轮式自主格斗机器人的设计.pdf
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1、Microcomputer Applications Vol.39,No.8,2023文章编号:10 0 7-7 57 X(2023)08-0165-04研究与设计轮式自主格斗机器人的设计微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第8 期梁建勇(安康学院,电子与信息工程学院,陕西,安康7 2 50 0 0)摘要:轮式自主格斗机器人是中国智能机器人格斗及竞技大赛的重要比赛类目,机器人要实现自主登台、自动巡航、寻敌攻击、掉落后重新登台等众多功能,比赛全程无人工干预。作者将参赛机器人划分为机械、控制、传感器、驱动四大模块,以多种传感器采集信息,实现场地环境判断和敌方目标感知,完成协同控制和高功率驱动。经
2、实战测试表明,该机器人攻防灵活,场地适应性强,能顺利完成自主性任务和对抗动作,达到比赛要求。关键词:轮式机器人;自主格斗;STM32;测敌系统中图分类号:TP242(College of Electronics and Information Engineering,Ankang University,Ankang 725000,China)Abstract:The wheeled autonomous fighting robot is an important competition category of Chinese intelligent robot fighting andcom
3、petitive competition.The robot should realize many functions,such as independent stage,automatic cruise,enemy searchattack,re stage after falling,and so on.There is no manual intervention in the whole competition.In this paper,the partici-pating robots are divided into four modules:machinery,control
4、,sensor and drive.A variety of sensors are used to collect in-formation,realize the judgment of site environment and enemy target perception,and complete cooperative control and high-power drive.The actual combat test shows that the robot has flexible attack and defense,strong field adaptability,can
5、 success-fully complete autonomous tasks and confrontation actions,and meets the competition requirements.Key words:wheeled robot;autonomous fighting;STM32;enemy detection system0引言中国智能机器人格斗及竞技大赛从2 0 0 8 年开始每年举办一届,推动了AI、机器人技术在广大青年中的普及发展,培养和选拔了创新型高端科技人才,受到各界的广泛关注,具有较大的行业和社会影响力。在比赛中两个完全自主的机器人借助自身的传感器感
6、知周围环境并发现敌人,把对方击打出播台,比赛中机器人需要完成自主上台,感知播台边缘,掉台后调整姿态重新上台,发现敌人并调整姿态进行格斗。比赛具有极好的创新性和观赏性1-3。本文根据大赛中轮式自主格斗的比赛任务,对轮式机器人的设计和控制进行研究,将其分为四个模块:机械模块、主控模块、传感器采集模块、驱动模块,完成了硬件和软件的设计与调试,系统整体达到预期要求。1比赛环境与规则参赛机器人需要结合比赛场地进行设计。比赛播台安放于一个高度为50 cm,边长为38 0 0 mm的平台上。比赛播台边长为2 40 0 mm,高为6 0 mm的正方形矮台,台上表面即为比赛场地。底色从外侧四角到中心分别为纯黑到
7、纯白渐变的灰度。出发区用正蓝色和正黄色颜色涂敷,尺寸为500mmX400mm,距离播台边缘2 0 0 mm。比赛双方机器人作者简介:梁建勇(198 1一),男,硕士,讲师,研究方向为计算机软件与理论。165文献标志码:ADesign of Wheeled Autonomous Fighting RobotLIANG Jianyong同时从两个出发区自主登上播台。播台下为纯黑场地,机器人被击打出播台后,需要在规定时间内在此区域调整姿态重新登台,场地被黑色的围栏围起,比赛开始后参赛人员不允许进入围栏内,播台的中间为一个正方形的区域,底色为红色,并且写着一个白色的“武”字,彰显比赛的格斗特色。播台场
8、地如图1所示。参赛双方的自制机器人自主实现登台,识别敌人后格斗搏击,模仿其传统播台的规则,两个机器人相互博打、推挤。在比赛中有一方机器人被击打出播台的区域会给对方加分,比赛结束后对比分数。如果格斗中因自身设计的问题导致图1插台场地Microcomputer Applications Vol.39,No.8,2023不能继续进行比赛,那么另一方机器人获胜4。为了提升比赛的智能化,除了搏斗过程之外,该比赛增加了一些技术要求,比如机器人自主登台,掉台后自主识别位置重新登台等。一方面可以提升比赛的精彩程度,另一方面则对参赛机器人也提出了更高的技术要求。因此,如何实现机器人自主登台,如何识别播台边缘完成
