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(wèn)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(lái)，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(lái)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(wú)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(lái)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(wú)序巡航三種模式，但均存在一定的缺點(diǎn)。

（1）無(wú)法進(jìn)行有計(jì)劃性的躲避，只能被動(dòng)的通過(guò)移動(dòng)來(lái)進(jìn)行躲避敵方的子彈。

（2）只能適用于一些沒(méi)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(lái)對(duì)敵方單位進(jìn)行3D建模同時(shí)使用mini pc來(lái)處理3D建模的數(shù)據(jù)，再將處理完的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)回主控板以用來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(jué)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(guò)目前測(cè)試情況來(lái)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(lái)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(guò)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(guò)深度攝像頭來(lái)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(lái)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(lái)確保強(qiáng)度和剛度。通過(guò) Solidworks的Simulation模塊，對(duì)底盤(pán)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(jué)識(shí)別

自動(dòng)巡線和反擊的基礎(chǔ)在于對(duì)視覺(jué)信息的處理，所以視覺(jué)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(jué)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(lái)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(lái)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(jiàn)式1-1和圖2。將敵方的槍口角度解算后將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)回給主控板，再由主控板通過(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)題，有望在比賽中發(fā)揮作用。

（1）哨兵軌道不光滑問(wèn)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(lái)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(wèn)題。通過(guò)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(wèn)題。明確雙目相機(jī)的安裝位置，解決哨兵的視覺(jué)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(guò)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(guó)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(guó)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(guó)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