對抗機(jī)器人擂臺定位設(shè)計(jì)

趙寶森　許曉飛　靳宸北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院

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對抗機(jī)器人擂臺定位設(shè)計(jì)

趙寶森許曉飛靳宸
北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院

文章介紹擂臺機(jī)器人的基本構(gòu)成和工作原理，采用8個紅外傳感器檢測模塊檢測對方機(jī)器人距離以及擂臺上的位置，在控制器內(nèi)編寫對抗策略，實(shí)現(xiàn)全自主的進(jìn)行擂臺對抗，具有更強(qiáng)大的攻擊力和防御力和靈活的機(jī)動性，這將使得擂臺機(jī)器人比賽更加具有可觀性。

機(jī)器人 擂臺對抗 智能

1　引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人競技運(yùn)動在世界各地蓬勃興起。擂臺對抗機(jī)器人是在第三代機(jī)器人研發(fā)的背景下發(fā)展出來的。它是用于進(jìn)行擂 臺對抗而開發(fā)出來的，它給機(jī)器人的智能控制提供了一個發(fā)展的平臺?，F(xiàn)在的擂臺對抗機(jī)器人已經(jīng)可 以基本實(shí)現(xiàn)全自主的進(jìn)行擂臺對抗。擂臺機(jī)器人將具有更加強(qiáng)大的攻擊力和防御力，具有更加靈活的 機(jī)動性，這將使得擂臺機(jī)器人比賽更加具有可觀性。 本擂臺對抗機(jī)器人是基于紅外無線的檢測原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，紅外檢測采用點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，是 目前國際上普遍采用的無線傳輸技術(shù)。它采用紅外波段內(nèi)的近紅外線，波長在0.75um至25um之間，檢測距離一般在0cm至80cm之間，紅外檢測技術(shù)提供 了一種低成本、短距離、高速率的檢測方式，基于紅外無線檢測技術(shù)的擂臺對抗機(jī)器人具有快速、可靠、抗干擾性強(qiáng)的特性。

2　系統(tǒng)簡介

擂臺機(jī)器人以控制器為核心；用紅外傳感器檢 測擂臺機(jī)器人距離擂臺邊緣的位置，以便及時(shí)擂臺 機(jī)器人的位置，以防止擂臺機(jī)器人沖出擂臺；用紅 外傳感器檢測對方的擂臺機(jī)器人的位置，以便擂臺 機(jī)器人尋找對方的擂臺機(jī)器人的位置并攻擊；用直 流電機(jī)驅(qū)動擂臺機(jī)器人；用舵機(jī)驅(qū)動擂臺機(jī)器人的 后方攻擊部分，如圖1所示：構(gòu)架簡圖。 圖1 擂臺機(jī)器人設(shè)計(jì)框圖 （參見右欄） 紅外檢測技術(shù)就是利用950nm的紅外線為載體進(jìn)行信息的傳遞，其實(shí)質(zhì)就是對二進(jìn)制數(shù)字信號進(jìn) 行調(diào)制與解調(diào)。發(fā)送端利用脈時(shí)調(diào)制方式，將二進(jìn)制數(shù)字信號調(diào)制成固定頻率的脈沖序列，并利用該脈沖序列驅(qū)動紅外傳感器向外發(fā)射紅外線，其接收 端將接收到的脈沖信號轉(zhuǎn)換成電信號，再將此電信號經(jīng)過放大、濾波等處理后送給解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)， 還原成二進(jìn)制數(shù)字電信號后輸出。本次擂臺對抗機(jī)器人的設(shè)計(jì)采用24V電源供電， 中心控制器采用STC12C5A60S2單片機(jī)，通過7805 芯片為其供電，采用24V/50W的直流減速電機(jī)，通過雙BTS/BTN7970大電流H橋電路驅(qū)動，選用的紅外傳感器有效距離3-80cm可調(diào)，響應(yīng)時(shí)間小于 1ms，5V供電。

3　對抗策略實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)擂臺競賽規(guī)則，設(shè)計(jì)對抗策略，包括在進(jìn)攻中高效對抗的機(jī)器人的各種博弈，在機(jī)器人擂臺賽中，機(jī)器人之間進(jìn)行一對一對戰(zhàn)，通過各種戰(zhàn)術(shù)有效的將對方機(jī)器人推出場外。如果一方機(jī)器人整體離開擂臺區(qū)域。則另一方獲勝。如果雙方均未離開擂臺，則在比賽時(shí)間結(jié)束后。距離擂臺中央的擂主區(qū)域近的一方獲勝。車體設(shè)有8個紅外傳感器檢測模塊， 其中4個紅外傳感器平行于車體放置，用于檢測障礙物并進(jìn)行對抗，機(jī)器人的前方設(shè)計(jì)有防護(hù)裝置和攻擊裝置，當(dāng)左邊檢測到障礙物時(shí)，車體迅速向左旋 轉(zhuǎn)90°，當(dāng)右邊檢測到障礙物時(shí)，車體迅速向右旋 轉(zhuǎn)90°，當(dāng)后方檢測到障礙物時(shí)，車體先向右旋轉(zhuǎn)90°，再向右旋轉(zhuǎn)90°，面對障礙物后小車加速沖 向障礙物進(jìn)行對抗。另外4個紅外傳感器與車體呈大約30°角放置，并放在車體的四角，用于檢測邊緣，當(dāng)檢測到障礙物時(shí)，表示小車在擂臺上，當(dāng)其中只 要有一個紅外傳感器未檢測到障礙物，則表示小車處于擂臺邊緣，小車便轉(zhuǎn)向擂臺中央。

