鄭增輝，劉 聰，劉 艷

（浙江大學(xué)城市學(xué)院，信息與電氣工程學(xué)院，杭州 310015）

0 引言

為普及機(jī)器人科學(xué)技術(shù)，培育學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外相繼出現(xiàn)了一系列的機(jī)器人競賽活動(dòng)。機(jī)器人競賽是一種高技術(shù)對(duì)抗活動(dòng)[1]，它涉及人工智能，智能控制、通信、傳感器、博弈論等多個(gè)領(lǐng)域前沿研究和技術(shù)，集技術(shù)性、娛樂性和競技性于一體，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注和極大興趣。

國際機(jī)器人賽事有始于1994年的國際機(jī)器人滅火比賽；始于1998年的國際機(jī)器人奧林匹克競賽、FLL機(jī)器人世錦賽等。國內(nèi)機(jī)器人競賽有始于1997年的中國RoboCup比賽，始于2000年的廣茂達(dá)杯中國智能機(jī)器人大賽；始于2004年的“江蘇大學(xué)生機(jī)器人大賽”；2016年開始的“浙江省大學(xué)生機(jī)器人競賽”。

機(jī)器人競賽催生了競賽用機(jī)器人的研究與生產(chǎn)，國內(nèi)外機(jī)器人企業(yè)很多，如國內(nèi)未來伙伴設(shè)計(jì)[2]的ASMF2010足球機(jī)器人，采用Cortex系列芯片，主頻可達(dá)72MHz，價(jià)格為1萬人民幣。上海英集斯自動(dòng)化技術(shù)有限公司[3]生產(chǎn)的Buddy Robot機(jī)器人，以STM32系列單片機(jī)為控制器，價(jià)格有9千多人民幣。美國生產(chǎn)的Sruveyor[4]公司生產(chǎn)的SRV-1履帶式移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人的價(jià)格2萬多人民幣。

國內(nèi)許多高校也開展了競賽用機(jī)器人的研究，電子科技大學(xué)萬永倫[5]介紹了一種競賽用全自動(dòng)機(jī)器人，用于參加首屆全國大學(xué)生機(jī)器人電視大賽“搶灘珠峰”比賽項(xiàng)目。蘭州理工大學(xué)王少峰[6]介紹了用于“飛思卡爾”杯智能車競賽的機(jī)器人。電子科技大學(xué)喻洪平[7]以ARM嵌入式處理器為核心，設(shè)計(jì)了參加亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽國內(nèi)選拔賽的機(jī)器人。合肥工業(yè)大學(xué)趙汝海[8]設(shè)計(jì)了基于凌陽16位單片機(jī)的機(jī)器人，參加CCTV機(jī)器人但是大賽“修建雙子塔”的比賽項(xiàng)目。賀龍豹[9]設(shè)計(jì)了一種用于“中國機(jī)器人大賽”的搬運(yùn)機(jī)器人，該競賽用機(jī)器人選用STC12C5A60S2 單片機(jī)作為微控制器，采用直流減速電機(jī)作為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，采取舵機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的方法來實(shí)現(xiàn)物料的夾取。

還有一些設(shè)計(jì)針對(duì)運(yùn)輸?shù)?，如光電傳感的移?dòng)搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[9]。

機(jī)器人競賽的目的是提高大學(xué)生多學(xué)科專業(yè)知識(shí)交叉、知行合一、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)創(chuàng)造和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，已有的這些機(jī)器人都是針對(duì)某一賽事而設(shè)計(jì)的，具有局限性；生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)的機(jī)器人都是已經(jīng)設(shè)計(jì)好的，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力起不到鍛煉作用，不能達(dá)到機(jī)器人競賽自主創(chuàng)新的主旨，而且價(jià)格也都偏高；已有的機(jī)器人側(cè)重于搬運(yùn)功能的實(shí)現(xiàn)，沒有體現(xiàn)出比賽中對(duì)抗的實(shí)現(xiàn)；隨著性能高價(jià)格低廉的器件的產(chǎn)生，針對(duì)以上問題，本文給出了適用于浙江省大學(xué)生機(jī)器人競賽創(chuàng)新組運(yùn)輸對(duì)抗賽機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)硬件和軟件方案。該設(shè)計(jì)能在成本較低的情況下能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)輸對(duì)抗的功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

運(yùn)輸對(duì)抗機(jī)器人的硬件系統(tǒng)由Arduino微控制器模塊、電源及降壓模塊、巡線模塊、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、撥碼開關(guān)等。根據(jù)比賽要求車體正投影不能超過出發(fā)區(qū)的30cm×30cm的方框。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 Arduino控制模塊

