足球機器人電磁擊球系統設計

王長龍，張 玉，張 良，譚 彧

（中國農業大學 工學院，北京 100083）

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、精密機械等領域的前沿學科研究[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，又是一個多機器人之間合作和對抗的生動的研究模型。其中的理論技術可應用于國防事業、工業生產、救援、教育等領域，從而有效推動國家科技、經濟和安全等各方面的發展。

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）系統必不可少。因此，設計擊球系統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，其優點是力量大、動作頻率高、反應速度快、機械結構相對簡單可靠[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，能夠實現傳球和擊球射門的目的。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，擊球完畢鐵芯在復位彈簧的作用下復位；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，使挑射器圍繞轉軸轉動，完成挑射擊球過程。挑射擊球完畢在復位彈簧的作用下復位，挑射擊球將球越過前方足球機器人，達到帶球過人（足球機器人）的目的。

圖1 足球機器人電磁擊球機構

1.2 擊球電磁鐵設計計算

擊球電磁鐵采用螺管式，其吸力近似計算公式[2]：

由式（1）可知，增加線圈匝數和電流，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電時間調節擊球力度[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 升壓模塊設計與實現

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。

圖2 升壓與控制電路

本文運用一種可產生脈沖寬帶可調的集成控制芯片UC3843來實現控制電路的MOS管關斷控制和電壓升壓。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2.58 V時，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。

充電過程開始時，通過使管腳KEY使能，PWM發生器開始工作。通過PWM發生器發生的持續脈沖驅動大功率MOS管，產生規律的開關特性作用，電感L在大功率MOS管導通時電流以指數形式增大，直到額定值為止；在大功率MOS管關斷時，電流迅速降低為 0，此時電感產生高幅值的感應電壓脈沖。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發生器，若反饋電壓大于等于2.58 V，則PWM停止工作；反之，PWM發生器繼續工作，儲能電容電壓增大。充電電壓的時間是與電感系數特性相關的，與PWM發生器的輸出占空比也是緊密聯系的。

3 擊球電磁鐵驅動電路設計與控制

如圖3所示為擊球電磁鐵驅動電路原理圖，當足球機器人接收到上位機發送的平射擊球或挑射擊球的命令后，要迅速通過MOS管驅動芯片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分別與電磁鐵線圈L1和L2并聯形成回路。

圖3 擊球電磁鐵驅動電路

本文采用高速雙MOSFET驅動器MC34152作為驅動芯片，此驅動器應用簡單，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。因此這種高速驅動芯片能夠很好地對射門擊球指令做出反應，保證擊球效果的準確性和時效性。

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，并且運用運動目標實時跟蹤測量系統（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發生器使儲能電容電壓達到160 V，并控制擊球電磁鐵驅動使電磁鐵導通時間在0.8 ms～5.6 ms范圍內，分別對平射和挑射進行了試驗研究，其運動軌跡試驗結果如圖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。擊球實驗數據如圖5所示。

圖4 試驗足球的運動軌跡

圖5 擊球試驗數據記錄

由試驗可知：

（1）在UC3843的PWM發生器控制芯片作用下的升壓電路能夠有效地產生大的直流電壓，并且在充電達到設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。

（2）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，鋁合金在保證輕質量的同時又有一定的剛度，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；所設計的驅動電路能實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意的擊球效果。

[1]陳天華，郭培源.足球機器人的發展對產業和研究的意義[J].機器人技術與應用，2008（5）：18-21.

[2]余凱平，李永新，張杰，等.足球機器人用電磁擊球設計及仿真分析[J].機械研究與應用，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動電路設計 [J].江蘇技術師范學院學報，2009（2）：28-32.

[4]陳麗，鄒慶化.一種低壓DC-DC升壓電路的實現[J].機電產品開發與創新，2010，23（3）：158-160.