足球機器人電磁擊球系統(tǒng)設(shè)計

　足球機器人（又稱智能足球機器人）是近幾年國際上迅速開展起來的一項高技術(shù)對抗活動，它涉及人工智能、機械、自動化、計算機、信號處理、無線通信、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和無線通信方式，由雙方的主控機控制的足球機器人在特定的場地進行全自主模式比賽，既是一個典型的智能足球機器人系統(tǒng)，又是一個多機器人之間合作和對抗的生動的研究模型。其中的理論技術(shù)可應(yīng)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都是隊員能夠越過對方的阻礙，順利地把球踢進對方的球門。要想完成機器人能像球星那樣靈活地踢球和運球，一個功能完備的踢球（擊球）系統(tǒng)必不可少。因此，設(shè)計擊球系統(tǒng)對于足球機器人的射門和傳接球具有重要意義。
1 電磁擊球機構(gòu)與擊球電磁鐵的設(shè)計
1.1 電磁擊球機構(gòu)工作原理
　電磁擊球機構(gòu)是目前足球機器人擊球機構(gòu)中最為普遍的一種機構(gòu)，其優(yōu)點是力量大、動作頻率高、反應(yīng)速度快、機械結(jié)構(gòu)相對簡單可靠[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力，能夠?qū)崿F(xiàn)傳球和擊球射門的目的。足球機器人電磁擊球機構(gòu)設(shè)計如圖1所示，主要包括復(fù)位彈簧、鐵芯、平射擊球線圈、支架、平射擊球桿、挑射擊球線圈、挑射器等。足球機器人前方無阻礙時采用平射方式傳球或擊球射門，當平射擊球時，鐵芯帶動平射擊球桿猛力向前擊球，擊球完畢鐵芯在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位；足球機器人前方有阻礙時采用挑射方式，挑射擊球線圈工作，帶動挑射擊球桿迅速向機器人后方移動，使挑射器圍繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，完成挑射擊球過程。挑射擊球完畢在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位，挑射擊球?qū)⑶蛟竭^前方足球機器人，達到帶球過人（足球機器人）的目的。


　由式（1）可知，增加線圈匝數(shù)和電流，可以增加螺管式電磁鐵的吸引力；選用磁導(dǎo)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，通過控制電磁線圈導(dǎo)電時間調(diào)節(jié)擊球力度[3]，分別帶動挑射擊球桿和平射擊球桿，完成挑射擊球和平射擊球的動作。
2 升壓模塊設(shè)計與實現(xiàn)
　電池是足球機器人行動的能源，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，在短時間內(nèi)低電壓供電源無法直接使球獲得足夠的動能，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(diào)的集成控制芯片UC3843來實現(xiàn)控制電路的MOS管關(guān)斷控制和電壓升壓。如圖2所示：（1）調(diào)節(jié)R10可改變管腳6輸出的PWM占空比大小，從而調(diào)節(jié)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），通過調(diào)節(jié)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2.58 V時，芯片就停止工作，因此可以調(diào)節(jié)電阻器R5的阻值控制UC3843的工作區(qū)域達到間接調(diào)節(jié)儲能電容C5的充電電壓。
　充電過程開始時，通過使管腳KEY使能，PWM發(fā)生器開始工作。通過PWM發(fā)生器發(fā)生的持續(xù)脈沖驅(qū)動大功率MOS管，產(chǎn)生規(guī)律的開關(guān)特性作用，電感L在大功率MOS管導(dǎo)通時電流以指數(shù)形式增大，直到額定值為止；在大功率MOS管關(guān)斷時，電流迅速降低為0，此時電感產(chǎn)生高幅值的感應(yīng)電壓脈沖。該電壓脈沖通過二極管D0對儲能電容C5充電，在多次往復(fù)充電后，儲能電容上的幅值能接近電感的感應(yīng)脈沖電壓。為了使儲能電容達到設(shè)計所需電壓，可調(diào)節(jié)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(xù)工作，儲能電容電壓增大。充電電壓的時間是與電感系數(shù)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(qū)動電路設(shè)計與控制
　如圖3所示為擊球電磁鐵驅(qū)動電路原理圖，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MOS管驅(qū)動芯片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圈L1或挑射擊球電磁線圈L2兩端，通過平射電磁鐵或挑射電磁鐵的電磁效應(yīng)完成擊球動作。當擊球完畢，立即斷開儲能電容和電磁鐵線圈的連接，擊球桿在復(fù)位彈簧的作用下回到原位。為防止電磁鐵線圈在停止擊球的瞬間產(chǎn)生的感應(yīng)電流毀壞大功率MOS管，將二極管D1和D2分別與電磁鐵線圈L1和L2并聯(lián)形成回路。

　本文采用高速雙MOSFET驅(qū)動器MC34152作為驅(qū)動芯片，此驅(qū)動器應(yīng)用簡單，不需要復(fù)雜的外圍電路，只需要供給12 V電源即可工作；具有兩個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，輸出上升和下降時間僅為15 ns，邏輯輸入到驅(qū)動輸出的傳輸延遲（上升沿和下降沿）僅為55 ns。因此這種高速驅(qū)動芯片能夠很好地對射門擊球指令做出反應(yīng)，保證擊球效果的準確性和時效性。
4 試驗及結(jié)果分析

　為了檢驗擊球機構(gòu)的設(shè)計效果，對足球機器人擊球系統(tǒng)分別做了挑射擊球和平射擊球試驗，并且運用運動目標實時跟蹤測量系統(tǒng)（RTTS）對試驗的實效視頻進行跟蹤測量，測量了“足球”運動軌跡、“足球”射程等。
通過控制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(qū)動使電磁鐵導(dǎo)通時間在0.8 ms～5.6 ms范圍內(nèi)，分別對平射和挑射進行了試驗研究，其運動軌跡試驗結(jié)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515 cm高的平射臺后做平拋運動。如圖4所示，在不同的電磁鐵通電時間下，挑射擊球和平射擊球的“足球”軌跡不同。擊球?qū)嶒灁?shù)據(jù)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(shè)定值后能自動停止充電，避免了因充電電壓過高引起元器件毀壞。
?。?）足球機器人的擊球力度能夠通過擊球電磁鐵的通電時間來控制，在一定范圍內(nèi)通電時間越長，擊球力度越大。
　（3）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)量的同時又有一定的剛度，比鐵的擊球桿要好。
　本文設(shè)計了一種有效、靈活的足球機器人擊球系統(tǒng)，具有兩種擊球射門和傳球方式，試驗結(jié)果表明，所設(shè)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(shè)計的驅(qū)動電路能實現(xiàn)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(tǒng)具有令人滿意的擊球效果。
參考文獻
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