【文章內(nèi)容簡介】 電路實現(xiàn)上碼盤的四路信號，，可經(jīng)過差分傳輸器形成兩路信號，且這兩路信號有90度的相差，也可以直接利用有90度相差的，兩路信號。在CPLD中用一路信號對另一路信號進(jìn)行鑒相就可以知道碼盤是正轉(zhuǎn)還是在反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)時加計數(shù)，反轉(zhuǎn)時減計數(shù)。下位機(jī)碼盤處理板對碼盤的計數(shù)是不停止的，累加至溢出后又重新累加，所以上位機(jī)要對讀到碼盤計數(shù)值進(jìn)行分析，確定該次采樣與上一次采樣之間碼盤板CPLD中計數(shù)器是否溢出過，從而進(jìn)行相應(yīng)的處理。由于所使用的碼盤是1000線的，假設(shè)機(jī)器人的最大速度是5m/s。而碼盤從動輪的周長是十幾厘米，所以每5ms下位機(jī)的計數(shù)值不會超過1000。下位機(jī)碼盤板CPLD中的計數(shù)器是16位的，最大計數(shù)值是65535。假設(shè)機(jī)器人一直在向前運(yùn)動，上位機(jī)每5ms讀一次下位機(jī)，把讀得的結(jié)果同上一次讀到的結(jié)果相減。如果這個結(jié)果在1000以內(nèi)，或者放得更寬點兒，在5000以內(nèi)，我們就可以判斷出計數(shù)器沒有溢出。而一旦這個差值在負(fù)的60000多，那我們就可以知道計數(shù)器溢出了，真實的結(jié)果應(yīng)該是這個值再加上65536。這樣，上位機(jī)只需要做很少的工作，就可以大大減輕下位機(jī)的負(fù)擔(dān)，而且實現(xiàn)了理論上的不丟碼。通過編碼盤的使用，我們得到了機(jī)器人走過的距離信息。再結(jié)合陀螺儀的角度信息，便可以計算出機(jī)器人在全場的坐標(biāo)。這在后面會詳細(xì)介紹。（燈板）白線檢測器由燈板和燈處理模塊來實現(xiàn)。比賽場地是寬30mm的白線鋪設(shè)在藍(lán)色場地表面上，由于藍(lán)色和白色材料對光的反射強(qiáng)度不一樣，在入射光相同的條件下，通過測出反射光強(qiáng)，就能分辨出白線和藍(lán)地。藍(lán)色和白色對紅色光反射率相差很大，為了放大反射光強(qiáng)度的差別，選擇高亮度的紅色發(fā)光二極管作為光源。反射光靠光敏二極管接受并轉(zhuǎn)化成電信號。光敏二極管接收到的光越強(qiáng)，產(chǎn)生的電流越大。通過串接一個電阻，可以把這個電流信號轉(zhuǎn)換成電壓，再通過比較器設(shè)定閾值電壓比較，就能把模擬電平轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。但是機(jī)器人在場地中行走時會不可避免地受到外界光源的干擾，所以要對發(fā)光二極管進(jìn)行調(diào)制，接收時先放大后解調(diào)以獲得更好的效果。由于各個光敏接收管的特性不一致，直接利用模擬值比較得出數(shù)字信號的方法有可能存在問題，所以應(yīng)先將模擬的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后再比較，這樣會增強(qiáng)白線檢測器的適應(yīng)性。由于我們使用陀螺儀和碼盤已經(jīng)可以做到全場定位，并且精度完全滿足比賽需求，所以最終我們的上場機(jī)器人上沒有使用燈板。不使用燈板給我們帶來的好處是顯而易見的，我們的機(jī)器人完全脫離了白線的束縛，可以全場任意行走。我們能夠在全國奪得冠軍很大程度上就是因為脫線行走迅速而準(zhǔn)確。顏色傳感器用于判斷橋柱上和手臂中積木的顏色，以決定需要完成的動作：破壞或者夾取投放。積木顏色信息的正確與否直接影響著動作是否正確，如果積木顏色判斷錯誤，非但不能得分，還會對本方造成嚴(yán)重的破壞作用。所以顏色傳感器要求必須有高的穩(wěn)定性，并且有快速的判別能力。顏色傳感器從開發(fā)到比賽經(jīng)歷了三個階段：可以判斷三種顏色（紅，綠，藍(lán)）的顏色傳感器；可以判斷紅綠兩種顏色的第二代顏色傳感器，可以判斷紅色的第三代顏色傳感器，另外用接近開關(guān)輔助判斷綠色積木。限于篇幅，這里只介紹最終上場的第三代顏色傳感器。