處理器采用Arduino Mega2560 R3開發(fā)板。Arduino Mega是一塊以ATmega2560為核心的微控制器開發(fā)板，本身具有54組數(shù)字I/O口input/output端（其中14組可做PWM輸出），16組模擬比輸入端，4組UART（hardware serial ports），使用16MHz crystal oscillator。Arduino Mega的供電系統(tǒng)有兩種選擇，USB直接供電或外部供電，電源供電將會(huì)自動(dòng)切換。此開發(fā)板的極限電壓范圍為6V～12V，但倘若提供的電壓小于6V，I/O口可能無法提供到5V電壓，因此會(huì)不穩(wěn)定；倘若提供的電壓大于12V，穩(wěn)壓裝置則會(huì)有可能發(fā)生過熱保護(hù)更有可能損壞Arduino Mega。

1.2 電源及降壓模塊

采用15V鋰電池進(jìn)行供電。根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、Arduino開發(fā)板、舵機(jī)、QTI傳感器的供電需求，需要提供12V、7V和5V三個(gè)檔位的電壓，12V電壓、7V電壓和5V電壓分別通過3個(gè)降壓模塊進(jìn)行降壓輸出獲得的。

1.3 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

小車車體的驅(qū)動(dòng)采用伺服電機(jī)完成。利用脈沖寬度調(diào)節(jié)波（Pulse Width Modulation，PWM）來控制輸入信號(hào)的極性，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，同時(shí)可以控制輸出電壓的有效值大小，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度以及快慢的問題。

采用歐鵬科技專為機(jī)器人優(yōu)化的L298專用芯片實(shí)現(xiàn)上述控制要求，該芯片設(shè)計(jì)穩(wěn)定，并且能同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，硬件實(shí)現(xiàn)也相對(duì)簡單。把Arduino開發(fā)板的數(shù)字I/O口3和4分別連接L298N的IN1和IN2的引腳，可以控制一路電機(jī)（右電機(jī)）的正反轉(zhuǎn)，當(dāng)3口為高電平，右電機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng)4口為高電平，右電機(jī)正轉(zhuǎn)；數(shù)字I/O口5和6分別連接L298N的IN3、IN4的引腳，控制另一路電機(jī)（左電機(jī)）正反轉(zhuǎn)，當(dāng)5口為高電平，左電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)6口為高電平，左電機(jī)反轉(zhuǎn)；數(shù)字I/O口2和7分別連接電機(jī)的使能端ENA、ENB，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，其內(nèi)部集成了4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。L298N輸出電流峰值可達(dá)2.5A。

1.4 傳感器模塊

1塊傳感器模塊可連接4路傳感器，每路有正極端、共地端、信號(hào)輸出端和TTL指示LED。1路連接Arduino開發(fā)板上的數(shù)字I/O口8；2路連接數(shù)字I/O口9；3路連接數(shù)字I/O口10；4路連接數(shù)字I/O口11。再用1塊傳感器模塊單獨(dú)連接第5個(gè)傳感器，并與Arduino開發(fā)板上的數(shù)字I/O口12相連。每路都有調(diào)節(jié)傳感器靈敏度的電位器。

1.5 QTI巡線傳感器

QTI巡線傳感器是一種紅外發(fā)射器/接收器，能夠區(qū)分低紅外反射的黑暗表面和高紅外反射率的光亮表面。內(nèi)嵌日光過濾器，防止日光干擾。采用5個(gè)QTI傳感器，分別連接至傳感器模塊的GVS引腳，通過檢測信號(hào)來不斷調(diào)整小車的巡線運(yùn)動(dòng)。

1.6 其他模塊

撥碼開關(guān)模塊采用直插式撥碼開關(guān)，采用0/1的二進(jìn)制編碼原理。該模塊主要用于控制對(duì)抗賽過程中對(duì)抗方案的選擇。手抓模塊用于放置雙倍磚（出發(fā)時(shí)帶在車體上），在比賽過程中，通過設(shè)計(jì)合適的路徑將雙倍磚放置到場地的圓盤上相應(yīng)的區(qū)域。鉤子模塊用于獲取圓盤中間一個(gè)方磚。釋放模塊用于將固定在車上的障礙紙片放置到場地中的某個(gè)位置以實(shí)現(xiàn)阻礙對(duì)方運(yùn)輸?shù)哪K。

2 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括：主程序、巡線程序以及各種對(duì)抗策略程序設(shè)計(jì)。主程序流程如圖2所示。運(yùn)輸對(duì)抗機(jī)器人開機(jī)后，根據(jù)撥碼開關(guān)狀態(tài)決定要執(zhí)行哪一套運(yùn)輸對(duì)抗的方案。

圖2 主程序流程圖

2.1 巡線程序設(shè)計(jì)

