武術(shù)機器人的研究

沈新鋒

（南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院,南京210044）

0 引言

本文研究武術(shù)擂臺機器人的整體結(jié)構(gòu)和攻擊算法，在理論上和實際應(yīng)用上盡可能的使機器人實現(xiàn)高靈活的運動狀態(tài)[1]。機器人各部分設(shè)計包括攻擊部分、驅(qū)動部分、檢測部分。對機器人進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定了機器人的整體布局，設(shè)計了機器人的主要活動部件、外殼、電機和輪子[2]。針對距離、位置及黑線等的測試，選擇了一些適應(yīng)機器人的傳感器，為算法的編寫提供了可靠的硬件。

1 總體設(shè)計方案

整個武術(shù)機器人的設(shè)計，主要由單片機主控模塊、無線模塊、驅(qū)動模塊、電源供電模塊等部分組成[3]。

整個系統(tǒng)都以單片機STM32F103作為系統(tǒng)的主控芯片，由電源供電模塊供電；武術(shù)機器人采用的底盤為四輪小車，小車周圍布置有傳感器，用來偵測周圍敵人。當(dāng)發(fā)現(xiàn)敵人，機器人會調(diào)整方向轉(zhuǎn)而去攻擊，攻擊過程采用加速方式。如果機器人四圈的傳感器未檢測到敵人，機器人在可檢測范圍內(nèi)轉(zhuǎn)一個圈繼續(xù)尋找。如果被敵人撞到邊界處或是機器人自己走到邊界處，機器人會躲避敵人攻擊，以免掉落擂臺輸?shù)舯荣悺?/p>

2 硬件設(shè)計方案

本系統(tǒng)采用STM32F103單片機作為主控制器。STM32F103是一種低功耗的控制器，采用外部時鐘，晶振頻率可達72Mhz，具有多個通用IO口并且片上外設(shè)資源豐富，可以達到本系統(tǒng)各個部分的要求。

系統(tǒng)硬件上采用小車底盤，直流減速電機，驅(qū)動模塊L298n，漫反射式避障傳感器E18-D80HK，超聲波傳感器HY-SRF05，藍牙HC-06。在機器人機械結(jié)構(gòu)上[4]，采用四個漫反射式避障傳感器架高安裝在機器人四個角，用以檢測邊界，防止機器人從擂臺上掉落。機器人前方安置三個漫反射式避障傳感器，后方同樣如此，機器人車身兩邊各安裝一個漫反射式避障傳感器。這就構(gòu)成了機器人的檢測部分。為了干擾敵人的檢測，我們在小車的身上貼滿了黑膠帶，對方的探測將會受到影響。攻擊部分我們設(shè)計了兩個斜坡式的鐵片，用以將敵人鏟起，從而增強攻擊力。為了方便機器人的靈活運動，我們開發(fā)一款手機藍牙APP，用以與機器人車身上的藍牙模塊進行匹配，機器人在擂臺上進行比武時，用戶可以通過手機屏幕上的虛擬按鍵控制機器人的啟動與停止，這大大方便了比賽的進行。

對于直流減速電機的控制，比如驅(qū)動模塊的輸出端A+和A-分別接上電機的兩個輸入端，對應(yīng)的驅(qū)動模塊上的INA+和INA-則是由單片機來控制，此控制用來控制電機轉(zhuǎn)的方向，而控制電機轉(zhuǎn)速的則是通過給驅(qū)動模塊上的輸入端ENA送PWM波，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比即可控制電機的轉(zhuǎn)速。其他的電機控制與此種控制方法一樣。

對于漫反射式避障傳感器，此傳感器的最大檢測距離可以達到80cm，與單片機相連時需要上拉電阻，當(dāng)然單片機的引腳控制具有上拉功能，可不需要外接上拉電阻。漫反射式避障傳感器與單片機相連，其輸送的是開關(guān)量，對于邊界檢測和敵人探測不同應(yīng)用，可以通過調(diào)節(jié)漫反射式避障傳感器上的電位器來滿足相應(yīng)的功能。

對于超聲波傳感器，此傳感器探測距離可以達到700cm，在本研究中，只選用了50cm以內(nèi)的測量范圍，同樣滿足需求。本研究中使用了兩個超聲波傳感器，位于機器人身上的一前一后。在擂臺比賽中，對于黑顏色的敵人將不容易探測到，超聲波的探測提供了一種可靠的方案。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 探測和攻擊程序

程序首先初始化各個模塊，當(dāng)機器人位于擂臺上時，機器人完成各種硬件的初始化，然后等待用戶按下按鍵來啟動機器人。當(dāng)用戶按下虛擬按鍵，機器人便開啟探測模式。機器人在探測過程中，使用周邊漫反射式避障傳感器進行掃描，如果掃描到敵人則開始啟用攻擊模式，根據(jù)敵人位置轉(zhuǎn)角對準敵人，然后使用斜坡式鏟子將敵人掀翻或者將敵人推至場外。在漫反射式避障傳感器掃描時，如果一前一后的正中央的漫反射式避障傳感器檢測到敵人，同時啟用超聲波傳感器，如果超聲波傳感器也檢測到敵人，則啟動大程度上的攻擊，即機器人走的距離更遠。

在上述的檢測完成后，機器人啟用超聲波傳感器進行探測，一方面確認前方和后方是否還有敵人，如果有則繼續(xù)攻擊，如果沒有，則跳轉(zhuǎn)到找尋模式。在找尋模式中，機器人轉(zhuǎn)一個小角度，然后再向前走一小段，整體看上去的效果是在機器人沒有探測到敵人的時候，機器人圍繞著一個點進行轉(zhuǎn)圈，以便當(dāng)有敵人進入探測范圍，機器人可以展開新一輪的攻擊。

3.2 邊界檢測程序

在整個機器人設(shè)計中，為了使武術(shù)機器人能順利打敗對手，自我保護顯得相當(dāng)重要。邊界檢測必須放在第一位，所以本設(shè)計將邊界檢測的程序放在中斷中進行。由于在設(shè)計中只使用了一個電源給整個機器人供電，所以在電機換向的時候?qū)吔鐧z測的幾個傳感器影響特別大，引發(fā)誤判斷。本設(shè)計中在中斷程序中加入了檢測值判斷語句，解決了誤判斷這一難題。邊界檢測不僅在機器人向敵人展開攻擊時發(fā)揮著作用，而且在沒有敵人的情況下受到一些干擾同樣也發(fā)揮著重要的作用。

4 結(jié)束語

本研究在機器人武術(shù)擂臺賽研究的基礎(chǔ)上，規(guī)劃了比賽的方案，程序，對武術(shù)機器人的控制系統(tǒng)進行了設(shè)計和試驗，并通過在實際場地上進行模擬對戰(zhàn)的結(jié)果進行分析，對武術(shù)擂臺賽機器人的控制系統(tǒng)進行了多次修改及調(diào)試，最終得到了比較滿意的結(jié)果。

[1]博創(chuàng)科技.創(chuàng)意之星模塊化機器人指導(dǎo)書[M].北京博創(chuàng)科技公司，2010年:全.

[2]李永新,楊杰,陳小平,等.國內(nèi)機器人比賽[J].控制系統(tǒng),2003,7(03):54.

[3]郝俊青.武術(shù)擂臺賽機器人的設(shè)計策略[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2009,19(09):全.

[4]張悅.武術(shù)擂臺技術(shù)挑戰(zhàn)賽機器人整體設(shè)計[J]. 機器人技術(shù)與應(yīng)用,2010(04):38-40.