智能足球主动控制系统

作者:付文博  罗永红  周英琪  唐芯茹

哈尔滨剑桥学院

基金项目：2023年哈尔滨剑桥学院大学生创新创业训练计划项目（智能足球主动控制系统（项目编号：X202313303092）阶段性研究成果）

智能足球自动恢复原来位置的目的是为了确保比赛的公平性和准确性。当足球偏离原来的位置时，可能会导致比赛结果的偏差，因此需要MCU自动将足球恢复到原来的位置，以确保比赛的公正性和准确性。此外，自动恢复原来位置还可以提高比赛的效率和流畅度，减少比赛中的中断和争议。在业余比赛中，足球返回原位还可以避免消耗体力，避免足球的丢失。在足球里安装MCU芯片可以通过以下步骤来实现足球自动控制。

智能足球主动控制系统项目旨在通过集成先进的传感器、控制算法和执行机构来提高足球比赛的互动性和观赏性。

在足球里安装MCU芯片可以通过以下步骤来实现足球自动控制: 一是选择合适的MCU芯片：选择适合足球运动控制的MCU芯片STMicroelectronics的STM32系列芯片；二是设计电路板：设计一个小型电路板，将MCU芯片和其他必要的电子元件连接在一起；三是安装电路板：将电路板安装在足球内部，可以通过足球的气孔或其他开进行安装，四是编写控制程序：使用编程软件编写控制程序，将程序烧录到MCU芯片中；五是根据不同推力机制使足球机器人完成运作；六是测试和调试：测试和调试控制程序，确保足球能够按照预期的方式运动。

该项目设计了多功能便携式电源，团队对其系统及其应用进行了相关深入的研究。通过对逆变器直接转化太阳能充电的研究和探讨，最后由后级逆变电路实现直变交和BUCK型变换器实现太阳能充电。总体上分为两个步骤，内部锂离子电池充电和放电给外接设备。又因为充电时阳光会发生不稳定的变化，导致输出电压不稳定，所以我们用Buck型变换器降压给锂电池充电。输出方式有俩种，一种为经过LM2676-5.0稳压电路，稳定地输出5V电压，通过USB接口连接小功率设备，给其供电。另一方式经过Boost变换器升压，输出16V、19V的电压，大功率设备供电。通过SG3525控制PWM，调整Boost变换器的升压幅度，从而控制输出是16V或者19V的电压。同时Mega32单片机获取放电电流、电压、过流保护信息，通过PWM方式控制前端充电电路的通断保护设备。

本系统单片机主要完成的控制数据的采集将采集到的数据进行分析处理后，生成PWM脉宽调制信号控制开关管的导通和关断，从而对输出的大小进行控制。通过单片机定时器在输出过程中定时检测输出电流或电压，与设定值比较后调整PWM占空比，使输出趋向设定值。锂离子电池在充电过程中，通过检测电压电流的大小来决定电池充多少电，从而改变充电决定充电是否停止。在锂离子电池放电过程中，检测放电电流大小及过流保护信息，决定前端充电回路的通断。同时，单片机采集电压信息，通过LED灯的闪烁，将锂离子电池充电信息显示出来。整个系统的工作过程是：开始初始化电路电路功能，选择输出输出。

锂离子电池的充电过程分两个阶段进行，第一阶段为恒流充电充电电压电压阙值时转入第二阶段，即恒压，恒压充电电流会随着时间的推移而逐渐降低，当充电电流降到0.1mA时，表明电池已充到额定容量的93%~95%，此时即可认为基本充满，如果继续充下去，充电电流会慢慢降低到零，电池完全充满。充电过程中，“充电”指示灯亮；充满时，“充饱”指示灯亮，“充电”指示灯灭。

移动电源通过内置锂离子电池电池进行充电，或者直接作为外置设备使用的普通直流电源，具有完善的过流保护功能，保证电子产品的安全使用。单片机通过采集锂离子电池放电电流和过流保护信息，通过PWM对前端锂离子电池充电电路的通断和切断过流保护进行控制。

