[[alternative]]Design and implementation of small-size soccer robots

碩士[[abstract]]本篇論文主要是設計與實現一個功能完整且具有高效能的小型足球機器人，本文以VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)來設計一個功能符合小型機器人足球賽需求的控制IP(Intellectual Property)，以FPGA(Field Programmable Gate Array)晶片來實現此IP並作為足球機器人的主控核心，此控制IP功能包含有：(1)鮑率產生器：本文設計一多組的鮑率產生器，使機器人面對不同的鮑率傳輸場合，只需藉由調整外部開關即可產生不同的相對鮑率。(2)RS-232非同步串列資料擷取器：本文依照RS-232通信協定的傳輸格式設計一個資料擷取模組來獲得正確穩定的資料傳輸。(3)UART ID辨別模組：本文運用UART來設計一套指令封包格式，讓系統只需要使用一組傳輸模組就可以同時控制場上多隻機器人。(4)控制指令解碼功能：本文設計一個指令編碼表，定義其中每個位元的編碼意義來控制足球機器人的動作。(5)脈波寬度調變(PWM)產生器：本文利用暫存器結合下數計數器以及比較器形成數位PWM訊號來得到類比電壓輸出控制左右輪直流馬達，使機器人行動具有不同的速度變化。(6)馬達回授訊號分析與應用功能：本文分析馬達輸出的兩相回授訊號並加以運用，機器人就可以自我修正由外在因素所造成的行動誤差並使足球機器人具備瞬間加速及煞車功能。最後，我們以MAX+PLUSII之模擬圖來說明所設計之控制IP的功能，此外我們亦設計一個人機介面來操控機器人以驗證足球機器人的功能，並將同一套系統使用在正式的FIRA 3對3、11對11以及RoboCup 5對5之小型機器人足球競賽上，其可以證明所設計實現的足球機器人的確符合功能完整與高效能的要求。[[abstract]]In this thesis, a design method of a soccer robot with completed function and high efficiency for small-size league is proposed. A control IP (Intellectual Property) that conforms to the functionality of the robot soccer game is designed by using VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) and implemented on a FPGA chip to be the main control center of the soccer robot. The control IP includes the following functions: (1) Baud rate generator: A baud rate generator with many kinds of the transmission baud rate is designed so that different transmission baud rate can be selected by external switches for different occasion. (2) Asynchronous serial data extractor based on RS-232 protocol: A data extractor according to RS-232 transmission protocol is designed so that the data is received correctly. (3) UART ID recognition: A command packet standard is designed by using UART so that a wireless modem can be used to control all robots on the field. (4) Control command decoder: A command coding table is designed so that the soccer robot can be controlled to move by defining each bit of the table. (5) Plus width modulation (PWM) generator: A register, a down-counter, and a comparator are used to form different digital PWM signal and generate different analog voltage to control two DC motors so that the robot is endowed with the ability to move at different speed. (6) Motor feedback signal analysis and applications: The feedback signals of DC motors are considered so that the action error caused by the environment can be corrected and the system has the functions of skid and speed up. Finally, simulation