司　飆

(滇西科技師范學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)系，云南 臨滄 677000)

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一種武術(shù)擂臺(tái)賽機(jī)器人的漫游策略分析

司飆

(滇西科技師范學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)系，云南 臨滄 677000)

摘要：多次測(cè)試實(shí)踐表明，擂臺(tái)機(jī)器人的漫游直接影響到后期的機(jī)器人對(duì)抗.通過對(duì)機(jī)器人漫游的測(cè)試和分析，提出漫游優(yōu)化策略，為機(jī)器人對(duì)抗設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞：擂臺(tái)機(jī)器人；漫游；策略；環(huán)境探測(cè)；決策；測(cè)試反饋

0引言

近年來，機(jī)器人技術(shù)在國(guó)內(nèi)各大高校大面積地推廣和普及，主要體現(xiàn)在各類機(jī)器人競(jìng)賽上，而機(jī)器人武術(shù)擂臺(tái)賽是一個(gè)常規(guī)比賽項(xiàng)目.各高校研究機(jī)器人以自主運(yùn)動(dòng)形式在擂臺(tái)上競(jìng)技，體現(xiàn)了高校對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)能力，涵蓋了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)的能力[1].

1背景和意義

本文提出的擂臺(tái)機(jī)器人漫游策略，是基于在擂臺(tái)范圍內(nèi)的機(jī)器人漫游.擂臺(tái)是一個(gè)有限的空間環(huán)境，把漫游的空間界定到有邊界的范圍內(nèi)，縮小了機(jī)器人的探測(cè)環(huán)境，研究漫游策略是可行的.

漫游策略分為環(huán)境探測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分.通過窮舉擂臺(tái)內(nèi)可能出現(xiàn)的環(huán)境變量，確定機(jī)器人機(jī)構(gòu)的執(zhí)行動(dòng)作，完成擂臺(tái)上的漫游、避障、攻擊等行為.本文提出一種漫游的優(yōu)化，為機(jī)器人擂臺(tái)競(jìng)技提供多樣的競(jìng)技策略.

2問題抽象

本文研究對(duì)象為四輪差動(dòng)式機(jī)器人模型，基于此模型的環(huán)境探測(cè)器件包括了紅外光電傳感器、紅外測(cè)距傳感器、灰度傳感器；執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括四輪舵機(jī)；控制器為avr單片機(jī)，提供8路的IO信號(hào)，8路的AD信號(hào)，8路的舵機(jī)信號(hào)；擂臺(tái)環(huán)境為黑白漸變、高度為30 cm的平面擂臺(tái)，以白色中心為圓心，擴(kuò)散到黑色邊緣的漸變規(guī)則，主要特點(diǎn)是便于灰度傳感器的采樣[2].

機(jī)器人模型中，把各類傳感器信號(hào)作為數(shù)據(jù)輸入量，把舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)作為數(shù)據(jù)輸出量，以此構(gòu)成完成的機(jī)器人漫游動(dòng)作.紅外光電傳感器為數(shù)字輸入量，取值為0和1.紅外測(cè)距傳感器為模擬輸入量，根據(jù)光線反射強(qiáng)度取值，障礙越近，反射強(qiáng)度越強(qiáng)，取值越大；障礙物越遠(yuǎn)，反射強(qiáng)度越弱，取值越小.取值越大，說明機(jī)器人離障礙物越近，反之，離障礙物越遠(yuǎn).灰度傳感器為模擬輸入量，根據(jù)光線對(duì)黑色反射量取值，黑色深度越深，反射強(qiáng)度越弱，取值??；黑色深度越淺，即為灰色或白色，反射強(qiáng)度大，取值大.取值小，說明機(jī)器人離擂臺(tái)邊緣近，反之，說明機(jī)器人靠近擂臺(tái)中央.

