机器人如何实现移动功能

引言— 移动功能回顾

在前面两篇《如何制造足球机器人》文章中，我们主要围绕机器人本体进行了硬件设计，而这次将以控制器为中心，开展软件设计工作。在正式开始之前，先为大家回顾一下机器人如何实现移动功能的设计。

本体的移动采用三组名为“全向轮”的特殊轮胎，如下图 (图1) 所示。它们能够支持垂直方向的移动，从而实现八个方向的移动控制。

操作上，利用英飞凌的 3D 磁传感器设计了一个类似游戏机手柄的操纵杆，以控制机器人移动。此外新增三个按钮，分别实现右转、左转和停止功能，使控制器具备共计 11 种移动控制选项。下图 (图2) 为控制器的外观设计：

图2 控制器外观

控制器实现与控制原理

由于控制器需实现 11 种本体动作控制，因此每个条件使用 4 个 I/O 引脚向机器人本体发送信号。此外，当发送信号时，为了判断动作是否与实际信号匹配，在机器人本体的四个角上安装了指示灯，以便对应每种动作信号的反馈情况。输入端口与反馈信号的对应关系如下表 (表1) 所示：

表1 控制器输入端口与和反馈信号的关系

控制器与 3D 磁传感器及微控制器 (MCU) 之间通过 I2C 通信协议进行信号传递，MCU 作为主控设备，3D 传感器作为从设备，实现各类信号的交换。下图 (图3) 显示了控制器工作的简单流程图：

图3 控制器工作流程图

一. 当控制器打开时，微控制器将写入的 I2C 发送到 3D 传感器以更改初始设置，如下图 (图4) 所示：

图(tú)4 I2C 主写(xiě)入(rù)的(de)波(bō)形(xíng)

二(èr). 通(tōng)过(guò)移(yí)动(dòng)操(cāo)纵(zòng)杆(gān)，MCU 接(jiē)收(shōu)来(lái)自(zì) 3D 传(chuán)感(gǎn)器(qì)的(de)因(yīn)操(cāo)纵杆倾斜生成的 3 轴磁通密度数据，并使用 X 轴和 Y 轴把 3 轴磁通密度信息转成操纵杆的角度 θ，如下图 (图5) 所示：

图(tú)5 操(cāo)纵(zòng)杆(gān)和(hé)角(jiǎo)度(dù)检(jiǎn)测(cè)

三(sān). 当(dāng) MCU 向(xiàng) 3D 传(chuán)感(gǎn)器(qì)读(dú)取(qǔ)数(shù)据时，使用 UART 进(jìn)行(xíng)调(diào)试(shì)，以(yǐ)便(biàn)查(chá)看(kàn)三(sān)个(gè)轴(zhóu)的(de)磁(cí)通(tōng)量(liàng)密(mì)度(dù)和(hé)与(yǔ)磁(cí)通(tōng)量(liàng)密(mì)度(dù)对(duì)应(yīng)的(de)操(cāo)纵(zòng)杆(gān)角(jiǎo)度 θ。

图6 I2C 主写入的波形

四. 根据计算出的角度 θ，MCU 通过无线通信将移动控制信号传输至机器人本体。五. 停止、左转、右转功能通过机械按钮实现，优先级最高，可覆盖其他状态。

软(ruǎn)件(jiàn)设(shè)计(jì)

在(zài)本(běn)项(xiàng)目(mù)中(zhōng)，使(shǐ)用(yòng)的(de) MCU 是(shì)英(yīng)飞(fēi)凌(líng)的(de) PSoC 系(xì)列(liè)，这(zhè)款(kuǎn)产(chǎn)品(pǐn)支(zhī)持(chí)模(mó)拟(nǐ)/数(shù)字(zì)电(diàn)路的(de)灵(líng)活(huó)配(pèi)置(zhì)，具(jù)备(bèi)高(gāo)度(dù)可(kě)定(dìng)制(zhì)化(huà)的(de)特(tè)点(diǎn)。下(xià)图 (图7) 为英飞凌 PSoC 组件示例图：

图(tú)7 英(yīng)飞(fēi)凌(líng) PSoC 组(zǔ)件(jiàn)示(shì)例(lì)

总结

本文主要介绍了制造足球机器人中的软件设计部分。