创意之星机器人开发案例

创意之星机器人开发案例 创意之星机器人开发案例 案例四 擂台赛机器人(无差别组) 4.1 任务1:目标分析与 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 本案例主要目的是带您搭建出一台能够参加无差别组的擂台赛机器人，您可以用它来参加机器人擂台赛，同时掌握这个环节所展现出来的机器人技术。 4.1.1 熟悉比赛规则 竞赛目的:机器人擂台赛的目的在于促进智能机器人技术(尤其是自主识别、自主决策技术)的普及。参赛队需要在规则范围内以各自组装或者自制的自主机器人互相搏击，并争取在比赛中获胜，以对抗性竞技的形式来推动相关机器人技术在大学生、青少年中的普及与发展。 机器人擂台赛未来的发展目标是:比赛中，两个使用双腿自主行走的仿人形机器人互相搏击并将对方打倒或者打下擂台。 竞赛内容概述:在指定的擂台上有双方机器人和5个中国象棋棋子。 双方机器人模拟中国古代擂台搏击的规则，互相击打或者推挤。如果一方机器人整体离开擂台区域或者不能再继续行动，则另一方获胜。如果双方均未离开擂台且都能自主移动，则在比赛时间结束后，推下擂台上象棋棋子数量多的一方获胜，否则双方判为平局。 比赛场地(即擂台，如图4.1大小为长、宽分别为是2400 mm，高150mm的正方形矮台，台上表面即为擂台场地。底色从外侧四角到中心分别为纯黑到纯白渐变的灰度。 场地的两个角落设有坡道，机器人从出发区启动后，沿着该坡道走上擂台。场地四周0.5米处有高400mm 高的方形白色围栏。比赛开始后， 围栏内区域不得有任何障碍物或人。 图4.1 擂台赛场地示意图 规则分析:我们需要吃透比赛规则，然后才能在比赛规则允许的范围内，尽量让我们的机器人具有别人不具有的优势。对上述的比赛规则分析得到以下几个重点: 1、分为无差别组和仿人组，本章只讨论无差别组。 2、需要从擂台外的出发区上坡进入擂台。 3、需要确保自己不掉下擂台。 4、需要能够找到棋子或者敌方。 5、需要能够推动敌方，将敌方推下擂台。 6、需要能够将棋子推下擂台。 7、需要避免自己被敌方推下擂台。 4.1.2我们的对策 根据比赛规则提炼出来的几个要点是我们进行比赛机器人设计的依据。 1、自动上坡，到达比赛场地。 可以采用两种方式实现爬坡行为: 定时方式:根据场地调试，设置合适的机器人速度和延时，让机器人进行自行爬坡; 传感方式:安装传感器或者摄像头，通过区分斜坡和场地的颜色来实现。 其中定时方式较为简单，传感方式较难。对于无差别组机器人来说，采用这种方式即可。 2、需要确保自己不掉下擂台。 需要有传感器进行擂台边沿检测，当发现机器人已经靠近边沿立刻转弯或者掉头。擂台和地面存在比较大的高度差，我们通过测距传感器很容易发现这个高度落差，从而判断出擂台的边沿。如图4.2所示，在机器人上安装一个测距传感器，斜向下测量地面和机器人的距离，机器人到达擂台边沿时，传感器的测量值会突然间变得很小(距离值很大，距离和测量值呈反相关关系)。由于红外测距传感器使用方便，并且“创意之星”控制器最多可以接入8个红外测距传感器，我们可以将它作为首选 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 图4.2 擂台边沿检测 擂台地面是有灰度变化的，我们可以在机器人腹部安装一些灰度传感器，来判读机器人覆盖区域的灰度变化，从而判断机器人相对场地的方向。可以通过整体灰度值来判读机器人的位置是不是靠近边沿，如果机器人靠近边沿就转弯或者后退。 3、需要能够找到棋子或者敌方。 根据比赛规则，我们可以知道棋子材质为松木，重约50~100g，直径70mm，高44mm 的圆桶状(两个棋子粘连叠放)，颜色为松木原色，字体颜色为红色。根据第四章“有趣的避障小车”，我们可以得到一点启发，避障小车可以发现障碍物并且绕开，对于擂台赛而言，棋子和障碍物没有区别，只是这回我们不是要机器人绕开而是将之推下擂台而已，我们同样可以通过红外接近传感器来发现障碍物(棋子)。