基于STEAM的機(jī)器人競技平臺研發(fā) *

李 巍，徐海峰，付韻豪，王永立，李 兵

(1.湖州新起橙教育科技有限公司，浙江 湖州 313000； 2.湖州師范學(xué)院 工學(xué)院，浙江 湖州 313000)

0 引 言

目前，機(jī)器人競賽已成為機(jī)器人技術(shù)交流的重要途經(jīng)。國外在機(jī)器人協(xié)作技術(shù)方面的研究起步較早，如美國學(xué)者基于行為研究分析和機(jī)器人群體行為設(shè)計(jì)建立 Socially Mobile和The Nerd Herd系統(tǒng)[1]。國內(nèi)近年來在機(jī)器人協(xié)作技術(shù)上也取得了一定的成果[2]。與此同時(shí)，STEAM教育和創(chuàng)客理念在教育界得到了關(guān)注和迅速發(fā)展。在此背景下，筆者研制了一種機(jī)器人競技平臺，融合STEAM教育和創(chuàng)客理念，通過編程來培養(yǎng)中小學(xué)生的邏輯思維能力，同時(shí)提供機(jī)器人協(xié)作技術(shù)交流平臺。

筆者設(shè)計(jì)的機(jī)器人競技平臺分為競技場地和機(jī)器人本體兩部分。競技平臺安裝傳感器、Lora模塊、顯示屏等；機(jī)器人安裝超聲波、紅外線、攝像頭、無線遙控、藍(lán)牙等裝置，連接在Arduino開發(fā)板上。競技平臺能夠?qū)崿F(xiàn)多機(jī)器人的競技賽和對抗賽，其中包括繞障礙行走競賽、射擊比賽、舞蹈競賽以及3V3、5V5的團(tuán)隊(duì)協(xié)作比賽等。平臺可針對機(jī)器人本體提供遙控或自動(dòng)控制模式，在比賽過程中實(shí)時(shí)計(jì)分，并自動(dòng)判斷比賽勝負(fù)。

1 競技平臺方案設(shè)計(jì)與場地設(shè)計(jì)

機(jī)器人本體構(gòu)建需要先建立原始三維模型，根據(jù)比賽要求添加驅(qū)動(dòng)電機(jī)和其他功能模塊，確定機(jī)器人的控制方式?？刂破髋c傳感器設(shè)計(jì)需根據(jù)比賽類型確定傳感器類別，并利用傳感器對系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境情況進(jìn)行監(jiān)測，控制方案可根據(jù)比賽要求選擇遙控或自主編程控制。計(jì)分與檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)需確定計(jì)分系統(tǒng)的信號傳輸模式，設(shè)計(jì)場地中的計(jì)分感應(yīng)裝置，完成與主機(jī)的通訊，實(shí)時(shí)的完成比賽計(jì)分與檢測計(jì)時(shí)。圖像識別與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)需完成攝像模塊選型設(shè)計(jì)，攝像模塊需要對圖像進(jìn)行預(yù)處理，分析取樣圖片的物理特征，把結(jié)果反饋給控制器，做出相應(yīng)的控制。由于本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人競賽平臺目標(biāo)受眾群體是中小學(xué)生，因此選擇可視化編程軟件scratch。機(jī)器人競技平臺方案設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 機(jī)器人競技平臺方案設(shè)計(jì)流程圖

競技場地設(shè)計(jì)為兩個(gè)基地，呈對角線排列。為提高比賽趣味性，在場地設(shè)計(jì)中添加豐富的地形，如橋梁、地下通道、高地、丘陵等，同時(shí)劃分多種不同功能的區(qū)域來滿足不同類型的競技比賽要求。例如多機(jī)器人對抗賽中，雙方互相選定自己的基地區(qū)域、補(bǔ)給區(qū)域、戰(zhàn)斗區(qū)域等。場地中鋪設(shè)黑色循跡線，機(jī)器人通過紅外傳感裝置感應(yīng)，來完成循跡行駛。Lora檢測模塊放置在每個(gè)陡坡上，用來實(shí)時(shí)傳輸比賽數(shù)據(jù)。利用音響、大屏幕和標(biāo)語打造沉浸式競賽體驗(yàn)，已搭建的競技場地如圖2所示。

圖2 競技場地

2 競技機(jī)器人模塊設(shè)計(jì)

競技機(jī)器人本體采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖3所示。輸入部分包括紅外模塊、超聲測距模塊、攝像模塊、無線遙控模塊等。輸出部分包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)、機(jī)械臂、藍(lán)牙模塊等。傳感器將檢測到信號傳輸至控制器中，控制器分析該輸入信號來控制電機(jī)，同時(shí)檢測機(jī)器人運(yùn)行速度和轉(zhuǎn)向角度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)控制。機(jī)器人底座上安裝云臺和舵機(jī)。

