一種自主登臺(tái)對抗機(jī)器人研究

王學(xué)雷，黃 杰，呂世霞，時(shí) 光，韓健睿

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176；2.北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100070；3.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)、娛樂業(yè)、特種作業(yè)等領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用。近年來，學(xué)者們對不同形式的對抗機(jī)器人進(jìn)行了深入研究[1-6]，并取得一定成果。本文對一種自主登臺(tái)對抗機(jī)器人進(jìn)行了分析研究，該機(jī)器人攜帶多種傳感器，可實(shí)現(xiàn)自主登臺(tái)、自主尋找攻擊目標(biāo)，并對攻擊目標(biāo)進(jìn)行攻擊。

1 自主登臺(tái)對抗機(jī)器人結(jié)構(gòu)

自主登臺(tái)對抗機(jī)器人主要由機(jī)械鏟、底盤、邊緣檢測紅外光電傳感器、尋人紅外光電傳感器、登臺(tái)條件傳感器與傾角傳感器等構(gòu)成。

其中，機(jī)械鏟（圖1）用來對抗和攻擊其他機(jī)器人。底盤（圖2）布置有電機(jī)、車輪、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、登臺(tái)條件傳感器等，登臺(tái)條件傳感器用來檢測前方是否有擂臺(tái)，當(dāng)機(jī)器人檢測到前方的對抗擂臺(tái)時(shí)，機(jī)器人將會(huì)自主登上對抗擂臺(tái)。車身（圖3）布置尋人紅外光電傳感器和控制器、電源，尋人紅外光電傳感器用來檢測對抗擂臺(tái)上是否有攻擊目標(biāo)。當(dāng)檢測到擂臺(tái)上有攻擊目標(biāo)時(shí)，機(jī)器人將會(huì)對其進(jìn)行攻擊和對抗。傾角傳感器（圖4）用來檢測機(jī)器人在登上對抗擂臺(tái)時(shí)的角度，以及檢測本機(jī)器人是否被其他機(jī)器人攻下擂臺(tái)。

圖1 機(jī)械鏟

圖2 底盤

圖3 車身

圖4 傾角傳感器

2 自主登臺(tái)對抗機(jī)器人工作原理

自主登臺(tái)對抗機(jī)器人通過自身機(jī)械臂相互協(xié)調(diào)可實(shí)現(xiàn)登上擂臺(tái)，之后在場上巡航，尋找對手并實(shí)現(xiàn)沖撞，在撞擊對手的同時(shí)，對擂臺(tái)邊緣進(jìn)行檢測，在保證自我平穩(wěn)運(yùn)行，并在自身安全的情況下對攻擊目標(biāo)進(jìn)行攻擊。該機(jī)器人可通過自身攜帶的傳感器來判斷自身是否已被攻擊到臺(tái)下，當(dāng)判斷到自身被攻擊到臺(tái)下時(shí)，該機(jī)器人會(huì)重新自主尋找擂臺(tái)邊緣，并且再次登上擂臺(tái)，并進(jìn)行巡航，尋找攻擊目標(biāo)及沖撞。

3 自主登臺(tái)對抗機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主登臺(tái)與攻擊等功能，需對其進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。該機(jī)器人的程序包括登臺(tái)程序、邊緣檢測程序、巡航程序、攻擊程序、掉臺(tái)程序及臺(tái)下程序。各程序介紹如下。

3.1 登臺(tái)程序

登臺(tái)程序主要用來控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)登臺(tái)對抗，通過登臺(tái)程序，使機(jī)器人利用其前臂和后臂的相互支撐配合而達(dá)到登上擂臺(tái)的目的。

3.2 邊緣檢測程序

機(jī)器人在運(yùn)行過程中需要時(shí)時(shí)檢測自身是否在擂臺(tái)邊緣，以防自身從擂臺(tái)掉落。邊緣檢測程序利用布置在機(jī)器人上的四個(gè)特定紅外光電傳感器來檢測其是否在擂臺(tái)邊緣。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)擂臺(tái)邊緣時(shí)，機(jī)器人做出相應(yīng)調(diào)整并遠(yuǎn)離擂臺(tái)邊緣。用于邊緣檢測的四個(gè)紅外光電傳感器分別布置在機(jī)器人的左前、右前、左后及右后方，用來檢測對抗擂臺(tái)邊緣，防止機(jī)器人掉落擂臺(tái)。

3.3 巡航程序

機(jī)器人在擂臺(tái)上進(jìn)行對抗時(shí)，需要時(shí)時(shí)巡航自身位置信息，巡航程序利用分布在車身底部四個(gè)角的灰度傳感器來確定其在擂臺(tái)上的位置，并做出巡航動(dòng)作（擂臺(tái)為從中心到邊緣由白色漸變?yōu)楹谏姆叫卫夼_(tái)）。四個(gè)傳感器分別為左前灰度傳感器、右前灰度傳感器、左后灰度傳感器及右后灰度傳感器，用來檢測機(jī)器人在擂臺(tái)上的位置信息。