敌方机器人对于我们的机器人而言，就是一个外形比棋子大一点的障碍物，差别就在于棋子不会动，而敌方机器人会动而已。 不过，这里使用红外接近传感器作为寻找障碍物(敌方或者棋子)的主要传感器的方案并不算优秀，红外接近开关的有效测量范围是20cm，20cm之外的物体是察觉不到的。我们可以改成红外测距传感器，它的有效测量范围是10~80cm，比较适合当前的使用场合。 我们可以布置高低不同的两个红外测距传感器，用于区分棋子或者敌方机器人，如下图所示: 图4.3 前方传感器安装示意图 4、需要能够将棋子推下擂台。 推棋子时，机器人需要做三件事情:寻找棋子，推动棋子，自身定位。寻找棋子的实现主要依赖于灰度传感器和测距传感器。传感器的布局至关重要，机器人必须能够通过灰度传感器定位自己的位置，通过测距传感器确定棋子的位置。因此，构型设计时必须合理布置传感器位置。比赛中输赢的关键是把敌方推出场外，所以可以采用被动式策略寻找棋子，即机器人按照某种策略漫游，如果检测到棋子就把棋子推出场外，否则机器人继续漫游。当把棋子推出场外时，机器人会接近擂台边沿，此时机器人需要适当调整自己状态(速度，位置)以防止掉出擂台。这个过程中机器人的自身定位非常重要。 我们找到棋子之后，如何将它们推下擂台呢,两种方法:1、闷头往前直走，不管怎么都不转弯，这样一定能走到擂台的边沿，也能够将棋子推下擂台。2、通过识别场地的灰度，判断出机器人的位置和方向，对准最近的边沿前进。 方案一胜在简单，程序实现难度小。但是可能出现机器人需要推动棋子走过超过半个场地才能到达边沿的情况。这个过程可能出现敌方干扰、推挤，失败的概率很高。 方案二实现的难度比较高一些，但是效率高。 5、需要能够推动敌方，将敌方推下擂台。 我们可以想象，两只斗牛相互推挤，赢的一定是力气比较大的一方。 首先我们需要考虑，什么因素会影响小车的推力。在现实生活中我们会看到两种现象:1、一辆汽车在爬坡，但是动力不足，反而慢慢从坡上滑了下来。2、汽车在泥地上面行走，但走不快，因为轮子总是在打滑。 上面两个例子可以得到影响汽车行进效果的两个因素:1、动力不足。2、摩擦力不够。如果动力不足，我们小车可能会被敌方的小车推得轮子倒着转。如果摩擦力不够，小车在推挤时轮子会打滑，轮子一直在转，但小车就是不能往前走。 推动敌方和推动棋子要做的事情是一样的，即:寻找敌方à推动敌方à自身定位。不同的是，推动敌方需要更大的动力，而且自身定位更加重要。如果己方被敌方推动时，己方就必须能够及时摆脱或者进行抵抗。 所以，在比赛规则允许的条件下，尽量增加小车的重量、动力输出、轮子的接地面积。我们可以使用四轮驱动方案，2轮驱动方案重量和推力都不够。6轮驱动方案不好转弯，机器人不够灵活。 6、需要避免自己被敌方推下擂台。 如果我方机器人在前进时被敌方从后面推挤，并且我方的机器人没有察觉，会出现什么情况呢, 我方机器人的动力方向和敌方机器人的动力方向刚好一致，敌方不费吹灰之力就可以将我方机器人推下擂台。所以机器人需要能够察觉这种正在被推挤的状态，并且能够通过掉头、转弯、后退等手段避开或对抗敌方机器人的推挤。 4.1.3任务规划 1、熟悉本比赛构型所需部件的使用方式。比如灰度传感器、红外测距传感器等。 2、搭建机器人、布置传感器。在规则允许的条件下搭建机器人，通过上述的分析，我们将机器人的构型定义为一个四轮驱动的小车。机器人的腹部应该安装灰度传感器阵列，用于判读场地灰度变化。前方应该安装红外测距传感器，用于探测棋子、敌方机器人和擂台边沿。 3、写程序，逐个实现上述7个实现要点，并作练习。 4、模拟比赛练习。 4.2 任务2:熟悉场地、标定传感器 6.2.1比赛场地 比赛场地(即擂台，如图4.4所示)大小为长宽2400 mm，高150mm的矩形矮台，台 面即为擂台场地。底色从外侧四角到中心分别为纯黑到纯白渐变的灰度。场地的材质为木质，场地表面最大承重能力50kg。场地的两个角落设有坡道，坡道入口处的区域为出发区。机器人从出发区启动后，沿着该坡道走上擂台。 