RM哨兵自動(dòng)巡航與反擊控制系統(tǒng)的研究

郭育暢 徐洪博 姜麗

摘要：隨著Robomaster比賽重視度的逐漸升高，各路參賽隊(duì)伍都在積極研發(fā)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)的各種功能，其中對(duì)于RM哨兵系統(tǒng)的研發(fā)廣受各路參賽隊(duì)伍的關(guān)注。為了解決哨兵的自動(dòng)巡航和反擊問題，本文提出了基于mini pc和inter REALSENSE D435i的反擊和自動(dòng)躲避巡線技術(shù)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)處于高速閃避同時(shí)可以進(jìn)行反擊的性能需求，大大增強(qiáng)了哨兵的存活能力，并且提高了哨兵的戰(zhàn)斗能力。

關(guān)鍵詞：Robomaster;哨兵機(jī)器人;自動(dòng)巡航

0 引言

近年來，伴隨著Robomaster比賽規(guī)模的日益壯大，關(guān)于升級(jí)機(jī)器人比賽強(qiáng)度的技術(shù)越來越受到各路參賽隊(duì)伍的重視，其中Robomaster哨兵機(jī)器人的自動(dòng)巡航和反擊技術(shù)一直是哨兵機(jī)器人研究的熱點(diǎn)。對(duì)自動(dòng)巡航與反擊系統(tǒng)的研究，其目的在于使哨兵機(jī)器人在無人干預(yù)的條件下自動(dòng)躲避敵方單位的攻擊并且攻擊敵方單位的裝甲板以用來削減敵方單位。

現(xiàn)有的哨兵機(jī)器人常用的自動(dòng)巡航系統(tǒng)有變速巡航、變加速度巡航和無序巡航三種模式，但均存在一定的缺點(diǎn)。

（1）無法進(jìn)行有計(jì)劃性的躲避，只能被動(dòng)的通過移動(dòng)來進(jìn)行躲避敵方的子彈。

（2）只能適用于一些沒有強(qiáng)大輔瞄的隊(duì)伍進(jìn)行戰(zhàn)斗，一旦敵方輔瞄解算到巡航的軌跡，那么此時(shí)的哨兵就如同靶子一般。

（3）哨兵的自動(dòng)巡航會(huì)直接影響哨兵的自動(dòng)打擊。

本文描述的哨兵機(jī)器人采用inter REALSENSE D435i來對(duì)敵方單位進(jìn)行3D建模同時(shí)使用mini pc來處理3D建模的數(shù)據(jù)，再將處理完的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)回主控板以用來控制電機(jī)。此項(xiàng)巡航技術(shù)可進(jìn)行有機(jī)會(huì)的規(guī)避，不再是以被動(dòng)方式進(jìn)行移動(dòng)，并且可以克制大多數(shù)輔助瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。系統(tǒng)具備巡航算法復(fù)雜、移動(dòng)目的精準(zhǔn)、容錯(cuò)率高的優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于robotmaster比賽中。

1功能需求

哨兵機(jī)器人負(fù)責(zé)基地的防守，對(duì)來犯敵方機(jī)器實(shí)施自動(dòng)反擊。兵種優(yōu)先級(jí)為Ⅲ。作為負(fù)責(zé)基地的防守守衛(wèi)，對(duì)來犯敵方機(jī)器實(shí)施自動(dòng)反擊及前哨站的存在對(duì)基地的安全有直接關(guān)系。其關(guān)鍵技術(shù)有如下幾個(gè)方面：

（1）速度。運(yùn)動(dòng)速度對(duì)直線軌道尤為重要，需要在不超功率的情況下使其達(dá)到最大速度。

（2）體型。在具備所有基本功能的情況下其體型應(yīng)做到盡可能小。采用單雙軸云臺(tái)設(shè)計(jì)，來減小其目標(biāo)體型。

（3）自動(dòng)識(shí)別及射擊。采用NUC妙算視覺處理。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

哨兵機(jī)器人其yaw軸能達(dá)到360°的覆蓋范圍，pitch軸最大可以達(dá)到60°的覆蓋范圍。哨兵的攻擊速度在符合槍口熱量要求的情況下，進(jìn)行了50發(fā)彈丸3米連發(fā)測(cè)試。通過目前測(cè)試情況來看，雖然測(cè)試命中率較高，但是其彈道相對(duì)發(fā)散。

哨兵的主要攻擊需要依靠云臺(tái)來進(jìn)行，所以在云臺(tái)設(shè)計(jì)中運(yùn)用了榫卯結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通過螺絲連接的穩(wěn)定性，并且該結(jié)構(gòu)在質(zhì)量方面也成功的給哨兵減重，并在成本方面也做到了降低。同時(shí)，通過深度攝像頭來進(jìn)行自瞄，做到打擊精準(zhǔn)化，能夠完成更高效的打擊和防守，使其在攻擊范圍內(nèi)的命中率提高。