圖312 第三代顏色傳感器示意第三代顏色傳感器是結(jié)合了顏色檢測和接近開關(guān)檢測兩個部分，我們首先通過接近開關(guān)檢測前方有無積木，由于接近開關(guān)的反應(yīng)速度很快，所以幾乎不用多少時間，這樣就省去了在沒有積木的地方進(jìn)行顏色采集的多余時間，提高了檢測的速度。當(dāng)接近開關(guān)檢測到前方有積木式，接著再調(diào)用顏色傳感器檢測顏色，由于積木顏色只有紅綠之分，如果檢測到的不是紅色，則肯定是綠色，這樣就大大提高了檢測的時間和可靠程度。在比賽場上，顏色傳感器發(fā)揮穩(wěn)定，但從比賽過程中發(fā)現(xiàn)，顏色的識別還是占用了比賽的相當(dāng)一部分時間，而另外一些隊伍的顏色識別是相當(dāng)快的，并且距離較遠(yuǎn)，所以對于第三代顏色傳感器進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步提高顏色傳感器的識別速度，增加識別距離，提高顏色傳感器的抗干擾能力是我們在國際賽之前需要攻克的難題。 本章小結(jié)本章對比賽機(jī)器人常用的機(jī)構(gòu)、電路控制系統(tǒng)、傳感器等進(jìn)行了全面介紹，一方面為后文的機(jī)電結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供素材，另一方面為新一屆的機(jī)器人隊隊員留下參考資料。第2章 參賽機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計 手動機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計手動機(jī)器人由于是人來控制的，因此是機(jī)器人比賽中最穩(wěn)定的一個機(jī)器人。但手動機(jī)器人得分點的分值一般是全場最低的，并且所給的積木塊的數(shù)量是最多的。因此手動機(jī)器人在比賽中任務(wù)繁重，并且擔(dān)負(fù)著配合自動機(jī)器人的任務(wù)。因此手動能否高效快速地完成任務(wù)，是歷屆比賽中的一項重要任務(wù)。在拿到新一屆賽題，開始設(shè)計手動機(jī)器人時，往往需要參考一下前幾屆的設(shè)計。讓我們首先也來回顧一下第五屆手動機(jī)器人的設(shè)計。第五屆手動機(jī)器人全重14kg，底盤大小620mm*700mm，高度1850mm。如圖41，其底盤為U形結(jié)構(gòu)，底盤后部為兩個驅(qū)動輪，前方為兩個跨障礙輪。該手動機(jī)器人有1個可以升降的夾子，用來夾取與抬升積木，手動機(jī)器人后部裝有一個1500瓦的無刷電機(jī)帶動的風(fēng)扇，用來吹掉對方積木。如圖41所示。手動機(jī)器人上最為特別的是它的跨障礙輪。第五屆賽題中，在手動塔柱前50cm處有一個10cm高，3cm寬的木質(zhì)圍欄。而手動機(jī)器人啟動時的限制尺寸是1m*1m，這樣的話就必然要將夾子做成可以前后伸縮的或者前輪做成可以活動的。當(dāng)初考慮到夾子做成伸縮的話會比較復(fù)雜，也容易重心不穩(wěn)而傾倒，所以放棄了這種做法。那么剩下的就只有將前輪做成活動的。剛開始的時候走了很多彎路，比如用滑軌，前輪被撞到后縮回去。但這樣同樣容易重心不穩(wěn)而傾倒。后來又想到前輪縮回去后再用一個舵機(jī)頂住地面，但這樣造成了機(jī)構(gòu)復(fù)雜和操控難度的加大。最終本人設(shè)計出了V形的跨障礙輪。該輪主體是一個臥倒的V形結(jié)構(gòu)，V形的尖端能夠轉(zhuǎn)動。V形的兩個末端各裝有一個萬向輪。當(dāng)正常行駛時，V形口朝前，當(dāng)碰到木質(zhì)圍欄時，V形沿頂端旋轉(zhuǎn)翻過木質(zhì)圍欄，用另外一個萬向輪著地，從而達(dá)到跨越木質(zhì)圍欄的目的。如圖42所示。圖41 第五屆手動機(jī)器人圖42 V形輪過障礙的過程該輪用巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)完成了跨越圍欄的動作并且保持重心穩(wěn)定。如果不使用該輪，想要跨越圍欄并且保持重心穩(wěn)定的話，將要付出很大的代價。該輪是典型的“用簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)解決復(fù)雜的動作問題”，在日后的設(shè)計機(jī)器人的過程中，也應(yīng)遵循這一原則：如果能用比較簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)解決一個問題的話，就不要用復(fù)雜的電路程序控制解決。