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        對抗機器人擂臺定位設計

        2016-09-02 09:37:07趙寶森許曉飛靳宸北京信息科技大學自動化學院
        數碼世界 2016年7期
        關鍵詞:障礙物紅外單片機

        趙寶森 許曉飛 靳宸北京信息科技大學自動化學院

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        對抗機器人擂臺定位設計

        趙寶森許曉飛靳宸
        北京信息科技大學自動化學院

        文章介紹擂臺機器人的基本構成和工作原理,采用8個紅外傳感器檢測模塊檢測對方機器人距離以及擂臺上的位置,在控制器內編寫對抗策略,實現全自主的進行擂臺對抗,具有更強大的攻擊力和防御力和靈活的機動性,這將使得擂臺機器人比賽更加具有可觀性。

        機器人 擂臺對抗 智能

        1 引言

        隨著機器人技術的飛速發(fā)展,機器人競技運動在世界各地蓬勃興起。擂臺對抗機器人是在第三代機器人研發(fā)的背景下發(fā)展出來的。它是用于進行擂 臺對抗而開發(fā)出來的,它給機器人的智能控制提供了一個發(fā)展的平臺。現在的擂臺對抗機器人已經可 以基本實現全自主的進行擂臺對抗。擂臺機器人將具有更加強大的攻擊力和防御力,具有更加靈活的 機動性,這將使得擂臺機器人比賽更加具有可觀性。 本擂臺對抗機器人是基于紅外無線的檢測原理進行設計的,紅外檢測采用點對點的數據傳輸協議,是 目前國際上普遍采用的無線傳輸技術。它采用紅外波段內的近紅外線,波長在0.75um至25um之間,檢測距離一般在0cm至80cm之間,紅外檢測技術提供 了一種低成本、短距離、高速率的檢測方式,基于紅外無線檢測技術的擂臺對抗機器人具有快速、可靠、抗干擾性強的特性。

        2 系統簡介

        擂臺機器人以控制器為核心;用紅外傳感器檢 測擂臺機器人距離擂臺邊緣的位置,以便及時擂臺 機器人的位置,以防止擂臺機器人沖出擂臺;用紅 外傳感器檢測對方的擂臺機器人的位置,以便擂臺 機器人尋找對方的擂臺機器人的位置并攻擊;用直 流電機驅動擂臺機器人;用舵機驅動擂臺機器人的 后方攻擊部分,如圖1所示:構架簡圖。 圖1 擂臺機器人設計框圖 (參見右欄) 紅外檢測技術就是利用950nm的紅外線為載體進行信息的傳遞,其實質就是對二進制數字信號進 行調制與解調。發(fā)送端利用脈時調制方式,將二進制數字信號調制成固定頻率的脈沖序列,并利用該脈沖序列驅動紅外傳感器向外發(fā)射紅外線,其接收 端將接收到的脈沖信號轉換成電信號,再將此電信號經過放大、濾波等處理后送給解調電路進行解調, 還原成二進制數字電信號后輸出。本次擂臺對抗機器人的設計采用24V電源供電, 中心控制器采用STC12C5A60S2單片機,通過7805 芯片為其供電,采用24V/50W的直流減速電機,通過雙BTS/BTN7970大電流H橋電路驅動,選用的紅外傳感器有效距離3-80cm可調,響應時間小于 1ms,5V供電。

        3 對抗策略實現硬件設計

        根據擂臺競賽規(guī)則,設計對抗策略,包括在進攻中高效對抗的機器人的各種博弈,在機器人擂臺賽中,機器人之間進行一對一對戰(zhàn),通過各種戰(zhàn)術有效的將對方機器人推出場外。如果一方機器人整體離開擂臺區(qū)域。則另一方獲勝。如果雙方均未離開擂臺,則在比賽時間結束后。距離擂臺中央的擂主區(qū)域近的一方獲勝。車體設有8個紅外傳感器檢測模塊, 其中4個紅外傳感器平行于車體放置,用于檢測障礙物并進行對抗,機器人的前方設計有防護裝置和攻擊裝置,當左邊檢測到障礙物時,車體迅速向左旋 轉90°,當右邊檢測到障礙物時,車體迅速向右旋 轉90°,當后方檢測到障礙物時,車體先向右旋轉90°,再向右旋轉90°,面對障礙物后小車加速沖 向障礙物進行對抗。另外4個紅外傳感器與車體呈大約30°角放置,并放在車體的四角,用于檢測邊緣,當檢測到障礙物時,表示小車在擂臺上,當其中只 要有一個紅外傳感器未檢測到障礙物,則表示小車處于擂臺邊緣,小車便轉向擂臺中央。

        設計出相應機器人的底座;搭建擂臺機器人對抗平臺,合理布置紅外模塊或超聲波模塊用于邊緣 檢測;合理選擇紅外模塊用于對抗;合理選擇加速 度模塊并編寫靈活的算法避免與其他機器人相持;合理選擇大功率大扭矩電機使機器人擁有速度與力量;合理設計外觀,使機器人美與堅固并存,使機器人更具有攻擊性。

        4 軟件設計

        由分到總的設計理念:先熟悉機器人各部分的設計,最后融合處理,使機器人具有靈活性,最終設計出合格的產品。擂臺對抗機器人的軟件設計流 程圖如圖3所示,基于單片機編程處理;進一步研究機器人在博弈過程中如何搭配各種模塊,需要研 究并合理選擇邊緣檢測模塊,對抗檢測模塊,電機 控制模塊。需要編寫智能控制程序,采用51單片機或Arduino控制。編寫簡潔易用的程序驅動機器人,讓機器人攻防效果更佳,實現武術擂臺對抗機器人程序運行中,命令行執(zhí)行過程是:首先機器人上電,做出出發(fā)的手勢后,機器人沖上擂臺,同時開啟紅外檢測;機器人處于邊緣,博弈標志位Flag 置1,單片機發(fā)出相應的信號給電機驅動模塊,驅 動電機向擂臺中央旋轉;機器人檢測到障礙物,博弈標志位Flag置0,單片機發(fā)出加速的信號給電機驅動模塊,驅動電機加速;若兩個機器人力量相當,單片機便發(fā)出后退的信號給電機驅動模塊,驅動電機后退,尋找合適的時機再進行對抗。

        5 實驗結果與結論

        本次設計的擂臺對抗機器人在實驗室進行了反復的試驗,試驗表明該裝置靈敏、可靠。機器人啟動后,在80cm范圍內能夠有效檢測到障礙物并進行撞擊,若障礙物體積巨大,機器人在對抗6s后自動退回并尋找合適的對抗點,在距離邊緣大約10cm處,機器人可以快速反應并向中央旋轉。所以,該裝置具有良好的對抗性能,可以進行擂臺對抗機器人的比賽,具有一定的使用價值。我們發(fā)現小車在檢測到前方有障礙物時自動后退并調整了方向,準備避開障礙物。最后小車順利避開障礙物,成功通過,達到了預期的目的。下表是對多障礙物避障的避障結果。經過可行性分析實驗,各個模塊的精度均適合邊緣檢測與對抗,實用性很強,51單片機或 Arduino足以控制這些模塊,再加上靈活的編程控制,易于實現。

        下一步研究重點是擂臺機器人將設計成車型機器人,這樣使得機器人的重心變低,在對抗中更加具有優(yōu)勢,更能有效的達到目的。機器人的外觀將 會擴展,將會使用具有一定坡度的堅硬材料使機器人具有更強的攻擊性,美與力量共存。采用Arduino 單片機,處理速度更快,使機器人攻防兼?zhèn)?;機器人攻擊策略智能模塊化。

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