results of the MAX+PLUSII are given to demonstrate the functionality of the control IP, and a human machine interface is constructed to demonstrate the implementation of the soccer robot. The proposed system is applied in the official FIRA 3 vs. 3, 11 vs. 11 and RoboCup 5 vs. 5 small-size robot soccer games, which can prove that it indeed meets the terms of multi-function and high efficiency.[[tableofcontents]]目錄 中文摘要………………………………………………………………… I 英文摘要………………………………………………………………… II 目錄………………………………………………………………………… III 圖目錄…………………………………………………………………… VI 表目錄…………………………………………………………………… XIII 第一章 緒論………………………………………………………… 1 1.1 前言……………………………………………………………… 1 1.2 研究背景………………………………………………………… 2 1.3 小型機器足球系統簡介……………………………………… 8 1.4 論文架構………………………………………………………… 9 第二章 小型足球機器人之控制電路板…………………… 11 2.1 FPGA主控核心與EPC2記憶體…………………………… 12 2.2 無線通訊系統…………………………………………………… 15 2.2.1 SST-2400EXT無線數據機………………………………… 15 2.2.2 BiM無線模組……………………………………………… 19 2.2.3 MAX-232位準轉換電路………………………………… 22 2.3 直流馬達與驅動電路………………………………………… 23 2.3.1 直流馬達…………………………………………………… 23 2.3.2 回授直流馬達……………………………………………… 27 2.3.3 馬達驅動IC與光耦合器………………………………… 28 2.4 可充電電池與穩壓電路……………………………………… 32 2.4.1 鉛酸充電電池……………………………………………… 33 2.4.2 NiMH鎳氫充電電池……………………………………… 36 2.4.3 鋰電池與充電系統………………………………………… 38 2.4.4 穩壓電路…………………………………………………… 40 2.5 控制電路板……………………………………………………… 41 2.5.1 單層電路板I……………………………………………… 42 2.5.2 單層電路板II……………………………………………… 47 2.5.3 雙層電路板………………………………………………… 48 第三章 足球機器人控制程式之原理與設計…………… 51 3.1 VHDL硬體描述語言………………………………………… 52 3.2 Max+PlusII電腦輔助數位電路設計介面………………… 54 3.3 足球機器人之控制IP………………………………………… 56 3.4 鮑率產生器……………………………………………………… 59 3.5 RS-232非同步串列資料擷取模組………………………… 63 3.5.1 RS-232通信協定…………………………………………… 63 3.5.2 並列傳輸與串列傳輸……………………………………… 65 3.5.3 同步傳輸與非同步傳輸…………………………………… 68 3.6 UART ID辨別模組…………………………………………… 72 3.6.1 多控制命令串列資料封包………………………………… 72 3.6.2 非同步通信元件UART…………………………………… 73 3.7 控制指令解碼功能…………………………………………… 78 3.8 PWM脈波寬度調變產生器………………………………… 80 3.8.1 工作率Duty-Cycle………………………………………… 81 3.8.2 PWM脈波寬度調變產生器………………………………… 82 3.9 馬達回授訊號分析與應用…………………………………… 86 3.9.1 兩相回授訊號……………………………………………… 87 3.9.2 馬達回授訊號之分析……………………………………… 89 3.9.3 馬達回授訊號之應用……………………………………… 93 第四章 車體機構設計與加工………………………………… 95 4.1 RoboCup具盤球與射門機構之小型足球機器人I……… 96 4.2 RoboCup具盤球與射門機構之小型足球機器人II……… 101 4.3 FIRA MiroSot 足球機器人………………………………… 104 第五章 足球機器人之測試與競賽成果…………………… 108 5.1 Borland C++ Builder人機介面……………………………… 108 5.2 足球機器人之硬體設定……………………………………… 110 5.3 操作實例與競賽實況………………………………………… 112 5.4 小型機器人足球系統競賽成果…………………………… 120 第六章 結論………………………………………………………… 129 參考文獻………………………………………………………………… 130 圖目錄 圖1.1 