基于Arduino的遙控格斗機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭楷文，李慶超

(1. 南京師范大學(xué)附屬中學(xué)，江蘇 南京 210003； 2. 南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

機(jī)器人技術(shù)融合了智能控制、電子設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的技術(shù)[1]。機(jī)器人賽事是青少年創(chuàng)新教育的重要手段， 我國(guó)近年來(lái)也開(kāi)始出現(xiàn)了各種機(jī)器人的比賽，尤其格斗機(jī)器人比賽具有很高的觀賞性，也能提高學(xué)生的動(dòng)手和創(chuàng)新能力，為我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)了青少年人才[2]。本文所設(shè)計(jì)的格斗機(jī)器人針對(duì)的比賽規(guī)則是在比賽規(guī)定場(chǎng)地內(nèi)，與對(duì)手機(jī)器人進(jìn)行“暴力”對(duì)抗，在比賽時(shí)間內(nèi)攻擊對(duì)手，使對(duì)手不能自由移動(dòng)或?qū)?duì)手推下比賽場(chǎng)地為勝。本設(shè)計(jì)采用了一款基于Arduino的遙控格斗機(jī)器人，通過(guò)對(duì)于軟硬件和機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了較好的控制和攻擊效果，遙控格斗機(jī)器人的實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 遙控格斗機(jī)器人的實(shí)物圖

1 機(jī)器人的系統(tǒng)框架

機(jī)器人的系統(tǒng)框架如圖2所示，格斗機(jī)器人主要有電源模塊、主控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、直流減速電機(jī)、格斗武器、遙控手柄等模塊組成。電源模塊采用12 V、2 200 mAh的鋰離子電池，為整個(gè)格斗機(jī)器人系統(tǒng)供電；主控制器模塊采用Arduino MegaPi控制板，為整個(gè)系統(tǒng)提供決策信息；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N模塊，用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和風(fēng)扇武器；電機(jī)用的是12 V、200 r/min的直流減速電機(jī)，采用四驅(qū)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，利用差速進(jìn)行方向的控制；格斗武器主要是放置于機(jī)器人上方的風(fēng)扇武器，依靠電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)武器從而產(chǎn)生慣性力量來(lái)攻擊敵方；遙控手柄利用2.4 GHz頻段的ZigBee無(wú)線通信來(lái)遙控小車(chē)運(yùn)行與進(jìn)行攻擊，采用nRF24LE1作為處理主芯片進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，通信波特率設(shè)置為115 200 bps[3]。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用12 V的直流電源進(jìn)行供電，主控制板采用Arduino Megapi控制板，它具有54路數(shù)字輸入/輸出端口，其中有16路可作為PWM輸出，滿足設(shè)計(jì)的需要，將主控板的PWM輸出引腳與驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行電氣連接[4]。在各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中，L298N模塊有2個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，具有過(guò)電流保護(hù)的功能，同時(shí)可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)，因此本設(shè)計(jì)選用L298N驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。因?yàn)槲淦鞯馁|(zhì)量約2 kg，普通的直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)矩小，無(wú)法帶動(dòng)，因此選擇了汽車(chē)用的水箱冷氣風(fēng)扇電機(jī)，轉(zhuǎn)速可達(dá)1 000 r/min，對(duì)敵方有很強(qiáng)的進(jìn)攻性。本設(shè)計(jì)將Arduino控制板的控制引腳連接至L298N驅(qū)動(dòng)板的信號(hào)端，驅(qū)動(dòng)板的輸出端與直流電機(jī)連接，用于控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，其輸入輸出邏輯關(guān)系如表1 所示，使能ENA后，通過(guò)設(shè)置IN1、IN2端口即可控制直流電機(jī)的運(yùn)行。若要對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速，需設(shè)置IN1端口和IN2端口，確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，然后對(duì)IN1端口和IN2端口輸出PWM脈沖，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速[5]?？刂品绞郊爸绷麟姍C(jī)狀態(tài)如表1所示。

圖2 機(jī)器人的系統(tǒng)框架圖

表1 L298N輸入輸出邏輯關(guān)系表

3 軟件設(shè)計(jì)

主控制板采用的是Arduino MegaPi控制板，MegaPi是一款基于 ATmega2560 芯片的主控板，采用的是 Arduino IDE編程，編程語(yǔ)言是C語(yǔ)言。軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

