0 引言
RoboCup是1993年由日本研究人员最先组织的机器人足球比赛，目的是通过研究使机器人参与到足球运动中，进而推动科学技术的发展。目前国内有十余个高校参与到此项目中。北京信息科技大学笔者所在的比赛队伍一直使用tiny210为核心板，目前已经无法搭载更先进的视觉识别算法和定位算法，因此本文针对类人足球机器人的核心板运算能力不足的问题，对机器人硬件平台进行选型及设计。 目前国内类人足球机器人更多使用Nao、darwin等国外公司生产的标准平台。由于规则[1]限制，标准平台机器人无法参加RoboCup类人组的比赛，因此要参加类人组比赛，需要自行设计机器人的结构及硬件品台。
当前类人足球机器人硬件平台存在的主要问题为：机器人系统安装维护难度较大；性能无法满足识别定位等算法；控制板设计外设接口复杂，工作不稳定等。因此，本文提出了一种更适用于当前规则的类人机器人硬件平台的设计，将高性能处理单元作为类人机器人的硬件核心，提高了机器人的硬件处理能力，使之可搭载更先进的视觉识别算法和定位算法[2]，并且根据新的核心板对控制板进行了设计，有效减小了硬件平台的体积和成本，同时显著提升了机器人在Robocup机器人世界杯比赛中的竞争力。 1类人机器人硬件平台总体框架
小型类人足球机器人的硬件平台主要包含核心板和控制板，核心板的主要功能为搭载机器人的识别、定位导航及决策的算法；控制板的主要功能为接收核心板发出的指令控制机器人的运动。对此，选用性能合适、性价比更高的硬件平台是进行整体硬件设计的前提。
为了便于进行开发及维护，本设计将机器人硬件平台分为核心板及控制板两部分。机器人的运动模块由20个dynamixel舵机组成。核心板搭载在ROS框架下的软件部分，主要包含视觉模块、定位模块，决策模块等部分，分别实现机器人对目标的识别、自定位及目标定位和场上动作决策功能；同时向控制板发送控制指令。控制板搭载机器人特殊步态及全向运动步态，实现机器人对运动模块的控制，使机器人可以在场上完成行走、踢球等动作；同时，控制板集成机器人所需IMU传感器，该传感器可以实时采集机器人位姿信息及运动信息，控制板可以将传感器采集的数据发送到核心板进行数据处理。
硬件平台设计需要较高的稳定性和可靠性，以保证机器人在不断电情况下可以连续运行，在调试时尽可能避免故障出现。硬件平台框架如图1所示。
图1 硬件平台框架
小型类人足球机器人硬件平台设计与实现
张重阳 王君 王子润 金健 燕必希
（北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京，100192）
摘 要
本文论述了一种可用于类人型足球机器人的硬件平台设计与实现。在分析了现有多种核心板的接口技术现状后，本文给出了相应的设计目标、主要功能、组成结构和硬件平台电路模型；机器人可以在核心板上实现图像、定位、决策的处理等功能，在控制板上实现控制机器人运动模块及接收传感器信息的功能；硬件平台拥有强大的计算能力，以适应在更改规则后的RoboCup机器人世界杯比赛中的强度。
关键词：机器人，硬件设计，比赛
渗透汽化膜本论文课题是北京信息科技大学2019年研究生科技创新项目，项目编号 5121911042；北京信息科技大学2019年人才培养质量提高项目，项目编号5101923200。
2机器人硬件平台设计实现
2.1核心板选型
类人足球机器人是一个综合性强、多任务、高计算量的机器人平台，需要拥有在场上进行实时目标识
别、定位的能力，并在此基础上进行机器人导航及路径规划，最后通过相应轨迹及运动学姿态计算实现对机器人的控制。因此，需要选用一块高性能的核心板作为机器人的“大脑”。
目前主流高性能嵌入式开发板有树莓派4、Firefly-RK3399、Nvidia-Jetson-TX2、Intel-NUC等型号，这几款开发板均可进行高速度图形计算。
树莓派4拥有1.5GHz的64位Cortex-A72处理器，最高8GB的LPDDR4 RAM，同时拥有板载USB、蓝牙及Wi-Fi接口和一个40个引脚的包含UART、IIC等接口的排针。RK3399拥有双核CortexA72+四核CortexA53的CPU和最高4GB的内存，同时搭载了一个四核ARM Mali-T860GPU，且内置低功耗MCU及相应接口，也拥有USB、蓝牙和Wi-Fi接口。Nvidia-Jetson-TX2拥有双核ARM-A57、双核Denver处理器和一个拥有256个核心的GPU，使用小型开发板后可以拥有多种IO接口及USB、Wi-Fi接口，可以实现对高精度移动平台的控制。Intel-NUC是一款x86架构的主板，拥有i7处理器及多种外设接口，但是其19V供电65W功耗不利于在小型类人机器人平台使用。
在对以上开发板进行实验时，笔者发现，Intel-NUC 功耗过高，无法满足机器人运行的续航；树莓派4在同时进行深度学习、定位导航及决策时，无法满足实时性；Firefly-RK3399由于尺寸偏大，不符合机器人结构设计要求。因此选用尺寸小、性能强的Nvidia-Jetson-TX2开发板作为机器人的核心板。
2.2控制板设计
微型振动马达
根据上述的设计分析，笔者需要设计基于Nvidia-Jetson-TX2（以下简称TX2）的控制电路。根据图1所示硬件平台框架图，控制板需要在接收到核心板发出的决策信息后控制机器人的运动模块，使机器人做出相应动作；同时需要接收IMU传感器的数据并发送到核心板。
笔者选用LPC1768作为控制板的MCU，其本身包含512KB 的flash 存储器、64KB 的数据存储器、以太网MAC、USB 主机/从机/OTG 接口、8 通道DMA 控制器、4 个UART等接口。
LPC1768微控制器及外围电路设计包含：
