiàn)圈L2兩端，通過(guò)平射電磁鐵或挑射電磁鐵的電磁效應完成擊球動(dòng)作。當擊球完畢，立即斷開(kāi)儲能電容和電磁鐵線(xiàn)圈的連接，擊球桿在復位彈簧的作用下回到原位。為防止電磁鐵線(xiàn)圈在停止擊球的瞬間產(chǎn)生的感應電流毀壞大功率MOS管，將二極管D1和D2分別與電磁鐵線(xiàn)圈L1和L2并聯(lián)形成回路。

　本文采用高速雙MOSFET驅動(dòng)器MC34152作為驅動(dòng)芯片，此驅動(dòng)器應用簡(jiǎn)單，不需要復雜的外圍電路，只需要供給12 V電源即可工作；具有兩個(gè)獨立的大電流輸出通道，可與COMS和LSTTL邏輯電路相容。另外，MC34152可對大容性負載快速充放電，對于1 000 pF負載，輸出上升和下降時(shí)間僅為15 ns，邏輯輸入到驅動(dòng)輸出的傳輸延遲（上升沿和下降沿）僅為55 ns。因此這種高速驅動(dòng)芯片能夠很好地對射門(mén)擊球指令做出反應，保證擊球效果的準確性和時(shí)效性。
4 試驗及結果分析

　為了檢驗擊球機構的設計效果，對足球機器人擊球系統分別做了挑射擊球和平射擊球試驗，并且運用運動(dòng)目標實(shí)時(shí)跟蹤測量系統（RTTS）對試驗的實(shí)效視頻進(jìn)行跟蹤測量，測量了“足球”運動(dòng)軌跡、“足球”射程等。
通過(guò)控制PWM發(fā)生器使儲能電容電壓達到160 V，并控制擊球電磁鐵驅動(dòng)使電磁鐵導通時(shí)間在0.8 ms～5.6 ms范圍內，分別對平射和挑射進(jìn)行了試驗研究，其運動(dòng)軌跡試驗結果如圖4所示，圖（a）是測試足球機器人挑射擊球效果，圖（b）是測試足球機器人平射擊球效果，“足球”離開(kāi)515 cm高的平射臺后做平拋運動(dòng)。如圖4所示，在不同的電磁鐵通電時(shí)間下，挑射擊球和平射擊球的“足球”軌跡不同。擊球實(shí)驗數據如圖5所示。
由試驗可知：

?。?）在UC3843的PWM發(fā)生器控制芯片作用下的升壓電路能夠有效地產(chǎn)生大的直流電壓，并且在充電達到設定值后能自動(dòng)停止充電，避免了因充電電壓過(guò)高引起元器件毀壞。
?。?）足球機器人的擊球力度能夠通過(guò)擊球電磁鐵的通電時(shí)間來(lái)控制，在一定范圍內通電時(shí)間越長(cháng)，擊球力度越大。
?。?）平射擊球桿、挑射擊球桿和挑射器都對“足球”的速度有很大影響，鋁合金在保證輕質(zhì)量的同時(shí)又有一定的剛度，比鐵的擊球桿要好。
　本文設計了一種有效、靈活的足球機器人擊球系統，具有兩種擊球射門(mén)和傳球方式，試驗結果表明，所設計的升壓模塊電路可將直流電壓12 V升壓到160 V左右；所設計的驅動(dòng)電路能實(shí)現挑射擊球和平射擊球，并且獲得了180 cm的挑射行程和7 m/s的平射初速度，該足球機器人擊球系統具有令人滿(mǎn)意的擊球效果。
參考文獻
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