圖3 機(jī)器人本體模塊化設(shè)計(jì)示意圖

機(jī)器人的主控單元采用Arduino開發(fā)板。由于本設(shè)計(jì)是面向中小學(xué)生，為了使他們能夠迅速地熟悉和掌握編程方式，選擇可視化編程軟件scratch。

2.1 紅外模塊

機(jī)器人的循跡功能由兩個(gè)紅外傳感器實(shí)現(xiàn)。紅外傳感器主要用于顏色的判斷和檢測。競賽場地中設(shè)置黑色路徑引導(dǎo)線，由于深色物體具有吸熱的能力，當(dāng)產(chǎn)生熱量的紅外線遇到深色物體時(shí)更多是被吸收，即判別所遇到的物體是深色還是淺色。將電壓比較器與左右兩側(cè)的紅外傳感器連接，即可通過電壓比較器的輸出電平判斷機(jī)器人的位置，進(jìn)而做出相應(yīng)的調(diào)整。

2.2 超聲波測距模塊

機(jī)器人除可用遙控方式人工避障外，還可以使用超聲波傳感器編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。本設(shè)計(jì)的超聲測距模塊采用HC-SR04超聲波傳感器。超聲波傳感器向某一方向發(fā)射超聲波，同時(shí)控制電路開啟內(nèi)部定時(shí)器用于記錄超聲波由發(fā)射到接收的時(shí)間，超聲波遇到障礙物后被反射回超聲波接收器，控制電路再根據(jù)相應(yīng)的物理計(jì)算，判斷障礙物的距離來實(shí)現(xiàn)提避障功能[3]。

2.3 攝像模塊

攝像模塊擬采用CCD攝像頭，實(shí)時(shí)拍攝照片并將信號傳遞給控制器，實(shí)現(xiàn)在不同的路況下的自動(dòng)控制。攝像頭、舵機(jī)和WiFi模塊整體安裝在機(jī)器人上方，WiFi模塊將攝像頭的影像傳輸回iPad、手機(jī)、電腦等接收端。操作者手中的遙控手柄除了可以控制機(jī)器人動(dòng)作外，還可控制攝像頭上的舵機(jī)，讓攝像頭轉(zhuǎn)向拍攝。當(dāng)機(jī)器人處于自動(dòng)控制模式下。系統(tǒng)能夠?qū)B續(xù)拍攝到的圖像進(jìn)行取樣，經(jīng)過圖像處理提取形狀、數(shù)字、字母等物體的特征進(jìn)行識別，進(jìn)而控制機(jī)器人的下一步動(dòng)作。

2.4 無線遙控模塊

無線遙控模塊采用2.4 G無線通信技術(shù)。傳輸頻率高達(dá)2.4 GHZ，含有400個(gè)頻點(diǎn)。使用高頻率來作為機(jī)器人遙控信號能夠保證通信的穩(wěn)定性，同時(shí)由于帶寬比較寬，防干擾能力得到進(jìn)一步加強(qiáng)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，因遙控距離不遠(yuǎn)，干擾信號不多，信號的強(qiáng)度能夠得到保障。

2.5 計(jì)分與檢測系統(tǒng)

計(jì)分系統(tǒng)采用的是Lora模塊進(jìn)行廣播式透明的傳輸模式，由一個(gè)Lora接收器和按需求個(gè)數(shù)的Lora發(fā)射器組成。場地中每個(gè)加分位置均放置感應(yīng)裝置，由一個(gè)LoRa模塊，一個(gè)探測器模塊，和一個(gè)Arduino Nano 模塊組成。機(jī)器人完成的任務(wù)不同，所使用到的探測器也不同。在一個(gè)加分過程中，探測器接受到完成任務(wù)發(fā)出的信號以后，將信號傳輸進(jìn)入Arduino Nano板，Nano則通過Lora發(fā)射信號給接收器，此時(shí)接收器再發(fā)出信號給主機(jī)，完成整個(gè)加分記錄的過程。計(jì)分檢測系統(tǒng)可以自動(dòng)實(shí)時(shí)地判定比賽的勝負(fù)，使競賽的操作和規(guī)則更趨于簡單化，減少競賽結(jié)果判斷的人為誤差，提高比賽效率。

3 總 結(jié)

研制的機(jī)器人競技平臺具有功能全面、操作簡單和運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)遙控和編程自動(dòng)控制。機(jī)器人本體采用模塊化設(shè)計(jì)，便于學(xué)生改裝。平臺計(jì)分系統(tǒng)減少了人為判定的誤差，數(shù)據(jù)處理與顯示軟件能夠?qū)崟r(shí)顯示比賽狀況。該平臺為機(jī)器人競技比賽和中小學(xué)生STEAM教育提供了可靠設(shè)備。