運(yùn)輸對(duì)抗機(jī)器人巡線程序流程如圖3所示。

圖3 一氧化碳濃度報(bào)警檢測任務(wù)處理程序流程圖

2.2 排名賽策略

排名賽單獨(dú)路線，拿到三綠三黃加雙倍共7個(gè)物塊，運(yùn)行時(shí)間21s，得分為23×2=46，比賽路線示意圖如圖4所示。

圖4 排名賽策略示意圖

2.3 對(duì)抗賽策略

設(shè)計(jì)兩套基本路線，在基本路線一基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩套對(duì)抗策略，在基本路線二基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套對(duì)抗策略；分別針對(duì)對(duì)方領(lǐng)先和子母機(jī)情況設(shè)計(jì)了兩套對(duì)抗策略。

基本路線一為搶到圓盤綠塊，三綠加一黃加雙倍，路線如圖5(a)所示；第一套策略以基本路線一為前提，出發(fā)沿路線拿到兩黃，總計(jì)為三綠三黃（完勝），得分為23×2=46，路線如圖5(b)所示；若在基本路線一上沒有搶到圓盤綠色，采取第二套策略，出發(fā)并沿路線到對(duì)方HOME區(qū)，偷取里面的物塊并運(yùn)回本方HOME區(qū)，分?jǐn)?shù)以實(shí)際情況為準(zhǔn)，路線如圖5(c)所示。

圖5 基本路線一及以其為基礎(chǔ)的對(duì)抗賽策略示意圖

若考慮到對(duì)方車速度快，采取基本路線二，直接運(yùn)行至對(duì)方HOME區(qū)前的十字路口，放置障礙紙片，當(dāng)對(duì)方車移動(dòng)到紙片上，擾亂其巡線。之后到圓盤左側(cè)放置雙倍塊，若途經(jīng)的物塊和圓盤中間綠塊還存在便得到其分?jǐn)?shù)，運(yùn)回HOME區(qū)，路線如圖6(a)所示。以基本路線二為前提的第三套對(duì)抗策略如圖6(b)所示，出發(fā)沿路線拿到一綠兩黃。

若車遇到障礙或巡線錯(cuò)誤，馬上申請重啟，考慮到對(duì)方拿到較多分?jǐn)?shù)，而己方落后的情況下，這時(shí)候采取第四套策略，從出發(fā)區(qū)出發(fā)并沿路線到對(duì)方HOME區(qū)，偷取里面的物塊并運(yùn)回本方HOME區(qū)，分?jǐn)?shù)以實(shí)際情況為準(zhǔn)，路線如圖7所示。

圖7 第四套策略

若對(duì)方為子母機(jī)，采用第五套策略，以最快速度搶到圓盤綠塊并直接回HOME區(qū)，然后去對(duì)方HOME區(qū)偷出物塊并停在第一個(gè)十字路口，阻礙其子機(jī)的搬運(yùn)，路線如圖8所示。

圖8 第五套方案示意圖

3 設(shè)計(jì)結(jié)果

設(shè)計(jì)完成的運(yùn)輸對(duì)抗機(jī)器人實(shí)物如圖9所示，機(jī)器人規(guī)格為：28×28，符合比賽規(guī)格要求。應(yīng)用此機(jī)器人參加浙江省大學(xué)生機(jī)器人競賽并獲得了運(yùn)輸對(duì)抗賽的三等獎(jiǎng)。

圖9 運(yùn)輸對(duì)抗機(jī)器人實(shí)物示意圖

4 結(jié)束語

針對(duì)“浙江省大學(xué)生機(jī)器人競賽”的創(chuàng)新機(jī)器人中運(yùn)輸對(duì)抗機(jī)器人項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款滿足比賽要求的機(jī)器人，提出了運(yùn)輸對(duì)抗機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)，圍繞運(yùn)輸對(duì)抗比賽要求，確定了以Arduino開發(fā)板為核心的運(yùn)輸對(duì)抗機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案，給出了運(yùn)輸對(duì)抗機(jī)器人得到硬件設(shè)計(jì)方案及多種對(duì)抗策略。該機(jī)器人成本低、易于推廣普及、可以與單片機(jī)課程教學(xué)相結(jié)合，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。

比賽過程中出現(xiàn)的問題分析如下：一是場地適應(yīng)性。由于學(xué)校所采用的場地是噴繪地圖，而真正比賽場地是用啞光漆刷涂的場地，這需要長時(shí)間的適應(yīng)場地的調(diào)試；二是臨場應(yīng)對(duì)策略。要根據(jù)比賽中對(duì)手的運(yùn)輸對(duì)抗策略及時(shí)調(diào)整，這需要隊(duì)員對(duì)機(jī)器人硬件和軟件的設(shè)

【】【】計(jì)了如指掌；三是速度有待提高。換用更大的電機(jī)和硬度更高的車輪；四是針對(duì)比賽過程中機(jī)器人碰撞問題，可以考慮計(jì)避障模塊以解決此問題。

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