設(shè)計(jì)出相應(yīng)機(jī)器人的底座；搭建擂臺機(jī)器人對抗平臺，合理布置紅外模塊或超聲波模塊用于邊緣 檢測；合理選擇紅外模塊用于對抗；合理選擇加速 度模塊并編寫靈活的算法避免與其他機(jī)器人相持；合理選擇大功率大扭矩電機(jī)使機(jī)器人擁有速度與力量；合理設(shè)計(jì)外觀，使機(jī)器人美與堅(jiān)固并存，使機(jī)器人更具有攻擊性。

4　軟件設(shè)計(jì)

由分到總的設(shè)計(jì)理念：先熟悉機(jī)器人各部分的設(shè)計(jì)，最后融合處理，使機(jī)器人具有靈活性，最終設(shè)計(jì)出合格的產(chǎn)品。擂臺對抗機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)流 程圖如圖3所示，基于單片機(jī)編程處理；進(jìn)一步研究機(jī)器人在博弈過程中如何搭配各種模塊，需要研 究并合理選擇邊緣檢測模塊，對抗檢測模塊，電機(jī) 控制模塊。需要編寫智能控制程序，采用51單片機(jī)或Arduino控制。編寫簡潔易用的程序驅(qū)動機(jī)器人，讓機(jī)器人攻防效果更佳，實(shí)現(xiàn)武術(shù)擂臺對抗機(jī)器人程序運(yùn)行中，命令行執(zhí)行過程是：首先機(jī)器人上電，做出出發(fā)的手勢后，機(jī)器人沖上擂臺，同時(shí)開啟紅外檢測；機(jī)器人處于邊緣，博弈標(biāo)志位Flag 置1，單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)的信號給電機(jī)驅(qū)動模塊，驅(qū) 動電機(jī)向擂臺中央旋轉(zhuǎn)；機(jī)器人檢測到障礙物，博弈標(biāo)志位Flag置0，單片機(jī)發(fā)出加速的信號給電機(jī)驅(qū)動模塊，驅(qū)動電機(jī)加速；若兩個機(jī)器人力量相當(dāng)，單片機(jī)便發(fā)出后退的信號給電機(jī)驅(qū)動模塊，驅(qū)動電機(jī)后退，尋找合適的時(shí)機(jī)再進(jìn)行對抗。

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的擂臺對抗機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了反復(fù)的試驗(yàn)，試驗(yàn)表明該裝置靈敏、可靠。機(jī)器人啟動后，在80cm范圍內(nèi)能夠有效檢測到障礙物并進(jìn)行撞擊，若障礙物體積巨大，機(jī)器人在對抗6s后自動退回并尋找合適的對抗點(diǎn)，在距離邊緣大約10cm處，機(jī)器人可以快速反應(yīng)并向中央旋轉(zhuǎn)。所以，該裝置具有良好的對抗性能，可以進(jìn)行擂臺對抗機(jī)器人的比賽，具有一定的使用價(jià)值。我們發(fā)現(xiàn)小車在檢測到前方有障礙物時(shí)自動后退并調(diào)整了方向，準(zhǔn)備避開障礙物。最后小車順利避開障礙物，成功通過，達(dá)到了預(yù)期的目的。下表是對多障礙物避障的避障結(jié)果。經(jīng)過可行性分析實(shí)驗(yàn)，各個模塊的精度均適合邊緣檢測與對抗，實(shí)用性很強(qiáng)，51單片機(jī)或 Arduino足以控制這些模塊，再加上靈活的編程控制，易于實(shí)現(xiàn)。

下一步研究重點(diǎn)是擂臺機(jī)器人將設(shè)計(jì)成車型機(jī)器人，這樣使得機(jī)器人的重心變低，在對抗中更加具有優(yōu)勢，更能有效的達(dá)到目的。機(jī)器人的外觀將 會擴(kuò)展，將會使用具有一定坡度的堅(jiān)硬材料使機(jī)器人具有更強(qiáng)的攻擊性，美與力量共存。采用Arduino 單片機(jī)，處理速度更快，使機(jī)器人攻防兼?zhèn)?；機(jī)器人攻擊策略智能模塊化。

［1］陳海，胡建旺，祝愛民.基于紅外的數(shù)據(jù)通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［A］.微計(jì)算機(jī)信息，2008， 24（6-2），288—312.

［2］王劍，許曉飛.仿生機(jī)器蛇的設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù) 2014（6）：64-67.

［3］王會清，韓艷玲.基于多傳感器與數(shù)據(jù)融合技術(shù)的研究［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2009，9：64-67.

［4］周立功等.單片機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［5］華鑫鵬，張輝宜，張嵐.多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)及其研究進(jìn)展［J］.中國儀器儀表，2008，5；40-43.

［6］李鄧化，許曉飛.智能檢測技術(shù)及儀表（第二版）.北京：科學(xué)出版社，2012.

［7］郭天祥. 51單片機(jī)C語言教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［8］ 謝維成，楊加國.單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.