1）复位和时钟电路；
2）存储器接口电路；
3）信号传输电路。
锁向环电压为3.3V，晶振频率为12MHz。复位电路采用复位按钮，当按键按下时，LPC1768的复位引脚接地，系统实现复位。
在系统运行时，可能会出现被干扰或死机现象，因此加入复位按钮可以快速解决问题。使用AT45DB161D 作为闪存芯片以保存机器人相关的步态信息，该模块与LPC1768使用SPI协议通信。
使用JY901IMU模块为机器人提供运动信息，JY901与LPC1768的通信采用FT232RL芯片，实现TTL转USB 达到LPC1768对IMU的读写目的。LPC1768采用RS485通信协议与舵机进行数据交换，达到控制舵机旋转及读取舵机旋转量的目的。使用P0[7]、P0[8]引脚控制RS485的收发使能信号，RXD3、TXD3作为RS485的数据收发引脚。
LPC1768引脚资源分配如表1所示。
表1 LPC1768引脚资源分配
引脚名称引脚号实现功能引脚名称引脚号实现功能
P0[2]/TXD098
串行数据
接口发送
TXD382
RS485发送
数据引脚
P0[3]/RXD099
串行数据
接口接收
RXD385
RS485接收
数据引脚USB_D+25
USB数据线
正极
P0[7]78
RS485接口
接收使能USB_D-26
USB数据线
负极
P0[8]77
RS485接口
发送使能TDO1
JTAG测试数
据串行输出
SCK62
主设备时钟
信号TDI2
JTAG测试
数据输入
SSEL63
低电平有效的
从机选择线TMS3
smartthreads
JTAG测试
模式选择
MISO61
主机输入
数据线TRST4
JTAG测试系
统复位信号
MOSI60
主机输出
数据线TCK5
JTAG测试
时钟
NMI53
终端控制器
引脚RTCK100
JTAG测试时
钟返回信号
由于机器人要求在比赛过程中不可外接电源线，需要使用电池进行供电，对此要设计电源模块电路，以保证控制板、核心板的工作以及舵机的工作。笔者使用两个
MOSFET和两个开关分别作为机器人硬件平台和舵机的电源开关。如图2所示为机器人电源开关设计。
图2 机器人电源开关设计
当机器人只进行软件调试时可以只打开硬件平台开关，在控制失当导致机器人步态扭曲时可以只关闭舵机开关，起到方便调试和保护机器人的作用。
机器人使用Dynamixel舵机，其输入电压为10V-15V 直流电源，控制板及核心板VCC为+5V直流电源，因此选用14.8V、10A电池对系统供电。使用TPS5450实现14.8V转5V和14.8V转14VDC-DC。如图3所示为电源转换电路。
图3 电源转换电路
焗油机图3上侧VIN1对应图2中VIN1，经过TPS5450实现14.8V转5V用于对控制板和核心板的供电。图3下侧VIN2对应图2中VIN2，经过TPS5450实现14.8V转10V-14V，此处可以通过调节滑动变阻器R11进行控制。
3硬件平台验证实验
使用类人足球机器人WALL.E作为硬件平台的验证工具（图4）验证控制板（图5）是否满足设计需求，通过实验分析，验证了本文设计的类人足球机器人硬件平台的有效性和可靠性。
图4 机器人WALL.E
图5 控制板样板
1）验证硬件平台在搭载Yolov3进行目标检测时的实时性是否满足机器人在实际应用中的需要。结果表明，机器人可以运行深度学习正常识别到目标，帧率保持在16fps左右，满足机器人运行软件时的要求。图6为硬件平台运行Yolov3对足球和机器人进行识别。工程塑料改性技术
图6 平台对机器人和球的识别
2）使机器人连续运行60min，记录机器人每次运行时发生故障时运行的时长，若在60min内没有发生故障则不记录异常停止运行。笔者连续进行了10次试验，数据显示由于硬件故障引起的机器人异常停止运行为0
次。此
证明硬件平台在运行时满足设计可靠性要求。表2为部分测试记录数据。
表2 硬件平台测试数据记录
数据次序12345678910运行时长/min 606060556060
60506060故障原因
无
无
无
邬婧婧软件异常
无
无
无
电源断开
无
无
实验证明，该硬件平台性能和可靠性满足比赛需求及设计需求。同时，这套硬件平台随队伍参加2019年
RoboCup 全国机器人挑战赛类人组技术挑战赛项目和4v4项目，分别取得冠军和季军的成绩。
4 总结及展望
本文论述了一种基于TX2的机器人硬件平台设计，通过最终的实验结果证明，机器人整体性可以满足比赛及调试需要，核心板和控制板可以有效地对机器人进行控制。未来在新的硬件平台上，本设计亦可以实现更加先进的识别、定位导航算法。
参考文献
[1] RoboCup Technical Committee: Robocup Soccer Humanoid League Laws of the Game.2018/2019.
[2]陈万米. 小型足球机器人系统的实时控制及决策规划研究与实验[D].上海大学,2009.
[3]郑新, 金宁, 李文翰，等.基于STM32和树莓派的四足人形机器人系统[J].中国科技信息, 2016 (23) :65-67.[4]王兵. 智能巡检机器人测控平台研究[D].西安石油大学,2019.
[5]姚峰. 基于树莓派的财务服务机器人的平台设计与实现[D].电子科技大学,2019.[6]刘硕. 基于ARM 的多移动机器人编队避障控制系统设计[D].天津工业大学,2019.
[7]王嵘，万永菁.一种基于SLAM 的多功能探索机器人设计[J].机械与电子,2019,37(9):51-53+58.
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