舵機(jī)用于設(shè)計(jì)機(jī)器人輪式底座，是擂臺(tái)漫游的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分為左側(cè)和右側(cè)兩組，每組兩個(gè)舵機(jī)，左右兩側(cè)以差動(dòng)力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向.舵機(jī)取值決定轉(zhuǎn)速，取值越大，轉(zhuǎn)速越快，取值越小，轉(zhuǎn)速越慢；取值為正，正向轉(zhuǎn)速，取值為負(fù)，反向轉(zhuǎn)速.

根據(jù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，左側(cè)舵機(jī)和右側(cè)舵機(jī)為鏡像關(guān)系，即若要實(shí)現(xiàn)前進(jìn)動(dòng)作，左側(cè)舵機(jī)和右側(cè)舵機(jī)取值是相反的.表1描述了舵機(jī)運(yùn)動(dòng)和取值的一般規(guī)律.

表1中，表述的差動(dòng)轉(zhuǎn)速輪式機(jī)器人舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律，指的是當(dāng)左右兩側(cè)速度取值相同的情況下，通過改變符號(hào)實(shí)現(xiàn)4個(gè)方向的運(yùn)動(dòng).此外，當(dāng)左右兩側(cè)速度不相同時(shí)，要考慮的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就不能單純地理解為一般規(guī)律，需要參考前一個(gè)動(dòng)作軌跡確定當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)方案.

表1　舵機(jī)運(yùn)動(dòng)一般規(guī)律

注：前進(jìn)運(yùn)動(dòng)以左側(cè)舵機(jī)組取正值為基準(zhǔn)；“+”代表取正值，“-”代表取負(fù)值.

3漫游策略

漫游策略的設(shè)計(jì)需要采集傳感器的環(huán)境探測(cè)，分析當(dāng)前機(jī)器人在擂臺(tái)上的位置，然后為輪式舵機(jī)做出運(yùn)動(dòng)決策，保證機(jī)器人能夠在擂臺(tái)上漫游，而不會(huì)掉下擂臺(tái).

3.1環(huán)境探測(cè)設(shè)計(jì)

擂臺(tái)環(huán)境探測(cè)主要采用各類傳感器采集擂臺(tái)的環(huán)境，為機(jī)器人漫游決策提供充足、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考.環(huán)境探測(cè)分為邊緣探測(cè)、障礙物(敵人)探測(cè)兩類.本漫游策略重點(diǎn)研究的是邊緣探測(cè)，對(duì)于障礙物探測(cè)不再贅述.

邊緣探測(cè)使用紅外光電傳感器為主要探測(cè)器件，根據(jù)機(jī)器人設(shè)計(jì)的一般特性，可以在機(jī)器人形體結(jié)構(gòu)上安放4個(gè)傳感器[3]，安放位置分別為左前方、右前方、左后方、右后方，如圖1(a)所示.

圖1　輪式機(jī)器人的傳感器抽象設(shè)計(jì)圖 Fig.1　Sensor design of wheeled robot

圖1(b)側(cè)視圖中，用虛線表示紅外光電傳感器射出的光束，此光束如果能探測(cè)到擂臺(tái)平面，說明機(jī)器人處于擂臺(tái)上；如果光束沒有探測(cè)到擂臺(tái)平面，說明機(jī)器人可能處于擂臺(tái)的邊緣，則需要采取相應(yīng)的動(dòng)作，避免掉下擂臺(tái).光束與擂臺(tái)平面的夾角代表了機(jī)器人距離邊緣的緩沖區(qū)，夾角越大，緩沖區(qū)越小，夾角越小，緩沖區(qū)越大.

3.2環(huán)境探測(cè)分析

設(shè)計(jì)中，在機(jī)器人上安放了4個(gè)傳感器，理論上應(yīng)該有24種探測(cè)到邊緣的情況，但是排除一些無效的探測(cè)組合，實(shí)際上有效的探測(cè)邊緣有8種情況，前方3種，后方3種，左側(cè)1種，右側(cè)1種.根據(jù)機(jī)器人漫游規(guī)律，在擂臺(tái)上，機(jī)器人應(yīng)該是以前進(jìn)作為基本運(yùn)動(dòng)，那么探測(cè)前方邊緣是頻率較高的，所以前方探測(cè)邊緣的3種情況是很重要的.而后方探測(cè)邊緣可為特殊情況下的檢驗(yàn)條件，例如死角情況下，需要聯(lián)合前方和后方的探測(cè)情況進(jìn)行決策.

