李志凌，周 燦，董國剛，郭新亮，鄧本再

(長沙理工大學(xué)，長沙410076)

1 引言

以中國機(jī)器人大賽武術(shù)擂臺賽為背景設(shè)計(jì)，著重介紹無差別組武術(shù)擂臺賽機(jī)器人運(yùn)動路徑控制策略設(shè)計(jì)。

2 機(jī)器人概況

武術(shù)擂臺賽機(jī)器人采用四輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)，金字塔外形結(jié)構(gòu)，機(jī)器人裝有10個紅外傳感器和4個灰度傳感器。

機(jī)器人紅外傳感器分為兩組，每組5個，分別橫向一列裝在機(jī)器人前方和后方用于前后向測距。4個灰度傳感器分別裝于機(jī)器人四周底部，用于判斷機(jī)器人自身位置及擂臺邊緣。傳感器分布圖如圖1所示，帶陰影的方塊為紅外傳感器，黑色方塊為灰度傳感器。

圖1 傳感器分布圖

3 搜尋路徑控制策略分析

控制策略是機(jī)器人進(jìn)行比賽的靈魂，在攻防外形合理的情況下，運(yùn)用恰當(dāng)?shù)目刂撇呗裕兄跈C(jī)器人贏得比賽勝利。在比賽過程中，機(jī)器人要時刻判斷自身在搏擊過程中所處境遇的優(yōu)劣，及時做出調(diào)整，通過進(jìn)攻、防守策略的選擇來鞏固優(yōu)勢或扭轉(zhuǎn)劣勢。由于比賽時間有限，可能出現(xiàn)雙方機(jī)器人僵持的局面，此時要以推下棋子的數(shù)量來判定比賽勝負(fù)。因此，機(jī)器人并不能僅僅停留在場地中心位置消極防守，要在搏擊過程中設(shè)法推下盡可能多的棋子。

因此，機(jī)器人的目標(biāo)搜尋控制軟件設(shè)計(jì)必然包含以下功能:

(1)能實(shí)時偵測自己和敵方在場地上的位置;

(2)可以分辨敵方機(jī)器人和障礙棋子;

(3)未偵測到對象時的情況處理。

臨床上，魚腥草常被用于治療豬、馬、牛等動物的急性胃腸炎、闌尾炎、胃炎等消化系統(tǒng)類的疾病。當(dāng)天氣變化多端、氣候環(huán)境比較惡劣的情況下，動物患大腸桿菌引起的痢疾病較為常見，雖然該病造成動物死亡的幾率不高，但是會對動物的生長起到抑制的作用，同時長期不治愈還會誘發(fā)動物患有其他的疾病，而在臨床上使用魚腥草喂食動物當(dāng)天會看到顯著的效果，通常3 d能治愈[4]。

3.1 環(huán)境判斷

武術(shù)擂臺賽的賽臺如圖2所示，臺上表面即為擂臺場地。底色從外側(cè)四角到中心分別為純黑到純白漸變的灰度。機(jī)器人可以通過裝在底部的灰度傳感器來檢測賽臺上的灰度值從而確定自己在擂臺上的位置。

根據(jù)擂臺特征將其分為幾個區(qū)域:區(qū)域1為安全區(qū)，機(jī)器人可以在安全區(qū)域內(nèi)全速運(yùn)行;區(qū)域2為警戒區(qū)，由于靠近賽臺邊緣，在這一區(qū)域內(nèi)機(jī)器人要采取一定的措施防止掉下擂臺;區(qū)域3為危險(xiǎn)區(qū)，在賽臺四個角上的區(qū)域，灰度沒有太大差別，機(jī)器人很難識別，因此最好不要進(jìn)入這一區(qū)域。

圖2 擂臺區(qū)域圖

3.2 目標(biāo)判斷

在擂臺上，目標(biāo)只有兩種可能，不是棋子就是對方的機(jī)器人。有兩種方法可以用來判斷對象，一種是利用寬度判斷對象，根據(jù)機(jī)器人調(diào)整方向后，檢測到目標(biāo)的紅外傳感器數(shù)量可以區(qū)別出對方機(jī)器人或棋子。若檢測到目標(biāo)的傳感器數(shù)量低于3個，則為棋子;若大于等于3個，則為對方機(jī)器人，如圖3所示。