场地四周围0.5米处有高400mm 的方形白色围栏。出发区及坡道用正蓝色和正黄色颜色涂敷。出发区平地尺寸为300x400mm。出发坡道水平长度为400mm，宽度为400mm，坡道顶端高度与擂台平齐，即150mm。 象棋棋子的材质为松木，重约50~100g，直径70mm，高44mm的圆桶状(两个棋子粘连叠放)，颜色为松木原色，字体颜色为红色，如图4.5所示。(详细信息请参考:2009武术擂台赛比赛规则) 图4.4 擂台赛场地 图4.5 象棋棋子示意图 场地最重要的部分是擂台上有黑白渐变区域，这是比赛得以进行的关键。简单的说，机器人要想赢得比赛，就得在这块区域里行动自如，随心所欲。如何做到“行动自如，随心所欲”呢,机器人必须能随时确定自己所处的位置。要想确定自己的位置，机器人就必须有雪亮的眼睛。在擂台赛中，机器人的眼睛就是灰度和测距传感器。接下来我们介绍传感器的标定。 4.2.2标定灰度传感器 我们在构型搭建时会用到灰度传感器和红外测距传感器。您如果对这两个传感器的工作原理还不清楚的话，请重新学习第二章的相关部分。 受制造工艺、材料的限制，很难保证两个传感器有完全一致的性能。在实际使用过程中会发现，即使以同样的标准使用两个不同的灰度传感器测量灰度，得到的数据也会有一定的差值。 为了消除这种差异性，需要对传感器进行标定。就像一个两眼视力不一样的人，需要佩戴两个镜片度数不同的眼镜一样。我们这里的标定，目的是建立灰度传感器的值和场地区域的对照表，以方便后续编写控制程序时使用。 我们的构型上使用4个灰度传感器进行场地灰度测量，如图4.6所示，1、2、3、4号传感器采集到的灰度值是不一样的，我们对比这几个传感器的值就能够知道当前机器人的方向。场地的灰度是梯度变化的，为了让这几个传感器的值有尽量大的差值，传感器的布置应该尽量拉开距离，传感器菱形覆盖的面积应该尽量大。 灰度传感器的标定需要同时标定一组即将使用的传感器——即同时标定构型中的四个灰度传感器。此时可以先搭建一个简易的机器人底盘，固定好传感器。我们这里采用了菱形布局，如图4.6。 图4.6 灰度传感器布局示意图 灰度传感器的标定可以采用三种方法:平行边沿标定，灰度梯度方向标定，随机位置标定。 平行边沿标定方法如下: 1) 按300mm等分场地边沿(如图6.7，图中白色方块表示机器人放置位置)，然后从一边开始，依次将机器人放置在等分点上(机器人侧边和擂台边沿平行)，用NorthSTAR查询灰度传感器的值并做相应记录; 2) 将机器人掉头后，从另一边开始，依次在每个等分点上查询灰度值并记录。 图4.7 等分场地边沿 灰度梯度标定法: 1) 将场地对角线的一半等分为6份(如图4.8，图中白色圆块表示机器人放置位置); 2) 将机器人面向场地中心放置在图中4.7中的最外侧的等分点上，记录灰度值; 3) 依次将机器人放置在其它的等分点记录灰度值。 图4.8 等分场地对角线 随机标定法:将机器人以非规则的方式(和边沿不平行，没有正好面向中心)放置在场地的不同位置，采集几组灰度值，记录并观察四个灰度传感器的值和机器人的位置关系。 记录数据后，计算机器人处在据中心不同距离处的灰度均值，传感器的最大最小值，前后灰度之间的差值，障碍物和机器人之间距离与传感器值之间的关系等数据，以备程序设计时使用。表一、表二为一组场地实测数据。灰度数值受灰度传感器的一致性，安装位置和环境光的影响较大，表中数据仅供参考。 