小型機器人足球系統之整體架構圖……………………………… 8 圖1.2 小型機器人足球系統之資料處理流程圖………………………… 9 圖2.1 足球機器人設計架構圖…………………………………………… 11 圖2.2 FPGA基本架構圖………………………………………………… 12 圖2.3 ALTERA EPF10K10LC84-4 FPGA晶片之實體圖………………… 13 圖2.4 FLEX10K內部架構圖……………………………………………… 13 圖2.5 ALTERA EPC2快閃記憶體之外觀圖……………………………… 14 圖2.6 EPF10K10晶片與EPC2記憶體之電路圖………………………… 14 圖2.7 SST-2400EXT無線數據機之實體圖……………………………… 15 圖2.8 SST-2400EXT無線數據機與個人電腦RS-232之連接圖………… 16 圖2.9 SST-2400EXT無線數據機之內部方塊圖………………………… 17 圖2.10 SST-2400EXT無線數據機之模式設定說明圖…………………… 17 圖2.11 BiM系列無線模組。(a)BiM；(b)BiM2；(c)BiM3……………… 19 圖2.12 BiM無線模組外觀圖……………………………………………… 20 圖2.13 BiM無線模組內部構造方塊圖…………………………………… 20 圖2.14微處理機與BiM無線模組之電路圖……………………………… 21 圖2.15 MAX-232位準轉換IC之內部結構圖…………………………… 22 圖2.16 直流馬達與步進馬達之控制結構比較圖………………………… 23 圖2.17 直流馬達之電樞結構圖…………………………………………… 24 圖2.18 直流馬達之電刷結構實體圖……………………………………… 24 圖2.19 直流馬達驅動方式………………………………………………… 25 圖2.20 左右輪直流馬達實體圖…………………………………………… 26 圖2.21 盤球機制直流馬達實體圖………………………………………… 26 圖2.22 射門機制直流馬達實體圖………………………………………… 26 圖2.23 回授直流馬達實體圖……………………………………………… 27 圖2.24 TA7291之外觀及腳位圖…………………………………………… 29 圖2.25 TA7291內部構造圖………………………………………………… 30 圖2.26 直流馬達驅動之波形模擬圖……………………………………… 30 圖2.27 FPGA直流馬達驅動電路方塊圖………………………………… 31 圖2.28 光耦合器PC817實體圖………………………………………… 31 圖2.29 光耦合器PC817內部架構圖及周邊應用電路圖……………… 31 圖2.30 鉛酸電池構造圖…………………………………………………… 33 圖2.31 鉛酸電池放電特性曲線。(a)不同放電速率之特性曲線;(b)溫度與放電量曲線…………………………………………………………………… 34 圖2.32 鉛酸電池實體圖………………………………………………… 34 圖2.33 混合定電流/定電壓充電曲線圖…………………………………… 35 圖2.34 電源供應器實體圖………………………………………………… 35 圖2.35 典型圓柱形鎳氫電池之結構圖…………………………………… 36 圖2.36 NiMH鎳氫電池實體圖…………………………………………… 37 圖2.37 鎳氫電池充電器實體圖…………………………………………… 37 圖2.38 7.4V鋰電池實體圖………………………………………………… 38 圖2.39 (a)鋰電池專用充電器實體圖;(b)240~110V轉12V電源轉換器實體圖…………………………………………………………………………… 39 圖2.40 鋰電池充電過程方塊圖…………………………………………… 39 圖2.41 穩壓IC。(a)7805實體圖；(b)2576外觀接腳圖………………… 40 圖2.42 2576內部結構圖及應用電路……………………………………… 40 圖2.43 電路板設計規劃流程圖…………………………………………… 41 圖2.44 RoboCup具盤球與射門機構之小型足球機器人I控制電路板實體圖…………………………………………………………………………… 42 圖2.45 ByteBlasterMV下載排線外觀圖………………………………… 43 圖2.46 FPGA晶片直接下載電路圖……………………………………… 44 圖2.47 ByteBlasterMV至EPC2下載電路圖……………………………… 45 圖2.48 EPC2至EPF10K10晶片下載電路圖……………………………… 46 圖2.49 RoboCup具盤球與射門機構之小型足球機器人II控制電路板實體圖…………………………………………………………………………… 47 圖2.50 FIRA MiroSot足球機器人控制電路板實體圖…………………… 48 圖2.51 上層及下層電路板PCB圖……………………………………… 48 圖2.52 上層電路板實體圖。(a)正面；(b)背面…………………………… 49 圖2.53 下層電路板實體圖。