圖2　漫游算法流程圖 Fig.2　Flow chart of roaming algorithm

3.3決策與執(zhí)行

決策與執(zhí)行指的是探測(cè)到邊緣后，機(jī)器人應(yīng)該改變運(yùn)動(dòng)軌跡以保證在擂臺(tái)上漫游.決策與執(zhí)行的前提條件是機(jī)器人的漫游基本運(yùn)動(dòng)為前進(jìn)，在前進(jìn)中探測(cè)邊緣情況，然后做出決策，并控制輪式舵機(jī)執(zhí)行差動(dòng)轉(zhuǎn)向[4].具體決策與執(zhí)行如下：

1)左前方探測(cè)到邊緣：后退→右轉(zhuǎn)→前進(jìn)；

2)右前方探測(cè)到邊緣：后退→左轉(zhuǎn)→前進(jìn)；

3)前方兩側(cè)同時(shí)探測(cè)到邊緣：后退→掉頭→前進(jìn).

3.4算法設(shè)計(jì)

漫游設(shè)計(jì)中，機(jī)器人總是在擂臺(tái)上無休止地保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以算法應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)死循環(huán)，讓機(jī)器人保持運(yùn)動(dòng)，在死循環(huán)里探測(cè)邊緣，調(diào)整運(yùn)動(dòng)軌跡，達(dá)到漫游的效果.算法流程如圖2所示.

圖2中，探測(cè)邊緣模塊，主要是調(diào)用底層函數(shù)，獲取單片機(jī)上對(duì)應(yīng)通道中的紅外光電傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷出探測(cè)邊緣的情況；轉(zhuǎn)向模塊需要根據(jù)探測(cè)邊緣的情況，做出轉(zhuǎn)向決策；轉(zhuǎn)向結(jié)束后，進(jìn)入前進(jìn)模塊，前進(jìn)模塊控制輪式舵機(jī)向前滾動(dòng)，前進(jìn)模塊結(jié)束后，進(jìn)入下一個(gè)探測(cè)周期，完成漫游.需要說明的是，前進(jìn)模塊的延時(shí)短，則機(jī)器人的靈敏度高，反之靈敏度低；而轉(zhuǎn)向模塊的延時(shí)長(zhǎng)短則取決于轉(zhuǎn)向的角度，延時(shí)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)向角度大，反之，轉(zhuǎn)向角度小[5].

4測(cè)試反饋

根據(jù)漫游策略設(shè)計(jì)，構(gòu)建輪式擂臺(tái)機(jī)器人的形體結(jié)構(gòu)，并編寫機(jī)器人的執(zhí)行程序.把設(shè)計(jì)好的機(jī)器人方案放到擂臺(tái)上測(cè)試，觀察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡.

經(jīng)過多次測(cè)試分析，不難得出當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的速度和延時(shí)固定，轉(zhuǎn)向的速度和延時(shí)固定，那么在不受外力干擾的情況下，機(jī)器人會(huì)在擂臺(tái)上圍繞一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的軌跡進(jìn)行漫游.另外，通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)有些因素會(huì)影響到機(jī)器人漫游的穩(wěn)定性，這些因素包括輪式舵機(jī)的穩(wěn)固性和一致性、機(jī)器人的重量、轉(zhuǎn)向的延時(shí)、電池的續(xù)航能力等.

5策略優(yōu)化

根據(jù)測(cè)試反饋，有必要對(duì)漫游設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，讓機(jī)器人漫游表現(xiàn)得更好，以便為后期的擂臺(tái)對(duì)抗奠定基礎(chǔ).對(duì)漫游策略的優(yōu)化分為硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化、運(yùn)動(dòng)邏輯優(yōu)化和性能優(yōu)化.

硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，一是對(duì)輪式舵機(jī)的支架進(jìn)行穩(wěn)固和檢查，保證輪式舵機(jī)安裝穩(wěn)固，并且要確保輪子安裝在同一個(gè)水平線上，這樣才能消除輪子之間的阻力；二是對(duì)前后輪的軸距進(jìn)行測(cè)量，若軸距過短，則平衡性稍差，若軸距過長(zhǎng)，則轉(zhuǎn)向靈活性稍差，選擇適當(dāng)?shù)妮S距，需要做多次測(cè)試，反演推導(dǎo)來確定.

運(yùn)動(dòng)邏輯優(yōu)化，是對(duì)機(jī)器人在擂臺(tái)上漫游軌跡進(jìn)行優(yōu)化，若不受外力干擾，漫游的軌跡基本是穩(wěn)定的，但也是由于這樣的穩(wěn)定，顯得運(yùn)動(dòng)軌跡有些單一，為后期的擂臺(tái)對(duì)抗留下隱患.通過多次測(cè)試可知，當(dāng)左側(cè)傳感器檢測(cè)邊緣6次后，機(jī)器人右轉(zhuǎn)向，基本能夠圍繞擂臺(tái)走完一圈.優(yōu)化時(shí)，可以設(shè)定一個(gè)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)左側(cè)傳感器檢測(cè)到邊緣的次數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到6時(shí)，證明機(jī)器人已經(jīng)走了一圈，此時(shí)再給出一個(gè)不一樣的轉(zhuǎn)向，從而改變了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，使得漫游軌跡更多樣化.

性能優(yōu)化，一是考慮機(jī)器人的體重：體重輕，運(yùn)動(dòng)靈活，體重過重，顯得笨重，但是為了后期的擂臺(tái)對(duì)抗，過輕的體重也不利于對(duì)抗，各項(xiàng)綜合，一般控制在3.5 kg～4.0 kg范圍內(nèi)；二是考慮電池的續(xù)航能力：電力弱時(shí)，常常表現(xiàn)為轉(zhuǎn)向不足、運(yùn)動(dòng)緩慢，只有保持充足的電力，才能反映出準(zhǔn)確的參數(shù)取值，所以，應(yīng)該準(zhǔn)備兩塊電池，隨時(shí)替換.

6總結(jié)

漫游是擂臺(tái)機(jī)器人設(shè)計(jì)的第一步，但是在設(shè)計(jì)時(shí)往往不受到重視，導(dǎo)致后期的對(duì)抗設(shè)計(jì)無法順利完成，返工的案例比比皆是.本文通過多次測(cè)試實(shí)踐，總結(jié)了影響漫游的因素，提出了漫游優(yōu)化策略，為擂臺(tái)機(jī)器人對(duì)抗設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，提高設(shè)計(jì)的效率和穩(wěn)定性.

參考文獻(xiàn)

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[5]趙寶森.對(duì)抗機(jī)器人擂臺(tái)定位設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù), 2015(4):95-97.

Analysis on Roaming Strategy in Contest Robot

SI Biao

(DepartmentofInformationScienceandTechnology，DianxiScienceandTechnologyNormalUniversity,Lincang677000,China)

Abstract:According to many tests, the roaming of robot directly affects the robot combat in last period. Through the test and analysis on robot roaming, the optimization of roaming strategy is put forward, which lays the foundation for the design of robot.

Key words:contest robot; roaming; strategy; environment detecting; strategic decision; test feedback

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-0834(2016)01-0013-03

doi：10.3969/j.issn.1007-0834.2016.01.004

作者簡(jiǎn)介：司飆(1982—)，男，云南彌渡人，滇西科技師范學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)系講師.

基金項(xiàng)目：云南省教育廳科學(xué)研究基金一般項(xiàng)目(2013y098)

收稿日期：2015-12-08