上拉承重板是將哨兵總體與軌道掛起起來的機(jī)械元件，承受著整車的重量，需要對(duì)其進(jìn)行有限元分析來確保強(qiáng)度和剛度。通過 Solidworks的Simulation模塊，對(duì)底盤關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，得到靜應(yīng)力狀態(tài)下關(guān)鍵零部件的應(yīng)力云圖、位移云圖，根據(jù)變形情況確定零件強(qiáng)度剛度是否符合要求[1]。

3 視覺識(shí)別

自動(dòng)巡線和反擊的基礎(chǔ)在于對(duì)視覺信息的處理，所以視覺信息的處理是研究哨兵自動(dòng)巡航的關(guān)鍵。本方案選用inter REALSENSE D435i深度相機(jī)。此相機(jī)基于雙目立體視覺的深度相機(jī)，類似人類的雙眼。它與基于TOF、結(jié)構(gòu)光原理的深度相機(jī)不同，它不對(duì)外主動(dòng)投射光源，完全依靠拍攝的兩張圖片（彩色RGB或者灰度圖）來計(jì)算深度，因此有時(shí)候也被稱為被動(dòng)雙目深度相機(jī)[2]。

在理想狀態(tài)下，相機(jī)內(nèi)參完全相同的左、右2個(gè)攝像頭都可以滿足立體成像，并且兩攝像頭在世界坐標(biāo)中z軸數(shù)值相等。左攝像頭的坐標(biāo)為，其對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)為，其中、分別與左攝像頭形成影像的平面的豎直、水平方向垂直，為光軸與左攝像頭形成影像的平面的交點(diǎn);右攝像頭的坐標(biāo)系為，其對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)系為，其中、分別與左攝像頭形成影像的平面的豎直、水平方向垂直，為光軸與右攝像機(jī)成像平面的交點(diǎn)。在空間中任取一點(diǎn)P（X，Y，Z），點(diǎn)P在左右攝像機(jī)上的成像點(diǎn)分別以Pl（），Pr（）表示，f代表焦距，B為左右攝像頭光心、之間的距離，也叫做基線距離[3]。如圖1所示。

最后將3d建模的值返回給mini pc來進(jìn)行Elas算法進(jìn)行立體匹配，匹配到敵方槍管后進(jìn)行角度解算和角度分析，見式1-1和圖2。將敵方的槍口角度解算后將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)回給主控板，再由主控板通過CAN線控制電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡航功能[3]。

4實(shí)施方案

首先設(shè)計(jì)機(jī)械圖紙，設(shè)計(jì)出合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，然后對(duì)原材料的選擇，根據(jù)材料的不同采取不同的加工方式，對(duì)哨兵進(jìn)行制作，并做出哨兵機(jī)器人的運(yùn)行軌道。最后對(duì)整車進(jìn)行測(cè)試，通過人工控制規(guī)劃好其運(yùn)行軌跡以及攻擊目標(biāo)，編程控制使其可以自動(dòng)達(dá)成預(yù)先規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)優(yōu)化。

5 結(jié)論

通過調(diào)試以及實(shí)際成果的展現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的哨兵的自動(dòng)巡航以及反擊系統(tǒng)取得了很大的進(jìn)展，主要解決了以下問題，有望在比賽中發(fā)揮作用。

（1）哨兵軌道不光滑問題。為了使機(jī)器人順利移動(dòng)，改進(jìn)了硬件結(jié)構(gòu)，使用軸承或者輪子來減小摩擦力，同時(shí)合理安裝限位裝置（Caging Device）。

（2）運(yùn)行速度和范圍問題。通過改進(jìn)發(fā)射結(jié)構(gòu)提高射程以及在軌道運(yùn)行的速度和范圍，實(shí)現(xiàn)哨兵可以在靜止或者在軌道上全自動(dòng)運(yùn)行，并提高哨兵的射程范圍達(dá)到8-10m。軟件設(shè)計(jì)中考慮重力的下落，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的彈道補(bǔ)償。

（3）瞄準(zhǔn)定位問題。明確雙目相機(jī)的安裝位置，解決哨兵的視覺死角，利用哨兵自身位置和相機(jī)角度確定瞄準(zhǔn)的位置，通過擬定特殊區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)不同高度設(shè)置相應(yīng)的歸零點(diǎn)的實(shí)際調(diào)零。

參考文獻(xiàn)

[1]方青松，朱國魂，歐勇盛.基于光斑室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的定位導(dǎo)航技術(shù)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31（24）：51-53+57.

[2]宋楚軒.室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的定位導(dǎo)航技術(shù)[J].中國新通信，2018，20（02）：73.

[3]易文泉，趙超俊，劉瑩.移動(dòng)機(jī)器人自主定位與導(dǎo)航技術(shù)研究[J].中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2020，18（05）：400-405.

作者簡(jiǎn)介：郭育暢，（2000—），大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于遼寧石油化工大學(xué)。

基金資助：遼寧省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)2020101480075