基于c8051单片机的足球机器人小车系统设计

1基于c8051单片机的足球机器人小车系统设计夏川，曹洋，薛定宇．徐心和东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳110004)摘要：以微型足球机器人小车子系统为研究对象，通过分析当前各支足球机器人队伍的十车系统控制器使用的CPU的利弊，提出一种新的CPu解决方案。基于Cygnal“C8051高速单片机依次给出小车子系统的硬件设计、软件设计，{}_对控制算法进行了研究．实验结果通过阶跃响应曲线证实了这种设计方案的有效性。关键词：微型足球机器入；c80s1单片机；脉宽调制；无线通信；Pm控制器中图分类号：TP273文献标识码：A1引言机器人足球比赛是近几年在国际上迅速开展起来的一项高科技对抗活动。从1997年到2002年．国际机器人足球联合会(FIRA)已经成功举办了六屈机器人足球世界杯比赛。虽然历史不长，但由于集高新技术，娱乐、比赛于一体，所以引起了众多学者的广泛关注和极大的兴趣。足球机器人小车子系统作为整个系统的执行机构，其性能好坏对整个系统起着至关重要的作用。早期微型足球机器人小车子系统多采用Mcs一51或者196单片机作为主控CPu，这基本可以满足一般训练干Ⅱ比赛的要求[1，“。但也暴露出很多问题，例如运算速度太慢，控制精度不够，电路分立元件太多导致可靠性降低，经常出现故障等等。随着硬件水平的不断提高，越来越多的国内外队压纷纷选用更加高性能的解决方案，如文献[3]提出的采用TMS320F240DsP的方式，可以提高机器人的运算速度和控制精度。但是由于DsP结构复杂，采用这种方式的同时也为电路的设计和后续的开发工作带来了很大的困难。本文选用cygnal公司最近推出的c8051系列高速单片机。这种单片机结构简单，性能与DSP相近，而且其指令集与51系列单片机兼容，开发工作简单。文中将分别介绍基于Cf；051高速单片机的微型足球机器人小车子系统硬件、软2件的设计。2小车子系统硬件设计微型足球机器人小车子系统由CPu控制单元、电机驱动单元、鉴向和速度检测单元及无线接收单元等组成。1)cPU控制单元根据国际机器人足球联合会(FIRA)制订的《微型机器人足球竞赛规则》(MiroSotGameRuIes)规定，微型足球机器人队员的尺寸被限定为7．5cm×7．5cm×7．5cm，所以要求cPu体积小、高性能。因此。选用尺寸仅为9mm×9mnl×1．2mm的cygnal公司的C8051Foxx高速sOc(system0nchtp)单片机作为新一代微型足球机器人小车子系统的主控CPU。cygnal公司的c8051单片机使用cygnal的专利cIP_51微控制器内核。以下介绍c8051单片机的一些重要技术以及在本系统中的应用。①c8051单片机使用cygn“的专利cIP一51微控制嚣内核，采用流水线指令结构；70％指令的执行时间为1个或2个系统时钟周期；速度可达25MIPs(时钟频率为25MHz时)。这样就可以应用复杂的控制算法提高控制精度。②C80s1单片机内部有4个通用16位计数器／定时器和专用的看门狗定时器(wDT)，这样就不再需要附加外部计数器件和外部看门狗电路。本系统中定时器0和定时器2用作小车左右轮反馈脉冲计数，定时器1配置成自动重装载的8位计数器／定时器。用于波特率发生器。③c8051单片机引入r数字交叉开关，允许将内部数字系统资源分配给端口I／O引脚。通过设置优先权交叉开关控制寄存器，将片内的计数器／定时器、串行总线、硬件中断、ADc转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其他数字信号配置为出现在端口I／O引脚。④c805l单片机内部有一个可编程计数器阵列(PCA)，由一个专用的16位计数器／定时器和5个16位捕捉／比较模块组成。