另外一個方法就是利用目標(biāo)高度進(jìn)行判斷，由于棋子和對方機(jī)器人的高度是有差別的，可以通過調(diào)整相應(yīng)紅外傳感器的高度，利用高度不同的傳感器檢測對象，從而達(dá)到判斷目標(biāo)的目的。若只有低處的傳感器檢測到對象，則為棋子，若高低傳感器都檢測到對象，則為對方機(jī)器人，如圖4所示。

圖3 用寬度檢測對象示意圖

圖4 用高度檢測對象示意圖

3.3 運(yùn)動路徑選擇

競賽中如何以最快速度且在最大保證自身安全前提下，搜尋到對方機(jī)器人，從而有效調(diào)整攻擊策略將對方打下擂臺，是獲取比賽勝利至關(guān)重要的一環(huán)。針對武術(shù)擂臺比賽場地和規(guī)則特點(diǎn)，對機(jī)器人的目標(biāo)搜尋運(yùn)動路徑分析如下:

(1)按照圖5(a)所示路徑，機(jī)器人每次前進(jìn)運(yùn)動到達(dá)危險(xiǎn)區(qū)域時就旋轉(zhuǎn)一個角度，然后繼續(xù)前進(jìn)，這樣的運(yùn)動路徑不穩(wěn)定，隨機(jī)性太強(qiáng)，具有很大的盲目性。

(2)若以圖5(b)的圓圈形作為搜尋路徑，這種路徑是最簡單的，除了中心目標(biāo)可能被忽視之外，是尋找目標(biāo)最快的一種方式。但是這種路徑始終都是保持著側(cè)面面向場地中心，容易被對方進(jìn)行側(cè)面攻擊，而機(jī)器人的側(cè)面往往是防御最弱的地方，所以這種方案不可取。

(3)圖5(c)中的米字型搜尋路徑，因?yàn)闄C(jī)器人正背兩面都裝有紅外線傳感器，所以在走“米”字時均能對行進(jìn)方向和反向進(jìn)行檢測，而且始終都是正面或者背面面對擂臺中心，相對來說安全性是最高的。

4 實(shí)驗(yàn)與調(diào)試

根據(jù)前面的思路，設(shè)計(jì)的程序流程圖如圖6所示。

給出的參考程序如下:

}//每次前方灰度傳感器到達(dá)中心區(qū)域旋轉(zhuǎn)0.1S(S旋轉(zhuǎn)一個角度設(shè)定值)，然后倒退出中心區(qū)域，直到前方灰度大于145，同時執(zhí)行前方進(jìn)攻和后方進(jìn)攻。

}//每次后方灰度傳感器到達(dá)中心區(qū)域旋轉(zhuǎn)0.1S(旋轉(zhuǎn)一個角度)，然后倒退出中心區(qū)域，直到前方灰度大于145，同時執(zhí)行前方進(jìn)攻和后方進(jìn)攻。

圖5 不同搜尋路徑示意圖

圖6 程序流程圖

分別用“米”字型路徑和無規(guī)律路徑進(jìn)行推棋測試，記錄兩種不同路徑下推完棋子所用時間，如表1所示。

表1 “米”字型路徑和無規(guī)律型路徑推完棋子所用的時間

5 結(jié)束語

無規(guī)律型路徑不定因素太大，失控性高，推棋所需時間波動太大，側(cè)面面對擂臺中心的情況較多，危險(xiǎn)性高?！懊住弊中吐窂较鄬碚f穩(wěn)定性更高，推棋所需時間波動小，且時刻保持前向或者后向面對擂臺中心，安全性很高。所以相對隨機(jī)路徑來說，“米”字搜尋路徑運(yùn)動控制策略效率更高，安全性更好。

文中對無差別組機(jī)器人比賽中機(jī)器人的搜尋路徑控制策略作了詳細(xì)介紹，著重提出了在無攻擊對象時機(jī)器人執(zhí)行的走“米”字型策略，提高了機(jī)器人推棋子的效率和行進(jìn)過程中的安全性，具有一定的參考價(jià)值。

［1］ 楊學(xué)軍，丁蓋蓋.防守型武術(shù)擂臺機(jī)器人的研究與實(shí)踐［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2009(4):44-46.

［2］ 李衛(wèi)國，王志剛.攻擊型武術(shù)擂臺機(jī)器人的研究與實(shí)踐［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2009(4):41-43.

［3］ 孫旭日，周桔蓉.武術(shù)擂臺機(jī)器人的研究與實(shí)踐［J］.中國水運(yùn)，2012，12(10):89-90.

［4］ 郝俊青.武術(shù)擂臺賽機(jī)器人的設(shè)計(jì)策略［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009，19(9):124-126.