控制的主程序首先初始化2.4 GHz頻段的ZigBee無(wú)線通信程序setup()，通信波特率設(shè)置為115 200 bps。隨后進(jìn)入循環(huán)控制程序loop()，根據(jù)操作者的手柄遙控操作，控制機(jī)器人小車(chē)的行駛，接近敵方準(zhǔn)備進(jìn)攻。當(dāng)操作者判斷機(jī)器人小車(chē)將要接近敵方時(shí)，遙控啟動(dòng)風(fēng)扇武器，當(dāng)接近敵方時(shí)，利用風(fēng)扇武器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力擊打破壞敵方，使得敵方無(wú)法自由移動(dòng)或者被擊打出場(chǎng)地，即可贏得比賽的勝利。

4 格斗武器

格斗機(jī)器人最重要的是進(jìn)攻武器，現(xiàn)在主流的輕量級(jí)的格斗機(jī)器人進(jìn)攻方式包括鏟翻敵方、錘擊敵方等，本設(shè)計(jì)選擇的是依靠電機(jī)帶動(dòng)武器的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生慣性力量來(lái)攻擊對(duì)方，同時(shí)武器在旋轉(zhuǎn)中也可以抵御敵方的進(jìn)攻來(lái)進(jìn)行防守。由于一般格斗機(jī)器人都有質(zhì)量和長(zhǎng)度的限制，筆者所參與的比賽是要求機(jī)器人的所有部件的垂直投影都必須在直徑為350 mm的圓內(nèi)，機(jī)器人的質(zhì)量不得超過(guò)5 kg(含電源)，因此設(shè)計(jì)的風(fēng)扇武器的長(zhǎng)度為342 mm，由于所用材料為不銹鋼體，因此參照遙控格斗機(jī)器人的實(shí)物圖1，將武器部分切割鏤空以減少質(zhì)量滿足比賽的設(shè)計(jì)要求。風(fēng)扇負(fù)載的武器機(jī)械部分設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 風(fēng)扇武器機(jī)械設(shè)計(jì)圖

由于武器旋轉(zhuǎn)所需要的電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率較大，其轉(zhuǎn)速可達(dá)1 000 r/min，經(jīng)實(shí)驗(yàn)在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下負(fù)載武器產(chǎn)生的慣性力具有很強(qiáng)的進(jìn)攻性。由于它是1種單向異步電機(jī)，單相電機(jī)流過(guò)的單相電流不能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，需要串聯(lián)1個(gè)啟動(dòng)電容來(lái)分相，目的是使2個(gè)繞組中的電流產(chǎn)生近于90°的相位差，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)[6]。

5 武器堵轉(zhuǎn)與攻防應(yīng)對(duì)策略

由于設(shè)計(jì)所采用的攻擊方式是依靠風(fēng)扇武器的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的慣性力，所以當(dāng)風(fēng)扇電機(jī)擊打到敵方時(shí)，很有可能會(huì)遇到無(wú)法一次擊壞對(duì)方并且電機(jī)堵轉(zhuǎn)的情況，這樣容易造成電機(jī)瞬時(shí)電流增大，容易燒毀電機(jī)[7]。為此，可以先后退避讓對(duì)方，同時(shí)武器采取反轉(zhuǎn)一次擊打，正轉(zhuǎn)一次擊打的策略來(lái)進(jìn)攻敵方機(jī)器人，經(jīng)實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)可以有效避免堵轉(zhuǎn)損壞武器電機(jī)，同時(shí)取得擊打敵方的效果。為此，當(dāng)遇到這種情況時(shí)特意設(shè)置手柄MODE按鍵程序如下：

if (MePS2.ButtonPressed(MeJOYSTICK_MODE)) {

Stop_left(); //差速回退躲避

MoveBackward_right(Speed5);

TurnBackward(Speed5); //風(fēng)扇武器反轉(zhuǎn)一次

Delay(5);

TurnForward (Speed5); //風(fēng)扇武器正轉(zhuǎn)一次

Delay(5);

}

根據(jù)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了攻防策略如表2所示。

表2 攻防策略表

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)遙控格斗機(jī)器人，介紹了格斗機(jī)器人的系統(tǒng)框架、軟硬件設(shè)計(jì)和格斗武器的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)機(jī)器人格斗比賽的檢驗(yàn)，展現(xiàn)了較強(qiáng)的攻擊和防守能力。在這個(gè)機(jī)器的時(shí)代，相信在未來(lái)，機(jī)器人會(huì)使我們的生活更加智慧，給我們的生活帶來(lái)更多的樂(lè)趣，給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)更大的便利和新的科技革命。