通过设置特殊功能寄存器PcA0cPM将捕捉／比较模块0和13(cEx0和cExl)设置成8位脉冲宽度调制器(PwM)驱动左右轮电机转动。⑤c805l单片机内部有12位逐次逼近型ADc，可以在不增加外围电路的前提下方便地检测模拟信号。本系统从电机电枢回路中引出电流信号送入单片机，实现电流环控制。⑥C805l单片机具有片内JTAG和调试电路，通过4脚JTAG接口并使用安装在最终应用系统中的器件就可以进行全速、非侵入式的在系统调试．而且支持断点、单步、观察点、堆栈监视器，支持观察修改存储器和寄存器。由以上介绍可以看出，在小车子系统中选用C8051单片机是非常合适的，由于可以硬件生成PWM，占用cPu资源很少；高性能的指令系统以及和c语言之间进行交叉汇编，为设计各种控制算法提供了广阔的空间。2)电机驱动单元为了控制直流电动机，需用半导体功率器件进行驱动。大多数直流电动机驱动是采用开关型驱动方式，其中又以定频脉宽调制(PwM)为常见。其优越性在于驱动电子设备的简单性和计算机接口的容易性。由于PwM调制方式使晶体管工作在开关状态，这种调速方4式不仅功率损耗低、效率高，而且具有调速范围广、响应速度快等特点。当输入信号为零时，伺服电机处于微振状态，克服了静摩擦力的影响，有利于改善伺服系统低速运行时的平稳性。若要求被控电机不仅能够调速而且还要正反转．可采用H桥式主电路驱动，如图1所示。本系统驱动单元选用的是电机驱动专用芯片I。298。I卫98是双H桥高电压大电流集成电路，可用来驱动继电器、线圈、直流电动机和步进电动机等电感性负载。3)鉴向和速度检测单元在机器人足球比赛过程中，左、右轮电机快速旋转而且频繁换向。所以要对小车进行精确控制，必须对电机的旋转速度和运行方向进行精确检测。①鉴向电机自带的光电码盘可以输出频率相同、相位相差90。的两路脉冲(v，和v2)，根据相位关系来判断电机正转或反转。如图2(a)所示．D触发器用GAI．实现，v1，v2分别作为输入端和时钟，n是鉴向的结果，自定义1为正转，0为反转。5②倍频如图2(b)所示，用GAI。实现异或门，vI，v：作为输入端，v。是倍频结果。4)无线接收单元根据本系统对无线通信装置提出的频率可选、通信速率高、性能可靠、体积小等要求，则机器人小车采用英国Radiometrix公司的低功耗超高频数据收发模块，型号为BIM一418一F和BIM一433一F，载波频率分别为418MHz和433MHz．只接少许外围电路即可工作，使用起来非常方便。3小车子系统软件设计，c8051单片机的集戒开发环境(IDE)允许使用8051汇编语言和c语言进行软件程序开发。微型足球机器人小车子系统软件可分为主程序和中断服务子程序两大部分。其中主程序可以使用运行速度较快的汇编语言；中断服务子程序包括串行通讯中断、定时器中断以及速度控制器等子程序，这些程序则使用高效的c语言开发。程序流程可以简述为：主程序采用前后台结构，循环等待中断；串口通讯中断程序接收到新的数据，定时器中断采样车轮的反馈数据后，交由速度控制子程序计算出新的控制量，再由主程序输出PwM驱动电机转动。4控制算法的研究软件设计的关键是控制算法的选择，这也决定了整个车体子系统的最终性能。1)被控对象的特性整个微型足球机器人小车子系统接近于一个转速反馈调节系统。通过对控制电路特性的研究可以发现，系统中存在着非线性环节。其中，PwM输出放大环节是非线性的，电机环节则可以认为是线性环节。2)算法选择针对被控对象这种特性，本文采用了分段PID控制的控制算法。即当PwM环节的输入值在某一区间内时，采用一套P1D参数；当输入值处于另一区间内时，采用另外一种P1D参数。3)实验结果将上述控制器应用于NEwNEu足球机器人系统中，机器人的左、右轮速度阶跃响应曲线如图3所示。65结论以上基于C8051单片机作为微处理器设计的微型足球机器人小车子系统，通过实验证明能够正确完成上位机给出的各种动作指令，具有很高的控制精度以及稳定性，能很好地满足微型机器人足球比赛的要求。