楊小強

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基于PLC的人機對弈系統(tǒng)設計

楊小強

（重慶科創(chuàng)職業(yè)學院，重慶 402160）

本文基于PLC設計開發(fā)了一種與人進行五子棋對弈的機器人系統(tǒng)，利用視覺系統(tǒng)對棋盤信息進行獲取，由算法系統(tǒng)做出落子決策，再通過PLC對落子行列數(shù)進行數(shù)據轉換，最后由六軸機器人完成動作。重點研究PLC在總體系統(tǒng)中起到的數(shù)據轉換原理，以及上下位機的數(shù)據連接與實現(xiàn)。實驗證明，基于PLC設計的五子棋人機對弈系統(tǒng)具有實用、形象、可靠等特點。

五子棋；對弈機器人；PLC

人機對弈是計算機領域博弈理論的起源與基礎，在人工智能方面更是一個重要的研究方向，受到人工智能界的重視。早在60年代就已經出現(xiàn)了若干博弈程序，并達到了一定的水平。比較有影響的是1960年NNS國際象棋機的出現(xiàn)，以及60年代初期IBM完成的具有自學習、自組織、自適應能力的西洋棋程序等等。而后，1997年世界首席國際象棋大師卡斯帕羅夫與IBM公司生產的計算機“深藍”的較量則是被稱為人機對弈歷史上最偉大的一次較量。在這次較量中，卡斯帕羅夫以1：2的結局輸給了“深藍”。這是人工智能飛速發(fā)展的一個標志[1]。本文設計的五子棋人機對弈系統(tǒng)，旨在提供一個具有真實對弈體驗，服務于機器人課程實訓教學的人機對弈平臺。

一、系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)在人機對弈時棋局由人落子開始，人落子完畢后需按下確認按鈕，機器人通過攝像頭采集棋盤圖像，通過圖像算法識別當前棋局，進而通過五子棋策略算法，得出最優(yōu)的落子位置，計算機將落子位置信息傳遞給工業(yè)機器人，由工業(yè)機器人完成取子和落子，實現(xiàn)了真實的人機對弈過程[2]。在整個對弈過程中，實時顯示當前棋局對弈情況，并保存每一局、每一步的圖片到計算機中，可以實現(xiàn)查看當前對局情況、棋局復盤的功能。本系統(tǒng)主要分為三大模塊：視覺檢測系統(tǒng)、策略系統(tǒng)和執(zhí)行機構，系統(tǒng)整體結構如圖1所示。

圖1 總體系統(tǒng)結構

二、視覺檢測系統(tǒng)

硬件方面，采用羅技C270攝像頭，與計算機通過USB接口連接。視覺檢測作為對弈機器人中的一個環(huán)節(jié)，有一個核心技術，即棋盤標定技術。棋盤標定，是指找出棋盤格子實際位置與圖像位置的對應；有了這個對應，找到棋子在圖像中的位置后，就能得知棋子在實際棋盤中的位置。目前的棋盤標定技術中，通常采用標記點插值算法和直線檢測求交點算法[4]。標記點插值算法實現(xiàn)簡單，但難以克服相機成像畸變和成像的非正投影帶來的定位偏移問題。直線檢測求交點算法，同樣難以解決相機畸變問題。本文采用一種新的中國棋盤標定技術，能克服相機畸變和非正投影導致的弊端，且實施簡便、可操作性強。

標定方法：制作一個15×15方格數(shù)的黑白相間的平面板作為標定板，格子大小與棋盤的方格子大小相等（圖2為示意圖）。顯然，標定板除去最外層一圈方格，與棋盤大小整體尺寸一致、且內部方格大小相等。通過機械定位，將標定板除去最外圈的部分與棋盤對齊；如此，則標定板除去最外一圈的每個內部方格，都與棋盤相應的方格對齊。對齊之后，標定板每個角點的世界坐標，就是象棋棋盤每個格子點的世界坐標，即：

其中(xij’,yij’,zij’)為標定板角點的世界坐標。因此，只要檢測出對齊之后的標定板角點，就能完成中國象棋棋盤的標定；即通過獲取標定板角點世界坐標與圖像坐標的對應，以完成棋盤的標定。

標定板角點的世界坐標（xij’, yij’, zij’），就是棋盤格子點的世界坐標（xij, yij, zij），可通過上文提到的原點機械定位和二維數(shù)組下標偏移計算的方法得到；標定板的角點圖像坐標（uij,vij），因角點特征明顯，可以魯棒性地獲取。標定完畢，取下標定板，顯露出棋盤，就可進行機器視覺機器人對弈[3]。

圖2 標定板與棋盤對齊示意圖

同理，任意棋盤（m×n方格數(shù)）的標定，只需制作一個（m+1）×（n+1）方格數(shù)的黑白相間的平面板作為標定板，方格大小與圍棋棋盤的方格相等，按照上文相同的方法即可。標定板之所以比實際棋盤多一圈方格，主要是為棋盤最外圍上的格子點局部區(qū)域提供能檢測到角點的特征信息，以使棋盤最外圍的格子點圖像坐標也能獲取到。

