雷道仲

（湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410200）

1 問題提出

擂臺對抗機(jī)器人是一種常見的競賽機(jī)器人。這類機(jī)器人在競賽過程中，通常是甲、乙兩方機(jī)器人在一個規(guī)定的區(qū)域內(nèi)，在限定的時間內(nèi)誰先將對方機(jī)器人推出比賽規(guī)定的區(qū)域，誰就獲得該場次比賽的“冠軍”。本文所介紹的這款機(jī)器人就是中國教育機(jī)器人大賽的擂臺對抗機(jī)器人項目中的一款機(jī)器人。在這個擂臺對抗競賽項目中，雙方都要設(shè)計紅外傳感器、紅外遙控、超聲波三個機(jī)器人。本文主要介紹這個擂臺對抗競賽項目中的紅外傳感器機(jī)器人的設(shè)計過程。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)功能分析

根據(jù)擂臺對抗機(jī)器人競賽規(guī)則分析，紅外傳感器擂臺對抗機(jī)器人設(shè)計最關(guān)鍵的是能夠及時捕捉到對方機(jī)器人的位置，并能夠準(zhǔn)確地識別比賽區(qū)域。因此，選取能夠快速感應(yīng)對方機(jī)器人位置的傳感器，能夠識別黑、白區(qū)域的傳感器以及整個系統(tǒng)的控制芯片十分重要。能夠感知對方位置的傳感器有很多種，比如超聲波傳感器、紅外傳感器等；識別黑、白區(qū)域的傳感器有灰度傳感器、顏色傳感器等；作為整個系統(tǒng)的控制芯片的有51單片機(jī)、ARM處理芯片等[1]。

2.2 系統(tǒng)方案論證

方案一：以ARM720T為本系統(tǒng)的控制核心，選取紅外光電傳感器作為位置捕捉傳感器，使用顏色傳感器來識別擂臺對抗機(jī)器人比賽的黑色區(qū)域。ARM處理芯片負(fù)責(zé)根據(jù)紅外光電傳感器收集的對方機(jī)器人的位置信號以及顏色傳感器判別的本機(jī)機(jī)器人的位置信號輸出相應(yīng)的控制信號，控制機(jī)器人前進(jìn)、后退或者左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎等。該方案系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。該方案結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，軟件設(shè)計容易實現(xiàn)，但顏色傳感器在識別黑、白競賽區(qū)域的過程中，耗時相對較長，不利于本機(jī)機(jī)器人及時調(diào)整位置。

圖1 方案一系統(tǒng)框圖

方案二：系統(tǒng)采用“單片機(jī)+紅外傳感器+執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的總體設(shè)計方案，系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。其中，紅外發(fā)射傳感器在機(jī)器人行走的過程中對外發(fā)射出紅外信號，當(dāng)紅外信號遇到對方機(jī)器人后，會被反射回來，紅外接收傳感器接收到反射回的紅外信號后，再由MCU根據(jù)紅外傳感器接收到的紅外發(fā)射信號來判斷對方機(jī)器人的位置，并調(diào)用相應(yīng)的決策攻擊函數(shù)去攻擊對方的機(jī)器人，最終將對方機(jī)器人推出比賽的擂臺范圍，從而獲得本局比賽的勝利。QTI傳感器負(fù)責(zé)紅外傳感器擂臺對抗機(jī)器人的導(dǎo)航功能。

圖2 紅外傳感器擂臺對抗機(jī)器人系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 硬件電路圖

紅外傳感器擂臺對抗機(jī)器人的電路原理圖如圖3所示。紅外傳感器由圖中的紅外發(fā)射開關(guān)、紅外發(fā)射二極管以及紅外接收器組成。紅外發(fā)射開關(guān)負(fù)責(zé)控制紅外發(fā)射二極管對外發(fā)射的紅外線的頻率，當(dāng)發(fā)射出的紅外線碰到對方機(jī)器人后會被反射回來，被自己的紅外接收器接收，紅外傳感器擂臺對抗機(jī)器人收到反射回來的紅外信號后，會向?qū)Ψ綑C(jī)器人發(fā)出相應(yīng)攻擊，直至將對方機(jī)器人推出擂臺范圍，則比賽獲勝。如果自己被推出擂臺，則比賽失敗。圖中的左右QTI傳感器用于支持擂臺對抗機(jī)器人的巡線功能，該QTI裝在機(jī)器人控制電路板底部，負(fù)責(zé)識別黑色比賽區(qū)域。左、右輪驅(qū)動電機(jī)為機(jī)器人的運動系統(tǒng)，在單片機(jī)發(fā)出的電機(jī)控制信號作用下完成擂臺對抗機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎等動作。

圖3 紅外傳感器擂臺對抗機(jī)器人原理圖

3.2 紅外傳感器原理

本設(shè)計中的紅外傳感器由紅外線收、發(fā)對管以及紅外發(fā)射控制開關(guān)構(gòu)成。紅外線發(fā)射器則是將紅外線發(fā)射管封裝在了LED發(fā)光二極管中。通常是根據(jù)應(yīng)用場合的不同來封裝不同波長的紅外線發(fā)射管，比如用于紅外遙控器、紅外光電開關(guān)、紅外線發(fā)射設(shè)備的波長則要封裝940 nm；用于醫(yī)療設(shè)備則封裝875 nm；用于紅外線監(jiān)控設(shè)備的則需要封裝850 nm波長。本設(shè)計中選取采用封裝940 nm波長的紅外發(fā)射管。

