武術(shù)擂臺機器人的研制與實踐

朱思宇 劉剛 瞿志二 吐魯遜江·克熱木

摘要：本文針對中國機器人大賽中武術(shù)擂臺機器人比賽規(guī)則，設(shè)計并制作出武術(shù)擂臺機器人硬件系統(tǒng)，探索出一種攻防兼?zhèn)涞目刂撇呗裕瑢崙?zhàn)證明該方案達到了預期的目標。

關(guān)鍵詞：機器人;STM32;邊緣檢測

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）12-0039-02

0 引言

武術(shù)擂臺賽是中國機器人大賽中參賽隊最多、競爭最激烈、最富有觀賞性的賽事：兩個具有自主行動的機器人在2.4m×2.4m的擂臺上，通過傳感器來辨別自身方位的同時，并感知對手的位置、方向，然后開展攻擊的對抗性機器人競賽。在設(shè)計、制造、訓練、比賽一系列過程中，參賽者的綜合工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力、動手能力、團隊協(xié)作能力都能得到全面的培養(yǎng)和提升。

本文重點研究了機器人硬件系統(tǒng)及競賽策略。

1 機器人主要硬件系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計與組成

為了適應(yīng)競賽要求增強機器人的上臺能力機器人采用前高后低設(shè)計結(jié)構(gòu)，其底板外形尺寸為260mm*250mm的長方形，底板距離地面高度前面35mm，后面25mm;總體系統(tǒng)設(shè)計共采用了四輪差速方案，由8個紅外開關(guān)傳感器、4個紅外測距傳感器組成;執(zhí)行模塊由4個舵機和4個直流電機構(gòu)成，直流電機型號為BDMC1203驅(qū)動，14.8V/3A鋰電池供電;主控模塊選用以STM32F103Z為核心的Luby控制器。

如圖1所示，機器人硬件系統(tǒng)由主控模塊、傳感模塊、執(zhí)行模塊和供電電池四部分組成。

1.2 主控模塊

機器人采用STM32F103Z核心芯片為主控板，STM32F103Z是一種低功耗控制器，豐富的IO接口，方便擴展可實現(xiàn)各個模塊的功能要求。

1.3 傳感模塊

傳感器模塊由8個紅外光電傳感器和4個紅外測距傳感器組成：底板下面正前、后、左、右，及頂部左前、右前、右后、左后各一個紅外開關(guān)傳感器;底板下面、前、后、左、右各一個紅外測距傳感器。

紅外開關(guān)傳感器利用了障礙物對光束的漫反射作用，通過同步回路電路接通，從而檢測物體的有無障礙物。

紅外測距傳感器是測量障礙物到傳感器接收探頭的間距。所采用的GP2D12由紅外發(fā)射端、PSD（位置敏感檢測裝置）及相關(guān)處理電路構(gòu)成，輸出為0～2.5V的模擬量（電壓、距離相關(guān)），量程范圍10～80cm。

1.4 執(zhí)行模塊

由4個直流電機，2個BDMC1203驅(qū)動器組成的四輪差動設(shè)計方案。四路直流電機分別安裝于底盤的左右兩側(cè)，每組兩個，電機的取值決定轉(zhuǎn)速，取值越大，轉(zhuǎn)速越快。

2 攻防策略應(yīng)用

策略是機器人的靈魂，是武術(shù)擂臺機器人參賽獲勝的關(guān)鍵。核心問題有：首先是機器人盡快完成自主登臺，其次是防止自身掉臺，且防止自身掉臺的優(yōu)先級高于檢測敵方機器人。

2.1 自主登臺

常見登臺方式有兩種，一種是利用機器人高速沖擊慣性使機器人沖上擂臺，這種方式對于車上的傳感器、自身結(jié)構(gòu)損傷加大，對于電機的驅(qū)動要求較高，且不穩(wěn)定;另一種如圖2所示是在機器人車體上增加適當機械結(jié)構(gòu)，安裝舵機，依靠機械結(jié)構(gòu)完成自主登臺，這種登臺方式較容易實現(xiàn)，容易控制，被廣泛采納。

2.2 檢測機器人是否在擂臺上

利用前后左右四個測距傳感器綜合判斷是否位于臺上。在擂臺下時，首先要檢測機器人朝向。以前方對擂臺為例：此時前方底部傳感器檢測到擂臺，其他均未檢測到擂臺。機器人是否在擂臺上的流程如圖2所示：

2.3 邊緣檢測

如前、后、左、右4個光電開關(guān)中，3個檢測到擂臺，1個未檢測到時，表明在該方向機器人繼續(xù)前進時可能會掉臺。需要采取遠離擂臺邊緣的措施。以左前方擂臺邊緣檢測為例，流程圖如圖3所示：

2.4 敵方檢測

敵方探測利用機器人底部正前、后、左、右的四個紅外開關(guān)傳感及相對應(yīng)的紅外距離傳感器合作完成。例如當正前方檢測到敵方機器人時，正前方光電開關(guān)傳感器滅，此時我方機器人加速向前推進直至敵方機器人落臺（但同時還應(yīng)防止自身同時掉臺）;當左側(cè)檢測到敵方機器人時，左側(cè)光電開關(guān)傳感器滅，我方機器人需左轉(zhuǎn)，此時敵方機器人相當于由左方回到正前方，我方機器人直接加速向前推進即可。

3 結(jié)語

本文較全面研究了武術(shù)擂臺大賽用機器人的設(shè)計及策略。在老師的指導下，利用該機器人參加競賽獲得了良好的比賽成績。說明該設(shè)計是合理的。

參考文獻

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Analysis and Practice of WUSHU Arena Robot

ZHU Si-yu，LIU Gang，QU Zhi-er，TULU Xun-jiang·Ke Re-mu

（School of Instrument Science and Optoelectronic Engineering， Beijing Information Science & Technology University，Beijing 100192）

Abstract：Based on competition rules of WUSHU Arena Robot at China Robot Competition， this thesis designed and manufactured a kind of robot hardware system and explored out a control strategy equally good at attack and defense， which get the expected target proved by actual combat.

Key words：robot;STM 32;edge detection