RM哨兵自動巡航與反擊控制系統的研究

郭育暢 徐洪博 姜麗

摘要：隨著Robomaster比賽重視度的逐漸升高，各路參賽隊伍都在積極研發機器人可以實現的各種功能，其中對于RM哨兵系統的研發廣受各路參賽隊伍的關注。為了解決哨兵的自動巡航和反擊問題，本文提出了基于mini pc和inter REALSENSE D435i的反擊和自動躲避巡線技術。該系統實現處于高速閃避同時可以進行反擊的性能需求，大大增強了哨兵的存活能力，并且提高了哨兵的戰斗能力。

關鍵詞：Robomaster;哨兵機器人;自動巡航

0 引言

近年來，伴隨著Robomaster比賽規模的日益壯大，關于升級機器人比賽強度的技術越來越受到各路參賽隊伍的重視，其中Robomaster哨兵機器人的自動巡航和反擊技術一直是哨兵機器人研究的熱點。對自動巡航與反擊系統的研究，其目的在于使哨兵機器人在無人干預的條件下自動躲避敵方單位的攻擊并且攻擊敵方單位的裝甲板以用來削減敵方單位。

現有的哨兵機器人常用的自動巡航系統有變速巡航、變加速度巡航和無序巡航三種模式，但均存在一定的缺點。

（1）無法進行有計劃性的躲避，只能被動的通過移動來進行躲避敵方的子彈。

（2）只能適用于一些沒有強大輔瞄的隊伍進行戰斗，一旦敵方輔瞄解算到巡航的軌跡，那么此時的哨兵就如同靶子一般。

（3）哨兵的自動巡航會直接影響哨兵的自動打擊。

本文描述的哨兵機器人采用inter REALSENSE D435i來對敵方單位進行3D建模同時使用mini pc來處理3D建模的數據，再將處理完的數據通過串口發回主控板以用來控制電機。此項巡航技術可進行有機會的規避，不再是以被動方式進行移動，并且可以克制大多數輔助瞄準系統。系統具備巡航算法復雜、移動目的精準、容錯率高的優點，非常適合應用于robotmaster比賽中。

1功能需求

哨兵機器人負責基地的防守，對來犯敵方機器實施自動反擊。兵種優先級為Ⅲ。作為負責基地的防守守衛，對來犯敵方機器實施自動反擊及前哨站的存在對基地的安全有直接關系。其關鍵技術有如下幾個方面：

（1）速度。運動速度對直線軌道尤為重要，需要在不超功率的情況下使其達到最大速度。

（2）體型。在具備所有基本功能的情況下其體型應做到盡可能小。采用單雙軸云臺設計，來減小其目標體型。

（3）自動識別及射擊。采用NUC妙算視覺處理。

2 結構設計

哨兵機器人其yaw軸能達到360°的覆蓋范圍，pitch軸最大可以達到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，進行了50發彈丸3米連發測試。通過目前測試情況來看，雖然測試命中率較高，但是其彈道相對發散。

哨兵的主要攻擊需要依靠云臺來進行，所以在云臺設計中運用了榫卯結構進行改進，穩定性遠遠大于通過螺絲連接的穩定性，并且該結構在質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，通過深度攝像頭來進行自瞄，做到打擊精準化，能夠完成更高效的打擊和防守，使其在攻擊范圍內的命中率提高。

上拉承重板是將哨兵總體與軌道掛起起來的機械元件，承受著整車的重量，需要對其進行有限元分析來確保強度和剛度。通過 Solidworks的Simulation模塊，對底盤關鍵零部件進行有限元分析，得到靜應力狀態下關鍵零部件的應力云圖、位移云圖，根據變形情況確定零件強度剛度是否符合要求[1]。

3 視覺識別

自動巡線和反擊的基礎在于對視覺信息的處理，所以視覺信息的處理是研究哨兵自動巡航的關鍵。本方案選用inter REALSENSE D435i深度相機。此相機基于雙目立體視覺的深度相機，類似人類的雙眼。它與基于TOF、結構光原理的深度相機不同，它不對外主動投射光源，完全依靠拍攝的兩張圖片（彩色RGB或者灰度圖）來計算深度，因此有時候也被稱為被動雙目深度相機[2]。

在理想狀態下，相機內參完全相同的左、右2個攝像頭都可以滿足立體成像，并且兩攝像頭在世界坐標中z軸數值相等。左攝像頭的坐標為，其對應的平面坐標為，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;右攝像頭的坐標系為，其對應的平面坐標系為，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，為光軸與右攝像機成像平面的交點。在空間中任取一點P（X，Y，Z），點P在左右攝像機上的成像點分別以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來進行Elas算法進行立體匹配，匹配到敵方槍管后進行角度解算和角度分析，見式1-1和圖2。將敵方的槍口角度解算后將數據通過串口發回給主控板，再由主控板通過CAN線控制電機，從而實現自動巡航功能[3]。

4實施方案

首先設計機械圖紙，設計出合理的機械結構，然后對原材料的選擇，根據材料的不同采取不同的加工方式，對哨兵進行制作，并做出哨兵機器人的運行軌道。最后對整車進行測試，通過人工控制規劃好其運行軌跡以及攻擊目標，編程控制使其可以自動達成預先規劃的運動，繼續優化。

5 結論

通過調試以及實際成果的展現，本文設計的哨兵的自動巡航以及反擊系統取得了很大的進展，主要解決了以下問題，有望在比賽中發揮作用。

（1）哨兵軌道不光滑問題。為了使機器人順利移動，改進了硬件結構，使用軸承或者輪子來減小摩擦力，同時合理安裝限位裝置（Caging Device）。

（2）運行速度和范圍問題。通過改進發射結構提高射程以及在軌道運行的速度和范圍，實現哨兵可以在靜止或者在軌道上全自動運行，并提高哨兵的射程范圍達到8-10m。軟件設計中考慮重力的下落，實現了動態的彈道補償。

（3）瞄準定位問題。明確雙目相機的安裝位置，解決哨兵的視覺死角，利用哨兵自身位置和相機角度確定瞄準的位置，通過擬定特殊區域進行設計，對不同高度設置相應的歸零點的實際調零。

參考文獻

[1]方青松，朱國魂，歐勇盛.基于光斑室內移動機器人的定位導航技術[J].微型機與應用，2012，31（24）：51-53+57.

[2]宋楚軒.室內移動機器人的定位導航技術[J].中國新通信，2018，20（02）：73.

[3]易文泉，趙超俊，劉瑩.移動機器人自主定位與導航技術研究[J].中國工程機械學報，2020，18（05）：400-405.

作者簡介：郭育暢，（2000—），大學本科，現就讀于遼寧石油化工大學。

基金資助：遼寧省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目，項目編號2020101480075