基于PLC的人機(jī)對(duì)弈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊小強(qiáng)

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基于PLC的人機(jī)對(duì)弈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊小強(qiáng)

（重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院，重慶 402160）

本文基于PLC設(shè)計(jì)開發(fā)了一種與人進(jìn)行五子棋對(duì)弈的機(jī)器人系統(tǒng)，利用視覺系統(tǒng)對(duì)棋盤信息進(jìn)行獲取，由算法系統(tǒng)做出落子決策，再通過PLC對(duì)落子行列數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最后由六軸機(jī)器人完成動(dòng)作。重點(diǎn)研究PLC在總體系統(tǒng)中起到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原理，以及上下位機(jī)的數(shù)據(jù)連接與實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)證明，基于PLC設(shè)計(jì)的五子棋人機(jī)對(duì)弈系統(tǒng)具有實(shí)用、形象、可靠等特點(diǎn)。

五子棋；對(duì)弈機(jī)器人；PLC

人機(jī)對(duì)弈是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域博弈理論的起源與基礎(chǔ)，在人工智能方面更是一個(gè)重要的研究方向，受到人工智能界的重視。早在60年代就已經(jīng)出現(xiàn)了若干博弈程序，并達(dá)到了一定的水平。比較有影響的是1960年NNS國際象棋機(jī)的出現(xiàn)，以及60年代初期IBM完成的具有自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)能力的西洋棋程序等等。而后，1997年世界首席國際象棋大師卡斯帕羅夫與IBM公司生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)“深藍(lán)”的較量則是被稱為人機(jī)對(duì)弈歷史上最偉大的一次較量。在這次較量中，卡斯帕羅夫以1：2的結(jié)局輸給了“深藍(lán)”。這是人工智能飛速發(fā)展的一個(gè)標(biāo)志[1]。本文設(shè)計(jì)的五子棋人機(jī)對(duì)弈系統(tǒng)，旨在提供一個(gè)具有真實(shí)對(duì)弈體驗(yàn)，服務(wù)于機(jī)器人課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)的人機(jī)對(duì)弈平臺(tái)。

一、系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)在人機(jī)對(duì)弈時(shí)棋局由人落子開始，人落子完畢后需按下確認(rèn)按鈕，機(jī)器人通過攝像頭采集棋盤圖像，通過圖像算法識(shí)別當(dāng)前棋局，進(jìn)而通過五子棋策略算法，得出最優(yōu)的落子位置，計(jì)算機(jī)將落子位置信息傳遞給工業(yè)機(jī)器人，由工業(yè)機(jī)器人完成取子和落子，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)的人機(jī)對(duì)弈過程[2]。在整個(gè)對(duì)弈過程中，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前棋局對(duì)弈情況，并保存每一局、每一步的圖片到計(jì)算機(jī)中，可以實(shí)現(xiàn)查看當(dāng)前對(duì)局情況、棋局復(fù)盤的功能。本系統(tǒng)主要分為三大模塊：視覺檢測系統(tǒng)、策略系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

二、視覺檢測系統(tǒng)

硬件方面，采用羅技C270攝像頭，與計(jì)算機(jī)通過USB接口連接。視覺檢測作為對(duì)弈機(jī)器人中的一個(gè)環(huán)節(jié)，有一個(gè)核心技術(shù)，即棋盤標(biāo)定技術(shù)。棋盤標(biāo)定，是指找出棋盤格子實(shí)際位置與圖像位置的對(duì)應(yīng)；有了這個(gè)對(duì)應(yīng)，找到棋子在圖像中的位置后，就能得知棋子在實(shí)際棋盤中的位置。目前的棋盤標(biāo)定技術(shù)中，通常采用標(biāo)記點(diǎn)插值算法和直線檢測求交點(diǎn)算法[4]。標(biāo)記點(diǎn)插值算法實(shí)現(xiàn)簡單，但難以克服相機(jī)成像畸變和成像的非正投影帶來的定位偏移問題。直線檢測求交點(diǎn)算法，同樣難以解決相機(jī)畸變問題。本文采用一種新的中國棋盤標(biāo)定技術(shù)，能克服相機(jī)畸變和非正投影導(dǎo)致的弊端，且實(shí)施簡便、可操作性強(qiáng)。

