足球機(jī)器人電磁擊球系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王長(zhǎng)龍，張 玉，張 良，譚 彧

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083）

足球機(jī)器人（又稱智能足球機(jī)器人）是近幾年國(guó)際上迅速開展起來(lái)的一項(xiàng)高技術(shù)對(duì)抗活動(dòng)，它涉及人工智能、機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理、無(wú)線通信、傳感、精密機(jī)械等領(lǐng)域的前沿學(xué)科研究[1]。足球機(jī)器人在比賽中采用全視覺(jué)和無(wú)線通信方式，由雙方的主控機(jī)控制的足球機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)，又是一個(gè)多機(jī)器人之間合作和對(duì)抗的生動(dòng)的研究模型。其中的理論技術(shù)可應(yīng)用于國(guó)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(guó)家科技、經(jīng)濟(jì)和安全等各方面的發(fā)展。

機(jī)器人踢球和人踢球的最大共同點(diǎn)都是隊(duì)員能夠越過(guò)對(duì)方的阻礙，順利地把球踢進(jìn)對(duì)方的球門。要想完成機(jī)器人能像球星那樣靈活地踢球和運(yùn)球，一個(gè)功能完備的踢球（擊球）系統(tǒng)必不可少。因此，設(shè)計(jì)擊球系統(tǒng)對(duì)于足球機(jī)器人的射門和傳接球具有重要意義。

1 電磁擊球機(jī)構(gòu)與擊球電磁鐵的設(shè)計(jì)

1.1 電磁擊球機(jī)構(gòu)工作原理

電磁擊球機(jī)構(gòu)是目前足球機(jī)器人擊球機(jī)構(gòu)中最為普遍的一種機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是力量大、動(dòng)作頻率高、反應(yīng)速度快、機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單可靠[2]。此處將電磁力作為足球機(jī)器人平射擊球和挑射擊球的動(dòng)力，能夠?qū)崿F(xiàn)傳球和擊球射門的目的。足球機(jī)器人電磁擊球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)器人前方無(wú)阻礙時(shí)采用平射方式傳球或擊球射門，當(dāng)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(fù)位彈簧的作用下復(fù)位；足球機(jī)器人前方有阻礙時(shí)采用挑射方式，挑射擊球線圈工作，帶動(dòng)挑射擊球桿迅速向機(jī)器人后方移動(dòng)，使挑射器圍繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完成挑射擊球過(guò)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^(guò)前方足球機(jī)器人，達(dá)到帶球過(guò)人（足球機(jī)器人）的目的。

圖1 足球機(jī)器人電磁擊球機(jī)構(gòu)

1.2 擊球電磁鐵設(shè)計(jì)計(jì)算

擊球電磁鐵采用螺管式，其吸力近似計(jì)算公式[2]：

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(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)控制電磁線圈導(dǎo)電時(shí)間調(diào)節(jié)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電池是足球機(jī)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(nèi)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(duì)電源電壓進(jìn)行升壓，升壓電路如圖2所示。

圖2 升壓與控制電路

本文運(yùn)用一種可產(chǎn)生脈沖寬帶可調(diào)的集成控制芯片UC3843來(lái)實(shí)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(guò)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(dāng)反饋電壓超過(guò)2.58 V時(shí)，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(dá)到間接調(diào)節(jié)儲(chǔ)能電容C5的充電電壓。

充電過(guò)程開始時(shí)，通過(guò)使管腳KEY使能，PWM發(fā)生器開始工作。通過(guò)PWM發(fā)生器發(fā)生的持續(xù)脈沖驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)，電流迅速降低為 0，此時(shí)電感產(chǎn)生高幅值的感應(yīng)電壓脈沖。該電壓脈沖通過(guò)二極管D0對(duì)儲(chǔ)能電容C5充電，在多次往復(fù)充電后，儲(chǔ)能電容上的幅值能接近電感的感應(yīng)脈沖電壓。為了使儲(chǔ)能電容達(dá)到設(shè)計(jì)所需電壓，可調(diào)節(jié)電位器R5的電阻值，將儲(chǔ)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(chǔ)能電容電壓增大。充電電壓的時(shí)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(dòng)電路設(shè)計(jì)與控制

如圖3所示為擊球電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路原理圖，當(dāng)足球機(jī)器人接收到上位機(jī)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(qū)動(dòng)芯片MC34152分別接通大功率MOS管的Q1、Q2，把儲(chǔ)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(guò)平射電磁鐵或挑射電磁鐵的電磁效應(yīng)完成擊球動(dòng)作。當(dāng)擊球完畢，立即斷開儲(chǔ)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。

圖3 擊球電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路

本文采用高速雙MOSFET驅(qū)動(dòng)器MC34152作為驅(qū)動(dòng)芯片，此驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用簡(jiǎn)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(gè)獨(dú)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(duì)大容性負(fù)載快速充放電，對(duì)于1 000 pF負(fù)載，輸出上升和下降時(shí)間僅為15 ns，邏輯輸入到驅(qū)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(qū)動(dòng)芯片能夠很好地對(duì)射門擊球指令做出反應(yīng)，保證擊球效果的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)擊球機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)效果，對(duì)足球機(jī)器人擊球系統(tǒng)分別做了挑射擊球和平射擊球試驗(yàn)，并且運(yùn)用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量系統(tǒng)（RTTS）對(duì)試驗(yàn)的實(shí)效視頻進(jìn)行跟蹤測(cè)量，測(cè)量了“足球”運(yùn)動(dòng)軌跡、“足球”射程等。

通過(guò)控制PWM發(fā)生器使儲(chǔ)能電容電壓達(dá)到160 V，并控制擊球電磁鐵驅(qū)動(dòng)使電磁鐵導(dǎo)通時(shí)間在0.8 ms～5.6 ms范圍內(nèi)，分別對(duì)平射和挑射進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其運(yùn)動(dòng)軌跡試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，圖（a）是測(cè)試足球機(jī)器人挑射擊球效果，圖（b）是測(cè)試足球機(jī)器人平射擊球效果，“足球”離開515 cm高的平射臺(tái)后做平拋運(yùn)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?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖4 試驗(yàn)足球的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖5 擊球試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

由試驗(yàn)可知：

（1）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(dá)到設(shè)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。

（2）足球機(jī)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(nèi)通電時(shí)間越長(zhǎng)，擊球力度越大。

（3）平射擊球桿、挑射擊球桿和挑射器都對(duì)“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(shè)計(jì)了一種有效、靈活的足球機(jī)器人擊球系統(tǒng)，具有兩種擊球射門和傳球方式，試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)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(jì)的驅(qū)動(dòng)電路能實(shí)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(jī)器人擊球系統(tǒng)具有令人滿意的擊球效果。

[1]陳天華，郭培源.足球機(jī)器人的發(fā)展對(duì)產(chǎn)業(yè)和研究的意義[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2008（5）：18-21.

[2]余凱平，李永新，張杰，等.足球機(jī)器人用電磁擊球設(shè)計(jì)及仿真分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2007（1）：77-79.

[3]李尚榮，劉晶樓.基于SG3525的小型直流電磁鐵升壓與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) [J].江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（2）：28-32.

[4]陳麗，鄒慶化.一種低壓DC-DC升壓電路的實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010，23（3）：158-160.