由于該輪結(jié)構(gòu)簡單，效果出眾，已經(jīng)被很多兄弟院校借鑒。在第六屆機(jī)器人大賽的很多機(jī)器人上都可以看到該輪的身影。不過在我們的第六屆手動機(jī)器人上并沒有使用該輪，原因是什么？因為賽題變了，用該輪的話并不能達(dá)到最高的效率。第五屆的手動機(jī)器人最終成型經(jīng)歷了大約5個版本，中間小的改動更是不計其數(shù)。做機(jī)器人的過程就是這樣，總是不停地改進(jìn)，直到最好。做什么樣的機(jī)器人，是由規(guī)則來決定的。手動方面，相對于第五屆規(guī)則，第六屆規(guī)則的不同有以下幾點：1．手動的積木數(shù)量增多，由原來的7塊變?yōu)?5塊；堆數(shù)也由原來的3堆變?yōu)?堆。2．手動的得分點由原來的1個變?yōu)?0個，原來在一個點上連續(xù)放多個積木的話，每個積木都計分；如今只有最上面一塊才計分。3．手動得分點前仍有木質(zhì)圍欄，但距離由原來的500mm變?yōu)?30mm。4．取下對方外自動區(qū)的橋柱上積木的話將被扣2分，但如果放回去的話則不扣分。通過上幾點的變化，我們初步可以推斷出：，一個夾子可能不夠了。，而直接用懸臂將積木放到橋柱上。，只有兩種方式了，要么蓋對方積木，要么翻轉(zhuǎn)積木，使原本我方積木在下變成對方積木在下。圖43 第一版手動機(jī)器人初期，本人的想法是在手動機(jī)器人上做3個夾子，這樣5堆積木只要取2次就夠了，相對于1個夾子，可以大大減少來回取積木壘積木的過程；夾子用絲杠滑塊的方式；有兩個夾子安排在側(cè)面，懸臂長度近400mm；有一個夾子安排在前面；前面是V形，可以輔助靠近拐角；側(cè)面放積木時只需貼住木質(zhì)圍欄就可以了；正面放積木時可以用V形輔助定位。如圖43。圖44 第一版手動機(jī)器人放積木示意圖第一版機(jī)器人做出來之后，發(fā)現(xiàn)如下問題：1．夾子用超高速電機(jī)時，因為經(jīng)常急停急轉(zhuǎn)，電機(jī)齒輪經(jīng)常被打壞；用低速電機(jī)時，夾取積木的時間太長；2．因為兩個夾子全都在側(cè)面，造成了手動機(jī)器人的中心偏向一側(cè)，在走直線時總是向一個方向偏，轉(zhuǎn)彎時也很困難；這也手造成動機(jī)器人行走速度很慢；，重量太重，GWS777舵機(jī)拉升的時候速度很慢。第一版做出來之后，根據(jù)第一版出現(xiàn)的問題，做了以下改進(jìn)：1． 夾子電機(jī)方面尋找合適的電機(jī)，換用GWS777舵機(jī)試驗；2． 通過將電池、控制盒等裝到另一側(cè)來平衡重量；3． 加大GWS777舵機(jī)的電壓；4． 前方夾子改成了可旋轉(zhuǎn)的。，因此不再重復(fù)貼圖。，夾子使用舵機(jī)夾取后，速度提上去了，但經(jīng)常出現(xiàn)夾不緊的現(xiàn)象。電池、控制盒裝到另一側(cè)后，走路偏轉(zhuǎn)的問題有了一定改觀，然而仍然存在操控性不強(qiáng)的問題。只有在另一側(cè)加非常重的配重才能走好，但這會浪費(fèi)寶貴的重量。在加大GWS777舵機(jī)的電壓后（由原來的8V加為12V），夾子的提升速度有了一定加快，但造成了舵機(jī)齒輪受力過大，非常容易損壞。當(dāng)時認(rèn)為是三根立桿不平行，焊接時不夠精確，造成夾子不容易滑動。前方的夾子旋轉(zhuǎn)剛開始用的是GWS777舵機(jī)，但效果不理想，也容易損壞舵機(jī)齒輪。但這樣一方面因為氣瓶漏氣而夾放次數(shù)有限；另一方面夾子的重量又增加了。造成夾子上下滑動更不順暢，走路時的偏移問題更加嚴(yán)重。到此，基本上說明1版手動機(jī)器人設(shè)計失敗，需要換個思路來做。吸取了前面的教訓(xùn)，改為三角形底盤。因為氣動和舵機(jī)夾積木的效果并不好，并且占用的空間大，夾子也放棄了氣動和舵機(jī)夾積木，而又回到了絲杠夾積木的方式。但是絲杠從原來的三角螺紋換成了梯形螺紋，梯形螺紋適合用于傳動，不容易卡死。夾子數(shù)量從原來的3個減為2個，一個夾子可以夾住積木并翻轉(zhuǎn)，另一個夾子是雙層的，可以夾六塊積木并且每次可以丟一塊積木下去。如圖45所示。圖45 ，行走方面得到了大大改善，變得比較穩(wěn)定。