標(biāo)定方法：制作一個(gè)15×15方格數(shù)的黑白相間的平面板作為標(biāo)定板，格子大小與棋盤的方格子大小相等（圖2為示意圖）。顯然，標(biāo)定板除去最外層一圈方格，與棋盤大小整體尺寸一致、且內(nèi)部方格大小相等。通過機(jī)械定位，將標(biāo)定板除去最外圈的部分與棋盤對(duì)齊；如此，則標(biāo)定板除去最外一圈的每個(gè)內(nèi)部方格，都與棋盤相應(yīng)的方格對(duì)齊。對(duì)齊之后，標(biāo)定板每個(gè)角點(diǎn)的世界坐標(biāo)，就是象棋棋盤每個(gè)格子點(diǎn)的世界坐標(biāo)，即：

其中(xij’,yij’,zij’)為標(biāo)定板角點(diǎn)的世界坐標(biāo)。因此，只要檢測出對(duì)齊之后的標(biāo)定板角點(diǎn)，就能完成中國象棋棋盤的標(biāo)定；即通過獲取標(biāo)定板角點(diǎn)世界坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)，以完成棋盤的標(biāo)定。

標(biāo)定板角點(diǎn)的世界坐標(biāo)（xij’, yij’, zij’），就是棋盤格子點(diǎn)的世界坐標(biāo)（xij, yij, zij），可通過上文提到的原點(diǎn)機(jī)械定位和二維數(shù)組下標(biāo)偏移計(jì)算的方法得到；標(biāo)定板的角點(diǎn)圖像坐標(biāo)（uij,vij），因角點(diǎn)特征明顯，可以魯棒性地獲取。標(biāo)定完畢，取下標(biāo)定板，顯露出棋盤，就可進(jìn)行機(jī)器視覺機(jī)器人對(duì)弈[3]。

圖2 標(biāo)定板與棋盤對(duì)齊示意圖

同理，任意棋盤（m×n方格數(shù)）的標(biāo)定，只需制作一個(gè)（m+1）×（n+1）方格數(shù)的黑白相間的平面板作為標(biāo)定板，方格大小與圍棋棋盤的方格相等，按照上文相同的方法即可。標(biāo)定板之所以比實(shí)際棋盤多一圈方格，主要是為棋盤最外圍上的格子點(diǎn)局部區(qū)域提供能檢測到角點(diǎn)的特征信息，以使棋盤最外圍的格子點(diǎn)圖像坐標(biāo)也能獲取到。

三、策略系統(tǒng)

策略系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，它接收來自視覺系統(tǒng)的棋盤位置信息，判斷當(dāng)前的勝負(fù)關(guān)系，計(jì)算出下一步落子點(diǎn)坐標(biāo)，再經(jīng)過機(jī)械臂控制執(zhí)行換算得到輸出動(dòng)作量，通過串行口發(fā)送至機(jī)械臂系統(tǒng)。策略系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)，包括智能決策算法與人機(jī)界面兩部分。智能決策算法采用C++語言開發(fā)，界面采用C#語言開發(fā)[4]。

四、執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用廣州數(shù)控公司GR-C控制系統(tǒng)六軸機(jī)械手臂，通過RS-233接收來自策略系統(tǒng)的電機(jī)輸出動(dòng)作量，經(jīng)PLC轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖信號(hào)，由開關(guān)量輸出端口傳送至驅(qū)動(dòng)器，控制電磁閥及氣缸動(dòng)作。結(jié)合開關(guān)量輸入端口接收到的位置傳感器反饋信號(hào)，完成在立體空間中抓取、移動(dòng)和放置棋子的動(dòng)作。

五、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于三菱PLC具有小型化、編程簡單、高速運(yùn)算、成本低等特點(diǎn)，除輸入車前出16～25點(diǎn)的獨(dú)立用途外，還可以適用于多個(gè)基本組件間的連接、模擬控制、定位控制等特殊用途，是一套可以滿足多樣化廣泛需要的PLC。因此，本文主要選擇三菱系列的PLC，作為系統(tǒng)控制器。

