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Electrics.md

File metadata and controls

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小型足球机器人--电路组

1. 电路架构

电路负责从软件电脑指令的发出,到机械电机的运转、平挑射的执行,之间的信号传输与处理等部分。主要分为通讯模块、STM32核心控制模块、电机驱动模块、平挑射模块等:

  • 1.1 通讯模块

    作为机器人和电脑通信的主要功能模块,其抗干扰性、信号的完整性在比赛中尤为重要。

    由于赛场环境的复杂性,为了保证通讯质量,ZJUNlict通讯采用的频点是2.4GHz ,带宽可达2Mbps的Nordic nRF24L01P 芯片模块。同时,也选用了更大增益的发射天线和更为灵敏的接收天线,保证了信号的灵敏性与完整性。

  • 1.2 STM32核心控制模块

    核心处理器的功能是信号的处理,包括无线通信的控制,电机PWM调制,以及平射挑射的指令下发等。

    2018年之前,我们的核心控制模块全部采用FPGA,为ALTERA公司生产的Cyclone III的一款FPGA处理器,其包含25K逻辑门。2019年,我们参考了TIGERs队伍的电路设计,采用了ST公司最新推出的一款处理速度达400MHz的处理器STM32H743,经测试其完全能够满足我们的要求,也是我们在悉尼赛中采用的版本。

    目前我们的机器人存在FPGA版本以及STM32版本两种,新车全部采用STM32版本,烧录采用STLINK,相对于FPGA而言具有更好的可维护性和更低的开发难度。

  • 1.3 电机驱动模块

    电机驱动包含4个运动电机和1个吸球电机,ZJUNlict 目前采用Allegro 公司的A3930 芯片进行驱动信号和霍尔信号的处理,实施BLDC 三相直流无刷电机的驱动。

    由于内部带有逻辑信号处理的能力,就一路电机控制而言,A3930 将输入的1路PWM 信号转换成具有一定逻辑关系的6路PWM 信号,控制相应IR8313 MOSFET的开闭,从而驱动电机的运转。同时,A3930 还具备霍尔信号检查、电流检测、安全保护等功能。A3930 减轻了主控芯片直接输出6路PWM 波的压力,同时进一步确保了电机驱动系统的稳定运行。

    ZJUNlict 电机驱动系统驱动电压可达24V,驱动电流上限10A,支持70W电机的正常运转。

  • 1.4 平射、挑射模块

    平射、挑射模块在电路中表现为升压板,通过将2个2200uF升到190V左右的高压,经过线圈放电,带动平射、挑射杆的方式,实现机器人的平射、挑射功能。

    ZJUNlict目前采用的是BOOST升压方式,将电压升到190V,升压模块在小型里算是非常稳定的了。

2. 关键技术

  • 2.1 PCB绘制

    电路的维护和创新都离不开队员对于电路板原理的掌握与PCB的绘制与维修,例如使用AD绘制PCB等。

pcb

pcb

  • 2.2 代码

    队员需要熟练操作STM32等芯片。具体包含Keil、CUBE MX等软件的使用。

  • 2.3 沟通与扩展

    电路需要粗略了解机械结构、软件的需求,从而更好的沟通协作。

3. 未来发展

  • 3.1升压方式的改进

    BOOST升压方式换为Flyback升压,减少升压板元器件,为电路其他部分留下空间等。

  • 3.2 传感器的使用

    在机器人上面装备更多、功能性较强的传感器等,比如在机器人正前方装一个摄像头以感知球的位置,在电路板上装一个陀螺仪以更精准的控制车的角度等。

  • 3.3 发射机的改进

    现有的发射机采用STM32F4系列,采用百兆网口模式,并且发射机和接收机独立。未来为了提高通信质量和速度,计划在FPGA上开发一个千兆的网口服务器,将发射机与接收机合为一体。另外为了防止出现网络拥堵影响通信质量的情况,计划另外开发一个采用USB3.0通信协议的FPGA发射机,作为备用方案。