表4.1等分场地边沿标定数据 机器人侧边和边沿平行时灰度数据 前 后 右 左 前-右 前-后 后-右 前-左 右-左 均值 235 207 231 265 4 28 -24 -30 -34 234.5 367 348 319 412 48 19 29 -45 -93 361.5 410 404 349 453 61 6 55 -43 -104 404 405 424 355 457 50 -19 69 -52 -102 410.25 356 394 324 425 32 -38 70 -69 -101 374.75 275 304 267 336 8 -29 37 -61 -69 295.5 231 233 232 274 -1 -2 1 -43 -42 242.5 表4.2等分场地对角线标定数据 机器人面向中心灰度数据 前 后 右 左 前-右 前-后 右-后 前-左 右-左 均值 244 207 234 261 10 37 27 -17 -27 236.5 339 283 305 355 34 56 22 -16 -50 320.5 493 453 425 505 68 40 -28 -12 -80 469 551 537 482 567 69 14 -55 -16 -85 534.25 612 614 537 621 75 -2 -77 -9 -84 596 注:表中“前”表示安装在前面的灰度传感器，“前-后”表示前面传感器减去后面传感 器的差值。 根据表中数据可以看出，除左边的灰度传感器，其它三个灰度传感器的值一致性较好。 可以根据这三个传感器的值来判断机器人当前的方向。另外可以根据4个灰度传感器的平均 值来判断机器人在场地上的位置。接近场地中心时，平均值较小，接近场地边沿时，平均值 较大。得到这些逻辑，就可以在编写控制程序时使用。详细逻辑见后续章节。 4.2.3标定红外测距传感器 红外测距传感器数值和实际距离不是简单的线性关系，GP2D12在10cm位置输出值最 大，10cm以下的距离是传感器的盲区，不建议使用。10cm-20cm之间是最灵敏的区域，所 以，我们需要保证构型中的GP2D12和地板的距离保持在10cm-20cm之间。 在这个比赛平台上，我们只需要判断机器人是不是到达边沿即可。比赛构型搭建完成、 传感器安装位置确定后，将机器人放置于擂台的不同位置，读取GP2D12的AD值，将这些 AD值取平均值。将机器人移至擂台边沿，当传感器红外射线和地面的交点A离开擂台边沿 时，传感器AD值会大幅度变化，测量几次取均值即为机器人检测到擂台边沿的AD值。 图4.9 红外测距传感器的安装示意图 4.3 任务3:结构设计和传感器布置 4.3.1结构设计 我们在4.1节已经得出了机器人结构的设计要求:重心低，质量大，动力强劲，行动灵活，传感器合理布置。我们将遵照以上要求设计比赛构型。 本节的示例构型仅作参考。该构型能够符合比赛规则的要求，能够正常完成比赛，但一定不是最优化的方案。我们期望您能够为广大机器人擂台赛参与者提供更完美的解决方案。 您只有做到对“创意之星”的零件使用心里有数之后，搭建过程才会顺利;如果盲目搭建，可能会出现搭建步骤错误，反复拆装的情况发生。 我们设计的构型如图4.10所示。 图4.10无差别组轮式底盘 整个比赛构型搭建可以分为以下几个重要步骤: (一)、搭建框架 先按照图4.11所示，搭出两个侧框架。将A、B、C、D、E、F的几个连接花键装到框架上，注意需要将M3螺母装到花键里面，如图4.12所示。 图4.11 结构框架 图4.12 螺母安装 (二)、安装驱动舵机和轮子 将驱动舵机安装到侧框架上，这个过程中您需要注意舵机不能装反，上一步预先安装上去的花键里的螺母不能掉出来。 图4.13安装舵机 图4.14安装轮子 (三)、整体组装 将两个侧框架通过I7零件连接起来，构成一个完整的底盘框架，如图4.15所示。 图4.15 底盘组装 至此，底盘搭建完成，接下去需要设计灰度传感器和红外测距传感器的安装方式。 4.3.2传感器布置 如图4.16所示，我们利用一个向前方倾斜的传感器来进行擂台边沿的检测，避免机器人掉到擂台底下。这个测距红外探测点必须和机器人主体之间有一定的距离，让机器人有反应的空间和时间。 图4.16 红外测距传感器的安装示意图一 如图 4.17 所示，我们可以在机器人的正前方安装两个红外测距用于敌方和障碍物的探测。棋子的高度是44mm，机器人必然会比棋子高，因此将两个传感器安装在不同的高度。我们在28mm和59mm的位置分别安装一个红外测距传感器，定为A和B传感器。