（1）I/O功能分配

結(jié)合本系統(tǒng)控制要求，確定PLC的輸入有2個(gè)，輸出有14個(gè)，詳見表1所示。

表1 I/O分配及功能

（2）電氣原理接線圖

滿足人機(jī)對(duì)弈控制要求的三菱PLC和機(jī)器人I/O端口硬件接線圖如圖3、圖4所示。輸出Y0～Y4、Y10～Y14分別通過控制中間繼電器作為機(jī)器人的輸入信號(hào)確定行和列變量的值，Y16為機(jī)器人執(zhí)行指示燈、Y17通過控制中間繼電器作為機(jī)器人的輸入信號(hào)，機(jī)器人接收此信號(hào)后便可以執(zhí)行吸棋子、落棋子等過程。

圖3 PLC硬件接線圖

圖4 機(jī)器人硬件接線圖

六、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)人與機(jī)器人要開始對(duì)弈時(shí)，按下下棋信號(hào)按鈕（X0），通過數(shù)據(jù)線給電腦發(fā)送一個(gè)信號(hào)“PD OK”，這時(shí)電腦控制攝像頭進(jìn)行拍照、識(shí)別；然后電腦通過策略算法系統(tǒng)確認(rèn)出一個(gè)行列值，如（050，601）代表5行6列，再通過數(shù)據(jù)連接把這個(gè)行列值發(fā)送給PLC；PLC接收到數(shù)據(jù)后，將行列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)5位二進(jìn)制，如（00101，00011），最后PLC再將處理好的數(shù)據(jù)給機(jī)器人（機(jī)器人內(nèi)部將二進(jìn)制自動(dòng)識(shí)別為十進(jìn)制），由機(jī)器人執(zhí)行下棋的動(dòng)作。當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行完動(dòng)作后，會(huì)給PLC一個(gè)信號(hào)（X1），這時(shí)信號(hào)燈（Y16）重新閃爍，重新按下按鈕，就可以繼續(xù)實(shí)現(xiàn)下棋動(dòng)作了。用三菱編程軟件GX-Works編寫PLC控制程序。

七、結(jié)論

將PLC、機(jī)器人等各個(gè)模塊聯(lián)機(jī)調(diào)試，讓機(jī)器人能夠準(zhǔn)確執(zhí)行下棋動(dòng)作，通過人機(jī)對(duì)弈能夠很好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，尤其是機(jī)器人能夠很好地實(shí)現(xiàn)棋子的識(shí)別、取子、移動(dòng)、落子動(dòng)作。通過本系統(tǒng)更加的熟悉應(yīng)用PLC在整體系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原理，以及上下位機(jī)的數(shù)據(jù)連接，提高了對(duì)弈系統(tǒng)整體協(xié)作能力。

[1]劉洋，吳彥波.一種國際象棋智能機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].科技展望，2014（07）：38-41.

[2]曹崢.應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的五子棋人機(jī)對(duì)弈系統(tǒng)[J].軟件工程，2014（08）：03.

[3]吳四光.人機(jī)對(duì)弈的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].電子測試，2013（09）：35-36.

[4]毛麗民，朱培逸，盧振利.基于LabVIEW的五子棋博弈算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2016（05）：26-29.

Design of Gobang Human-computer System Based on PLC

YANG Xiao-qiang

（Chongqing creation vocational college, Yong chuan, Chongqing 402160, China）

This paper develops a Gobang human-computer system based on PLC to acquire the game information by visual system, make the decision by algorithm system, convert the data of ranks number through PLC, and make the six axis robot to complete the action finally. This paper focuses on the data conversion principle functioned by PLC in the whole system and the data connection and implementation between the upper and lower computer. The experiment proves that gobang human-computer system based on PLC has the characteristics of practicality, image and reliability.

gobang; chess robot; PLC

TP301.6

A

1008—6129（2018）01—0076—03

2018—01—05

楊小強(qiáng)（1983—），甘肅天水人，重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院，講師。