3.4 攻擊程序

自主登臺(tái)對抗機(jī)器人最主要的功能是實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的攻擊，當(dāng)機(jī)器人邊緣檢測程序未檢測到擂臺(tái)邊緣、巡航程序未達(dá)到灰度極限值（灰度極限值為機(jī)器人在擂臺(tái)上靈活活動(dòng)時(shí)灰度傳感器的最大及最小值）時(shí)進(jìn)入攻擊程序。攻擊程序主要依靠機(jī)器人前側(cè)的兩個(gè)紅外光電傳感器及左右方的兩個(gè)紅外光電傳感器對攻擊目標(biāo)位置進(jìn)行判定，當(dāng)機(jī)器人前端兩個(gè)紅外光電傳感器同時(shí)尋找到攻擊目標(biāo)時(shí)，機(jī)器人對目標(biāo)進(jìn)行全速?zèng)_撞和攻擊；當(dāng)機(jī)器人前端兩個(gè)紅外光電傳感器沒有同時(shí)檢測到攻擊目標(biāo)時(shí)，此時(shí)機(jī)器人利用左側(cè)紅外光電傳感器向右調(diào)整機(jī)器人位置，或利用右側(cè)紅外光電傳感器向左調(diào)整機(jī)器人位置，使機(jī)器人前端兩個(gè)紅外光電傳感器同時(shí)尋找到攻擊目標(biāo)。當(dāng)機(jī)器人找到攻擊目標(biāo)時(shí)，對攻擊目標(biāo)進(jìn)行沖撞和攻擊。

3.5 掉臺(tái)程序

當(dāng)機(jī)器人被其他機(jī)器人攻下擂臺(tái)時(shí)，機(jī)器人傾角傳感器可確定其是否掉臺(tái)，因?yàn)闄C(jī)器人從擂臺(tái)上掉落時(shí)會(huì)有大幅度傾斜，此時(shí)傾角傳感器數(shù)值會(huì)達(dá)到較大值，機(jī)器人通過此判定確認(rèn)自身已從擂臺(tái)掉落，并自動(dòng)進(jìn)入臺(tái)下程序。

3.6 臺(tái)下程序

當(dāng)?shù)襞_(tái)程序判定機(jī)器人已在臺(tái)下時(shí)，臺(tái)下程序開始運(yùn)行。因紅外光電無法檢測到黑色，而可檢測到白色，因此設(shè)置擂臺(tái)側(cè)面顏色為白色。當(dāng)機(jī)器人在臺(tái)下的時(shí)候，臺(tái)下程序啟動(dòng)。若機(jī)器人紅外光電傳感器檢測到白色擂臺(tái)側(cè)面，則進(jìn)入上臺(tái)程序；若機(jī)器人紅外光電傳感器未檢測到擂臺(tái)側(cè)邊，則機(jī)器人自身進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)，然后再次對擂臺(tái)側(cè)面進(jìn)行檢測，直到紅外光電傳感器檢測到擂臺(tái)側(cè)邊時(shí)，機(jī)器人重新進(jìn)入上臺(tái)程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的登臺(tái)對抗。

自主登臺(tái)對抗機(jī)器人程序流程如圖5所示。

圖5 自主登臺(tái)對抗機(jī)器人程序流程圖

4 自主登臺(tái)對抗機(jī)器人變量設(shè)置

自主登臺(tái)對抗機(jī)器人攜帶有多種不同功能的傳感器，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，需對傳感器變量名和控制端口進(jìn)行設(shè)置，該機(jī)器人各傳感器變量名稱和控制器端口配置如表1所示。

表1 變量名稱和控制器端口

接通電源后，機(jī)器人進(jìn)入程序，完成登臺(tái)動(dòng)作、巡航動(dòng)作、尋找攻擊目標(biāo)動(dòng)作、攻擊動(dòng)作及尋臺(tái)動(dòng)作，在擂臺(tái)上放置攻擊目標(biāo)后可將攻擊目標(biāo)推至臺(tái)下，該機(jī)器人試驗(yàn)成功。經(jīng)過試驗(yàn)，該機(jī)器人可完成預(yù)期目標(biāo)，具有結(jié)構(gòu)合理，程序穩(wěn)定，可執(zhí)行性強(qiáng)等特點(diǎn)。

5 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。本文對一種自主登臺(tái)對抗機(jī)器人進(jìn)行了研究，該機(jī)器人由機(jī)械鏟、底盤、邊緣檢測紅外光電傳感器、尋人紅外光電傳感器、登臺(tái)條件傳感器、傾角傳感器等構(gòu)成。通過對機(jī)器人控制程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的自主登臺(tái)、邊緣檢測、自主攻擊等功能。該機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)合理，程序穩(wěn)定，可執(zhí)行性強(qiáng)等特點(diǎn)。