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

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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的背景下發展出來的。它是用于進行擂 臺對抗而開發出來的，它給機器人的智能控制提供了一個發展的平臺。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，通過各種戰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，命令行執行過程是：首先機器人上電，做出出發的手勢后，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，使機器人攻防兼備；機器人攻擊策略智能模塊化。

［1］陳海，胡建旺，祝愛民.基于紅外的數據通信模塊的設計與實現［A］.微計算機信息，2008， 24（6-2），288—312.

［2］王劍，許曉飛.仿生機器蛇的設計［J］.電子技術 2014（6）：64-67.

［3］王會清，韓艷玲.基于多傳感器與數據融合技術的研究［J］.計算機與現代化，2009，9：64-67.

［4］周立功等.單片機技術及其應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

［5］華鑫鵬，張輝宜，張嵐.多傳感器數據融合技術及其研究進展［J］.中國儀器儀表，2008，5；40-43.

［6］李鄧化，許曉飛.智能檢測技術及儀表（第二版）.北京：科學出版社，2012.

［7］郭天祥. 51單片機C語言教程［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［8］ 謝維成，楊加國.單片機原理與應用及C51程序設計［M］.北京：清華大學出版社，2009.