三、策略系統(tǒng)

策略系統(tǒng)是機器人的大腦，它接收來自視覺系統(tǒng)的棋盤位置信息，判斷當前的勝負關系，計算出下一步落子點坐標，再經過機械臂控制執(zhí)行換算得到輸出動作量，通過串行口發(fā)送至機械臂系統(tǒng)。策略系統(tǒng)通過計算機軟件編程實現(xiàn)，包括智能決策算法與人機界面兩部分。智能決策算法采用C++語言開發(fā)，界面采用C#語言開發(fā)[4]。

四、執(zhí)行機構

執(zhí)行機構選用廣州數(shù)控公司GR-C控制系統(tǒng)六軸機械手臂，通過RS-233接收來自策略系統(tǒng)的電機輸出動作量，經PLC轉換為相應的脈沖信號，由開關量輸出端口傳送至驅動器，控制電磁閥及氣缸動作。結合開關量輸入端口接收到的位置傳感器反饋信號，完成在立體空間中抓取、移動和放置棋子的動作。

五、硬件系統(tǒng)設計

由于三菱PLC具有小型化、編程簡單、高速運算、成本低等特點，除輸入車前出16～25點的獨立用途外，還可以適用于多個基本組件間的連接、模擬控制、定位控制等特殊用途，是一套可以滿足多樣化廣泛需要的PLC。因此，本文主要選擇三菱系列的PLC，作為系統(tǒng)控制器。

（1）I/O功能分配

結合本系統(tǒng)控制要求，確定PLC的輸入有2個，輸出有14個，詳見表1所示。

表1 I/O分配及功能

（2）電氣原理接線圖

滿足人機對弈控制要求的三菱PLC和機器人I/O端口硬件接線圖如圖3、圖4所示。輸出Y0～Y4、Y10～Y14分別通過控制中間繼電器作為機器人的輸入信號確定行和列變量的值，Y16為機器人執(zhí)行指示燈、Y17通過控制中間繼電器作為機器人的輸入信號，機器人接收此信號后便可以執(zhí)行吸棋子、落棋子等過程。

圖3 PLC硬件接線圖

圖4 機器人硬件接線圖

六、軟件系統(tǒng)設計

當人與機器人要開始對弈時，按下下棋信號按鈕（X0），通過數(shù)據線給電腦發(fā)送一個信號“PD OK”，這時電腦控制攝像頭進行拍照、識別；然后電腦通過策略算法系統(tǒng)確認出一個行列值，如（050，601）代表5行6列，再通過數(shù)據連接把這個行列值發(fā)送給PLC；PLC接收到數(shù)據后，將行列數(shù)據轉換為兩個5位二進制，如（00101，00011），最后PLC再將處理好的數(shù)據給機器人（機器人內部將二進制自動識別為十進制），由機器人執(zhí)行下棋的動作。當機器人執(zhí)行完動作后，會給PLC一個信號（X1），這時信號燈（Y16）重新閃爍，重新按下按鈕，就可以繼續(xù)實現(xiàn)下棋動作了。用三菱編程軟件GX-Works編寫PLC控制程序。

七、結論

將PLC、機器人等各個模塊聯(lián)機調試，讓機器人能夠準確執(zhí)行下棋動作，通過人機對弈能夠很好地實現(xiàn)預期目標，尤其是機器人能夠很好地實現(xiàn)棋子的識別、取子、移動、落子動作。通過本系統(tǒng)更加的熟悉應用PLC在整體系統(tǒng)中的數(shù)據轉換原理，以及上下位機的數(shù)據連接，提高了對弈系統(tǒng)整體協(xié)作能力。

[1]劉洋，吳彥波.一種國際象棋智能機器人設計[J].科技展望，2014（07）：38-41.

[2]曹崢.應用于實驗教學的五子棋人機對弈系統(tǒng)[J].軟件工程，2014（08）：03.

[3]吳四光.人機對弈的設計及實現(xiàn)[J].電子測試，2013（09）：35-36.

[4]毛麗民，朱培逸，盧振利.基于LabVIEW的五子棋博弈算法[J].計算機應用，2016（05）：26-29.

Design of Gobang Human-computer System Based on PLC

YANG Xiao-qiang

（Chongqing creation vocational college, Yong chuan, Chongqing 402160, China）

This paper develops a Gobang human-computer system based on PLC to acquire the game information by visual system, make the decision by algorithm system, convert the data of ranks number through PLC, and make the six axis robot to complete the action finally. This paper focuses on the data conversion principle functioned by PLC in the whole system and the data connection and implementation between the upper and lower computer. The experiment proves that gobang human-computer system based on PLC has the characteristics of practicality, image and reliability.

gobang; chess robot; PLC

TP301.6

A

1008—6129（2018）01—0076—03

2018—01—05

楊小強（1983—），甘肅天水人，重慶科創(chuàng)職業(yè)學院，講師。