为了实现便携式多功能电源的功能，特别是实现产品的小型化便携化，需要解决的最大问题是产品中磁性器件的体积重量，而提高产品的频率是一个非常有效的方法，同时考虑到系统对功率的要求并不是特别高，所以采用了DC/AC/DC/AC隔离拓扑结构，也就是单相高频链逆变电源的拓扑结构。在该电路中，蓄电池提供36V直流电压，通过电容滤波供给前级高频全桥逆变逆变电路将低压直流逆变为高频高频通过高频变压器升压直流升压通过全桥整流整流，最终实现。升压后的直流再次经过电容滤波电路滤除杂波供给后级工频全桥逆变后级逆变电路驱动信号可调占空比，从而实现对最终输出的工频交流电压等级的调节，最后经过Lc滤波电路向负载提供所需电压等级的工频交流电。

直流全桥升压回路主要作用是将蓄电池提供的36V低压直流升压，作为供后级工频逆变适合逆变的高压直流。在常用的隔离式直流升压回路中，全桥式升压回路功率开关管仅承受电源电压，铁芯利用率高13%，主要由前级高频全桥逆变回路、高频隔离变压器和全桥整流回路构成。在前级高频全桥逆变电路中，驱动信号控制互为对角的两个功率器件同时导通，而两个功率器件在同一侧半桥上下交替导通，在变压器的一次侧加低压直流逆变成交流电，然后再进行升压。改变驱动信号的占空比，就能使加在变压器一侧的电压发生变化。在驱动信号占空比不变的情况下，输出电压与高频变压器匝数比成正比。

后级逆变电路采用四个IGBT组成全桥工频逆变电路作为功率器件，升压后的直流电压脉动成交流电压，通过SPWM方式调制脉动电压。SPWM技术中，载波为三角波，调制波为正弦波，两种波形相比较可以得到脉宽按正弦规律变化的方波，也就是SPWM波，而通过调节调制波幅三角波幅值的比值，即调制比，可以改变得到的方波方波的高电平时间决定了逆变电路功率器件的开启时间，因此通过调制比的改变可以有效调节逆变得到的交流电压有效值，从而得到不同电压等级的交流电输出。逆变桥后经过电感L和电容C组成的Lc滤波电容滤除杂波，即可得到所需电压等级的交流电。

该项目采用了基于视觉有智能足球机器人系统的工作模式，即机器人具有速度控制、位置控制、自动障碍回避等功能，主机通过视觉数据进行对策决策处理，然后 发出命令给机器人，机器人根据命令做出行动反应。该项目使用了 Intel 的 16 位处理器 80C196KC 作为 CPU 板，红外传感器(IR )作为机器人的传感器部分，无线通信方式将指 挥命令传给机器人。

总结：

智能足球主动控制系统主要由硬件平台、传感器网络、控制系统和软件算法组成。系统能够实现足球机器人对足球的精准识别、跟踪、定位，并通过高效的控制策略实现足球的捕获和控制策略是智能足球主动控制系统的核心。我们采用了基于视觉的跟踪算法，结合深度学习和计算机视觉技术，实现了对足球的实时识别和跟踪。同时，通过优化控制算法，提高了机器人在不同环境下的控球稳定性和效率。硬件平台是智能足球主动控制系统的基础。通过不断地改进和优化，智能足球主动控制系统将能够更好地为球队提供支持和帮助，提升球队的竞争力和表现水平，不断进行系统的测试和改进，倾听用户的反馈意见，不断优化系统的性能和功能，以适应不断变化的比赛需求。

总的来说，智能足球主动控制系统为足球训练和比赛带来了新的可能性和机遇。通过技术的创新和应用，这种系统可以提升球队的竞技水平，为体育产业注入新的活力。这些成果离不开团队的努力和合作，感谢所有参与者的付出和贡献。10、参考文献

1. 郑宇，李华，张力。基于图像识别的智能足球机器人控制系统研究[J]. 2018年第10届国际测量技术和机电自动化会议论文集，2018。

2. 阿尔梅达，德梅洛，科斯塔。基于视觉控制系统的智能足球机器人[J]. 2019年IEEE拉丁美洲机器人研讨会论文集，2019。

3. 张欣，刘辉。基于多传感器融合的智能足球机器人控制系统设计与实现[J]. 2017年第13届国际自然计算、模糊系统和知识发现会议论文集，2017。

4. 杨强，陈利，刘健。基于多传感器融合的智能足球机器人控制系统设计与实现[J]. 2016年第12届国际自然计算、模糊系统和知识发现会议论文集，2016