本設(shè)計中，運用紅外線收、發(fā)對管完成擂臺對抗機(jī)器人的位置識別。具體過程如下：擂臺對抗機(jī)器人在黑色比賽區(qū)域運動時，51單片機(jī)P1.4引腳發(fā)出一定頻率的高、低電平從而控制N2的導(dǎo)通與截止來控制向外發(fā)射紅外線光波的頻率，紅外線光波在空中傳播的過程中，遇到對方擂臺對抗機(jī)器人時會被反射回來，進(jìn)而被安裝在51單片機(jī)P1.5引腳的紅外線接收器所接收。

3.3 擂臺對抗機(jī)器人工作原理

擂臺對抗機(jī)器人通電后，在51單片機(jī)P1.2和P1.3引腳控制的左、右巡線QTI傳感器的引導(dǎo)下，在比賽的黑色區(qū)域運動。QTI在機(jī)器人運動過程中，當(dāng)掃描到底部的黑色區(qū)域時，返回給51單片機(jī)P1.2和P1.3引腳的信號為高電平，則控制機(jī)器人（電機(jī)）繼續(xù)運動；如果機(jī)器人運動到比賽區(qū)域的邊緣，掃到白色時，返回給51單片機(jī)P1.2和P1.3引腳的則是低電平，這時51單片機(jī)的P1.0和P1.1引腳會輸出控制信號使機(jī)器人趕緊后退到比賽的黑色區(qū)域。

擂臺對抗機(jī)器人在運動的過程中，51單片機(jī)P1.4引腳輪流輸出高、低不同的電平控制NPN型三極管N2的導(dǎo)通與截止，從而控制紅外線發(fā)光管向外發(fā)射紅外線光波的頻率。當(dāng)向外發(fā)射的紅外線光波遇到對方擂臺對抗機(jī)器人時，部分光波被反射回來，被安裝在本機(jī)機(jī)器人上的51單片機(jī)P1.5引腳的紅外線接收器所接收。51單片機(jī)接收此信號后，根據(jù)實際在51單片機(jī)的P1.0和P1.1引腳輸出電機(jī)控制信號，控制電機(jī)使機(jī)器人完成前進(jìn)（攻擊對方）、后退、左轉(zhuǎn)彎或右轉(zhuǎn)彎等動作[2]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 程序設(shè)計思路

擂臺對抗機(jī)器人主要完成以下幾個任務(wù)：（1）擂臺對抗機(jī)器人的運動控制，包括機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)彎及右轉(zhuǎn)彎等；（2）不斷檢測比賽擂臺的邊緣線；（3）不斷檢測對方機(jī)器人的位置，并根據(jù)位置做出本機(jī)機(jī)器人位置的調(diào)整或是相應(yīng)攻擊等。以下是擂臺機(jī)器人運動控制函數(shù)。

4.2 主程序流程圖

根據(jù)上述程序設(shè)計思路，繪制出如圖4所示的主程序流程圖。系統(tǒng)通電后，擂臺對抗機(jī)器人向前直走，在直走過程中，巡線QTI傳感器不斷檢測是否到擂臺邊緣，如果是，繼續(xù)判斷機(jī)器人是否正對著邊緣；如果是，機(jī)器人直接后退；如果機(jī)器人處于邊緣偏左，則機(jī)器人先右轉(zhuǎn)調(diào)整角度，再后退；如果機(jī)器人處于邊緣靠右，則先左轉(zhuǎn)調(diào)整角度，再后退。

圖4 紅外傳感器主程序流程圖

5 系統(tǒng)調(diào)試

按圖3所示的電路原理圖連接控制電路，在Keil C中編輯、編譯控制程序直到仿真通過，再通過51單片機(jī)程序下載器將產(chǎn)生的可執(zhí)行文件燒寫到紅外傳感器擂臺對抗機(jī)器人控制板中的單片機(jī)程序存儲器中。開機(jī)運行后，機(jī)器人會不斷檢測擂臺比賽范圍邊緣線，當(dāng)沒有發(fā)現(xiàn)對方機(jī)器人時，會一直在比賽范圍內(nèi)轉(zhuǎn)圈，在發(fā)現(xiàn)對方機(jī)器人后，會主動發(fā)起攻擊，直至將對方推出比賽范圍，獲得本局比賽勝利，如果自己被推出比賽范圍，則本局比賽失敗。

6 結(jié)論

該紅外傳感器擂臺對抗機(jī)器人參加2015年中國教育機(jī)器人大賽的擂臺對抗機(jī)器人項目競賽獲得了高職組“冠軍”。在比賽過程中，該機(jī)器人檢測紅外信號靈敏，捕捉對方擂臺對抗機(jī)器人能力強(qiáng)，具有較強(qiáng)的攻擊策略，攻擊能力強(qiáng)，且性能穩(wěn)定，能夠為同類擂臺對抗機(jī)器人的設(shè)計提供可靠參考和借鑒。