在比赛过程中，A探测到障碍物而B没有，则说明障碍物是棋子。如果A探测到障碍物B也同时探测到障碍物，且两者探测到的障碍物距离差距不大，说明障碍物可能是敌方机器人。当然，这个过程可能会有其它因素的干扰，您可以在实际调试过程中设法解决这些问题。 图4.17红外测距传感器的安装示意图二 根据本节开始的分析，灰度传感器采用菱形分布，如图4.18所示。 图4.18 灰度传感器布置示意图 上述传感器布置方案是我们提供的一种可行并且通过验证的方案，希望可以作为您搭建构型的参考。“创意之星”的结构特点是“无所不能”的，您可以尽情发挥您的创意，用“创意之星”设计出更加合理的方案。 4.4 任务5:推棋子练习 棋子质量较轻，推动比较容易。功能实现的关键是棋子的检测和边沿检测。本小节的实现逻辑以保证机器人不会掉落擂台为主，即机器人不主动去寻找棋子，而是在场内漫游，发现棋子后向前推动，推出场地后后退、左转，然后继续漫游，实现逻辑如图4.19所示。由于推动棋子过程中需要根据自身位置做相应的处理，这里把推动棋子的过程单独封装，具体的实现逻辑如图4.20所示。图4.19和4.20中的延时需要根据场地实际调试获取。 如果要实现主动寻找棋子的策略，就需要改变图4.19中的逻辑，让机器人在没发现棋子时，主动寻找棋子。无论采用主动模式还是被动模式，机器人检测擂台边沿并做出相应动作的行为必须拥有最高优先级。 图4.19 推棋子实现逻辑 图4.20 推动棋子过程逻辑实现 4.5 任务5:实战对抗练习 擂台赛的关键，就是在己方不出擂台的情况下，将敌方推出场外。所以推动敌方的策略是最为关键的。由于敌方机器人同样拥有动力装置，推动时必然遭受巨大阻力。因此，在检测到敌方机器人时，必须以最大的动力迅速将敌方推出场外。考虑到不同机器人动力的差异性，需要同时考虑应对己方机器人动力不足，被敌方推动的情况。如图4.21为实战对抗的实现逻辑，图4.22为推动敌方机器人过程的实现逻辑。 需要注意的是，图4.21中的逻辑中加入了爬坡环节。爬坡作为比赛中最先完成的行为，在编程实现实战对抗策略时，需要和实战对抗行为衔接起来。此外，这里对机器人即将把敌方推出场外的情况做了特殊处理——高速前进+延时+高速后退+延时。这是为了快速将敌方推出场外，而且保证自己不会摔到在场外。 图4.21 实战对抗实现逻辑 图4.22推动敌方过程逻辑 4.6 扩展任务:改进竞赛能力 我们调试中可以发现，机器人的重量对机器人行为的影响较大。动力性能相同的情况下，质量轻的机器人很难和质量大的机器人对抗。另外，边沿检测传感器的位置需要保证机器人不会掉到场外，灰度传感器的安装高度对其性能影响较大。所以我们来进行以下改进: 1) 增加机器人重量。比赛规定机器人重量不超过3kg，在此条件下，给机器人增加配重。配重可以选用电池或者其它物体。安装配重时要尽量保持机器人的重心最低。 2) 调整边沿检测传感器位置。比赛规定机器人在场地上的投影尺寸不超过300x300mm，在此条件下，将边沿传感器安装位置尽可能的伸出底盘外侧。或者架高传感器，让传感器探测红外线与地面交点尽量远离机器人本体。 3) 调整灰度传感器距地面高度。灰度传感器距离地面太远，反射光线太弱;距地面太近，反射光线太强。反射光过强或者过弱都会导致机器人自身定位不准确。调整时，可以设定几个位置，调试并找出沿着场地灰度梯度方向变化范围最大的位置。 4.7 扩展任务:增强速度和力量 使用CDS5516机器人舵机的电机模式来驱动机器人，机器人动力较小，在推动敌方机器人时会比较吃力。此时，我们需要增强机器人的速度和力量。实现方式有两种: 1) 采用说明 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 提到的电机驱动模块+直流有刷电机方案，即使用BDMC1203驱动模块和FAULHABER 2342 24CR直流电机。 2) 采用Sabel2x10驱动器+直流有刷电机的方案。 这两种方式都可以增强机器人的动力。