9、自主刹车,如何实现被击打出播台后重新登台,这都需要硬件选取和程序设计两方面共同实现,针对这些关键问题,本文也提出了相应的解决方案。2整体方案本文中参赛机器人可划分为四个模块。控制模块。采用STM32F103ZET6主控芯片,该主控芯片可以很好地满足本文机器人算法执行、传感器信号处理、电机驱动控制等要求,具有高速处理和及时快速的反应;同时具备大内存,保证执行算法的容量要求;也具备丰富的ADC通道获取众多传感器发送的信息。驱动模块。选用2 个大电流驱动IBT-2驱动,结合四个24V的Z字形减速电机3 8 5型,组成机器人动力系统的四驱动力模式,实现机器人动力系统。传感器模块。使用1个灰度传感器(a
10、naloggrayscalesensor)用于探测插台上下,14个红外传感器(Sharp2Y0A02)进行敌人探测和自主上台触发,3个光电传感器(BGS-2S15CP)实现播台边缘识别与掉台姿态调整,通过各类传感器结合机械设计的相应位置进行摆放组成本文整个机器人的传感器模块,该模块的调试也是整个系统中最为复杂的。机械模块。车体底板通过CAD软件和三维设计软件进行设计,使用激光切割机进行一体化的切割,经折弯机塑造车体。本文选用2 4V2800maAH锂电池提供电源,通过降压模块为机器人控制系统和驱动系统提供5V电源和2 2.2 V的驱动电源。3硬件设计机器人整体设计为车形,满足激烈对抗对灵活性的
11、要求,车轮方面选用直径为6 7 mm,宽度为2 0 mm的硅胶轮胎,该轮胎具备良好的耐磨性,有优异的防震能力与抓地能力,可以使机器人运行稳健灵敏,在对抗中有很好的抓地能力。3.1机械模块机器人车体的底板选择厚度为2 mm的30 4不锈钢钢板,该材料表面光滑平整,适合本文机器人的尾部自主上台设计。同时也符合对抗性机器人对车体的硬度要求,保证在对抗中车体不发生形变,保护内部元器件。1)前铲结构前叉是机器人的攻击工具,在对抗中要尽可能地与地面贴合,为此设计减小了铲子的长度,增加了其角度。铲子总长2 54mm,宽9 8 mm,夹角为35。为了增加对抗中的稳定性,铲子上台落下贴于地面后,会在重力的作用下
12、被底盘上的铁片固定。并且前铲与车体连接有两个90 的弯角,保证在对抗中不会被铲起。研究与设计2)顶盖结构车内有很多的传感器器件和电路,但比赛又很激烈,为了避免车内元器件受到破坏,需要设计顶盖进行保护,同时要尽可能降低车体重心,因此本文采用1.5mm的铝板,同时满足减轻车体重量和保护车体的要求。顶盖是长为235mm,宽为16 6 mm的米字形顶盖,高度为35mm,四角固定于马达上。由于光电传感器安置在顶盖上面,因此孔的长度为6 0 mm,宽为30 mm,与后侧马达相平行处。3)底盘设计机器人需要克服播台的高度,自行快速稳定地登上播台,因此设计登台方案非常关键。登台的成功和比分是直接联系的,因此要
13、完成比赛中稳定上台,且在掉台后可以快速重新上台的登台方案。采用大车轮设计会使重心提高,容易被对手推下播台,同时转向也不灵活,会产生车轮处的识别盲区。添加辅助装置,帮助机器人爬上播台,如(舵机和机械爪子)会占用其他元器件的安装空间,同时对稳定性有较大影响5。本文在底板上设计登台方案,通过在车体尾部加上一块平板,本质是同车体的一块钢板,通过折弯机将其转换为弧形或者平板,直接置于车的底部,弯曲角度通过实验定为607 0 左右。比赛时机器人用尾部朝向播台进行上台,自身提供一定的速度,通过尾部接触播台的惯性滑越上台,不需要添加其他的动力设备和机械装备,对于空间和重心都不会有任何的影响。小车底盘长2 35
14、mm,宽2 6 0 mm,底盘高15mm,可以保证在上台时不会被卡住。侧方防护板长2 0 6 mm,高39mm。后方用于撞击的斜坡设计为弧度型,利于上台。斜坡垂直距离56 mm,水平长度35mm,弧度为6 4度。灰度传感器分别放置于中间,切口为凸字形。底板无螺丝钉,防止被卡住。底盘设计如图2。图2 底盘设计3.2控制模块控制模块在比赛中负责算法执行、传感器信号处理、电机驱动控制等任务。为此该模块需要高速处理能力来保证激烈格斗的快速反应;要有大内存保证执行算法策略的容量要求;有丰富的ADC通道来搭配各种传感器,完成信息转换。为此本文选取STM32F103ZET6,该系列的板载资源丰富,具备112
15、 个IO口、512 k的FLASH和6 4k的SARM,其丰富的外设接口,如USB、CA N、SPI 等,可满足各种外设器.166.微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第8 期Microcomputer Applications Vol.39,No.8,2023件的搭配C6-7。3.3传感器模块1)光电传感器实现巡航目前很多传统非标车依靠灰度巡航,但是灰度传感器的检测范围比较小,要完成灰度巡航,一般需要四个灰度传感器。而灰度传感器对场地的适应能力不强,播台表面喷绘刮破,打印标准不统一,场地光照情况不同等因素都会影响灰度值读取。在比赛前需要大量时间进行现场调试,会增加很多工作量。本文在车体的两
16、侧安装光电传感器(BGS-2S15CP)调节光电对管传感器的电位器,实现在播台边缘,当光电传感器照射到播台底部时,返回值发生跳跃变化,实现播台边缘的检测,本文的机器人使用光电巡航,效果非常好,对于场地的适应能力很强,在赛前不需要进行播台边缘识别程序的调试和ADC灰度数据的采集。该方案通过实战检测,场地适应能力强大,效果很好8 。2)红外测距传感器测敌为了全方位的锁敌,本文的机器人的测敌传感器使用了14个红外传感器(Sharp2Y0A02),摆放位置如图3。左右两面需要检测范围较大,因此分别安放三个红外,以扇形分布,检测范围达140,加上前左、前右、后左、后右的红外传感器,实现两侧18 0 检测
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