(a)正面；(b)背面…………………………… 49 圖3.1 足球機器人系統開發的基本流程圖……………………………… 51 圖3.2 VHDL語言的程式設計架構圖…………………………………… 52 圖3.3 MAX+plusII的基本操作視窗外觀………………………………… 54 圖3.4 數位電路程式設計流程…………………………………………… 55 圖3.5 小型足球機器人IP架構圖………………………………………… 56 圖3.6 足球機器人控制IP方塊圖………………………………………… 57 圖3.7 震盪器頻率因數求法方塊圖……………………………………… 60 圖3.8 鮑率產生器設計架構圖…………………………………………… 61 圖3.9 鮑率產生器方塊圖………………………………………………… 61 圖3.10 鮑率產生器之功能模擬圖………………………………………… 62 圖3.11 電話通信網路系統………………………………………………… 63 圖3.12 RS-232 DB9 與DB25連接頭…………………………………… 63 圖3.13 RS-232的信號電壓位準定義……………………………………… 64 圖3.14 並列傳輸方式示意圖……………………………………………… 65 圖3.15 串列傳輸方式示意圖…………………………………………… 66 圖3.16 串列方式資料傳輸系統示意圖…………………………………… 66 圖3.17 並列與串列資料的轉換…………………………………………… 67 圖3.18 RS-232傳輸格式…………………………………………………… 69 圖3.19 以bclkx8作rxd串列資料信號的取樣示意圖…………………… 69 圖3.20 RS-232非同步串列資料擷取模組設計架構圖…………………… 70 圖3.21 RS-232非同步串列資料擷取模組方塊圖………………………… 71 圖3.22 RS-232非同步串列資料擷取模組功能模擬圖…………………… 71 圖3.23 多控制命令串列訊號組…………………………………………… 72 圖3.24 UART ID辨別模組之設計流程圖………………………………… 73 圖3.25 UART ID辨別模組之設計狀態機圖……………………………… 75 圖3.26 UART ID辨別模組方塊圖………………………………………… 76 圖3.27 UART ID辨別模組功能模擬圖…………………………………… 77 圖3.28 控制指令解碼模組方塊圖………………………………………… 79 圖3.29 足球機器人控制指令解碼模組之功能模擬圖…………………… 79 圖3.30脈波寬度調變示意圖……………………………………………… 80 圖3.31 工作率示意圖………………………………………….………… 81 圖3.32 平均電壓示意圖…………………………………………………… 81 圖3.33 PWM訊號產生示意圖…………………………………………… 82 圖3.34 鋸齒波和參考電壓比較圖………………………………………… 83 圖3.35 PWM訊號產生器設計方塊圖…………………………………… 83 圖3.36 四組不同作用週期的PWM訊號………………………………… 83 圖3.37 下數計數器與上數計數器的兩種PWM訊號比較圖…………… 84 圖3.38 PWM脈波寬度調變產生器設計架構圖………………………… 84 圖3.39 PWM脈波寬度調變產生器方塊圖……………………………… 85 圖3.40 PWM脈波寬度調變產生器之功能波形模擬圖………………… 85 圖3.41 回授直流馬達接腳圖…………………………………………… 86 圖3.42 馬達回授方波訊號圖…………………………………………… 87 圖3.43 馬達回授A、B兩相訊號波形圖………………………………… 87 圖3.44 馬達正轉之回授A、B兩相訊號波形圖………………………… 88 圖3.45 馬達反轉之回授A、B兩相訊號波形圖………………………… 88 圖3.46 馬達正轉回授兩相訊號分析圖…………………………………… 89 圖3.47 馬達反轉回授兩相訊號分析圖…………………………………… 89 圖3.48 馬達回授訊號分析模組設計架構圖……………………………… 91 圖3.49 馬達回授訊號分析模組方塊圖…………………………………… 91 圖3.50 馬達回授訊號分析模組之功能模擬圖…………………………… 92 圖3.51 馬達回授訊號分析與應用模組之設計架構圖…………………… 93 圖3.52 馬達回授訊號分析與應用模組方塊圖…………………………… 93 圖3.53 馬達回授訊號分析與應用模組之功能波形模擬圖……………… 94 圖4.1 SolidWorks的基本操作視窗外觀………………………………… 95 圖4.2 足球機器人盤球機構示意圖……………………………………… 96 圖4.3 RoboCup小型足球機器人I之盤球與射門機構零件圖………… 97 圖4.4 RoboCup小型足球機器人I之機構外觀圖。(a)側視圖；(b)前視圖…………………………………………………………………………… 98 圖4.5 RoboCup具盤球與射門機構之小型足球機器人I實體圖……… 98 圖4.6(a)～(h) RoboCup小型足球機器人I之盤球機構連續動作展示圖 99 圖4.7(a)～(h) RoboCup小型足球機器人I之射門機構連續動作展示圖 100 圖4.8 RoboCup具盤球與射門機構之小型足球機器人II實體圖……… 101 圖4.9 RoboCup小型足球機器人II底板實體圖………………………… 101 圖4.10 RoboCup小型足球機器人II內部機構實體圖…………………… 102 圖4.11 皮帶實體圖………………………………………………………… 103 圖4.12齒條運作實體流程圖。(a)齒條之滑行軌道；(b)微動開關……… 103 圖4.13 射門桿上之大彈簧實體圖………………………………………… 103 圖4.14 射門馬達上之齒輪實體圖………………………………………… 103 圖4.15 FIRA MiroSot足球機器人外觀示意圖…………………………… 104 圖4.16 FIRA MiroSot足球機器人外觀多視角圖………………………… 104 圖4.17 FIRA MiroSot足球機器人零件圖………………………………… 105 圖4.18(a)～(h) FIRA MiroSot足球機器人組裝連續動作展示圖………… 105 圖4.19 FIRA MiroSot足球機器人實體圖………………………………… 106 圖4.20(a)～(h) FIRA MiroSot足球機器人直線連續動作展示圖………… 106 圖4.21(a)～(d) FIRA MiroSot足球機器人原地逆時針自旋連續動作展示圖…………………………………………………………………………… 107 圖4.22(a)～(f) FIRA MiroSot足球機器人逆時針繞圓路徑連續動作展示圖…………………………………………………………………………… 107 圖5.1 Borland C++ Builder人機介面……………………………………… 109 圖5.2 使用SST-2400EXT無線數據機遙控RoboCup具盤球與射門機構之小型足球機器人I之系統實體圖…………………………………………… 112 圖5.3 MAX+plusII的programmer介面…………………………………… 113 圖5.4下載方式電路開關設定……………………………………………… 113 圖5.5 機器人編號開關設定……………………………………………… 114 圖5.6 鮑率選擇開關設定………………………………………………… 114 圖5.7 人機介面設定測試結果圖………………………………………… 115 圖5.8 使用BiM3無線模組遙控FIRA MiroSot足球機器人的系統實體圖…………………………………………………………………………… 116 圖5.9 電腦發射端BiM3無線模組電路板實體圖……………………… 116 圖5.10(a)～(j) FIRA MiroSot足球機器人原地順時針自旋連續動作展示圖…………………………………………………………………………… 117 圖5.11(a)～(l) FIRA MiroSot足球機器人連續動作展示圖……………… 118 圖5.12 2003年11月台灣機器足球大賽RoboCup 5 vs. 5參賽作品實體圖…………………………………………………………………………… 121 圖5.13(a)～(f) 2003年11月台灣RoboCup 5 vs. 5競賽連續動作展示圖 121 圖5.14 2004年11月世界盃機器足球賽MiroSot 11 vs. 11參賽作品實體圖…………………………………………………………………………… 122 圖5.15 2004年11月台灣機器足球大賽FIRA 3 vs. 3參賽作品實體圖… 123 圖5.16(a)～(h) 2004年11月台灣FIRA 3 vs. 3競賽防守連續動作展示圖 123 圖5.17(a)～(j) 2004年11月台灣FIRA 3 vs. 3競賽射門連續動作展示圖 124 圖5.18 2004年11月台灣機器足球大賽RoboCup 5 vs. 5參賽作品實體圖…………………………………………………………………………… 125 圖5.19 (a)～(h) 2004年11月台灣RoboCup 5 vs. 5競賽連續動作展示圖 126 圖5.20 2004年12月全國學生專題實作及競賽I……………………… 127 圖5.21 2004年12月全國學生專題實作及競賽II……………………… 127 圖5.22 2004年12月精密機電整合科技教育改進計畫93年度成果發表會…………………………………………………………………………… 128 表目錄 表1.1 RoboCup歷屆比賽地點一覽表…………………………………… 3 表1.2 FIRA Cup歷屆比賽地點一覽表…………………………………… 5 表2.1 SST-2400EXT無線數據機規格表………………………………… 18 表2.2 BiM無線模組接腳功能說明表…………………………………… 21 表2.3 TA7291接腳功能說明表…………………………………………… 29 表2.4 IN1, IN2真值表……………………………………………………… 30 表3.1 FLEX10K10元件使用率…………………………………………… 55 表3.2 足球機器人控制IP腳位說明表…………………………………… 57 表3.3 鮑率選擇表………………………………………………………… 59 表3.4 鮑率產生器腳位說明表…………………………………………… 61 表3.5 RS-232 DB9與DB25腳位對照表………………………………… 64 表3.6並列傳輸與串列傳輸之比較……………………………………… 65 表3.7 RS-232非同步串列資料擷取模組腳位說明表…………………… 71 表3.8 電腦傳送之資料封包……………………………………………… 72 表3.9 UART ID辨別模組腳位說明表…………………………………… 76 表3.10 足球機器人控制指令編碼表……………………………………… 78 表3.11 控制指令解碼模組腳位說明表…………………………………… 79 表3.12 PWM脈波寬度調變產生器腳位說明表………………………… 85 表3.13 回授直流馬達規格特性表……………………………………… 86 表3.14 馬達回授訊號分析模組腳位說明表…………………………… 91 表3.15 馬達回授訊號分析與應用模組腳位說明表…………………… 94 表5.1 FPGA程式下載方式切換開關撥法………………………………… 110 表5.2 足球機器人編號開關撥法………………………………………… 111 表5.3 鮑率選擇開關撥法………………………………………………… 111[[note]]學號: 692380040, 學年度: 9