但是旋轉(zhuǎn)積木的結(jié)構(gòu)因為懸臂太長，一直不穩(wěn)定。雙層夾子也存在問題，主要就是一次丟一塊積木的過程比較復(fù)雜。本來旋轉(zhuǎn)和雙層夾子的目的是為了使放積木時的效率能夠提高，但是現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)這樣非但沒有提高效率，反而造成了機(jī)器人的不穩(wěn)定。圖46 旋轉(zhuǎn)夾子和雙層夾子，：放棄了可旋轉(zhuǎn)夾子和雙層夾子，改成了普通的單層夾子。這樣一來，不但簡化了手動車的結(jié)構(gòu)，使得手動車變成左右對稱的結(jié)構(gòu)，還減輕了重量（），減少了操作量，使得操作時犯錯的可能性降低。圖47 （俯視圖）圖48 （立體圖）經(jīng)過短時間的試用，操作手反應(yīng)該車操作靈敏，控制量少，不容易出錯。于是我們決定將該版本的手動機(jī)器人作為上場機(jī)器人。 自動機(jī)器人結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計本屆自動機(jī)器人制作過程也經(jīng)歷了很大的改版，現(xiàn)在將這一過程回顧整理一遍，以便對以后的機(jī)器人制作有所幫助。雙面機(jī)器人是本屆制作的第一個自動機(jī)器人。設(shè)計雙面機(jī)器人的目的是為了在一臺機(jī)器人上集中得分和破壞兩種功能，一個夾子帶積木用于得分，一個夾子空著，當(dāng)橋柱上有對方積木時用于取下對方積木。雙面機(jī)器人的外形見圖410。圖410 雙面機(jī)器人雙面機(jī)器人的底盤是H形的，這樣有個好處是可以制作3個雙面車，在啟動區(qū)內(nèi)可以交叉放置。因為啟動區(qū)只有1m*1m的大小，交叉放置可以使得啟動區(qū)內(nèi)能夠放得下。圖411 雙面機(jī)器人在出發(fā)區(qū)的擺放后來證明雙面機(jī)器人的想法還是很好的，參加比賽時發(fā)現(xiàn)括哈爾濱工程大學(xué)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)都制作了類似的機(jī)器人。但我們在制作了第一版雙面車之后就沒有繼續(xù)做下去。主要原因有：，H形機(jī)器人燈板間距太小，造成走白線時震動大，容易丟線；，集得分與破壞于一身，但其效率并不高。破壞時需要反復(fù)前進(jìn)后退轉(zhuǎn)向，這樣會浪費(fèi)很多時間；，所以把雙面車放棄了。412 雙夾機(jī)器人雙夾機(jī)器人是本屆制作的第二種自動機(jī)器人。雙夾機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)是這樣的：底盤是U形的；底盤上裝有一個可旋轉(zhuǎn)的水平圓盤，圓盤上連接有3根立桿；立桿上有一個升降臺可以上下滑動；升降臺上有兩個呈70度夾角的夾子。如圖412所示。制作雙夾機(jī)器人的目的很明確：一是為了集得分與破壞于一身；二是為了提高得分和破壞的效率。使用這種結(jié)構(gòu)，在得分或破壞時，機(jī)器人靠到橋柱上之后，底盤不需要動，只需要轉(zhuǎn)動上面的夾子就可以了，這樣可以大大提高得分和破壞的效率。雙夾車的最終成形經(jīng)歷了約3個版本，詳細(xì)過程就不再敘述。雙夾車成形之后，我們又開始制作了門形機(jī)器人。設(shè)計門形機(jī)器人的原因是這樣的：經(jīng)過一段時間的調(diào)試，發(fā)現(xiàn)一般機(jī)器人從一個橋柱走向另一個橋柱時，需要做一系列的后退、轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、靠橋柱的動作，當(dāng)時認(rèn)為這樣會降低效率?；谶@樣的考慮，我們設(shè)計并制作了門形機(jī)器人。如圖413。圖413 門形機(jī)器人門形機(jī)器人通過什么來提高效率呢？門形機(jī)器人中間是空的，可以從橋柱上穿過，因此不需要后退轉(zhuǎn)向的過程，而是直接走向下一個橋柱。看起來門形車能夠達(dá)到比普通車更高的效率。于是我們投入了大量的人力物力在上面。最多時有3個組同時在制作和調(diào)試門形車。但是在調(diào)試門形車的過程中我們遇到了極大的困難。最大的問題就是門形車在經(jīng)過橋柱時會蹭到橋柱而引起打滑，這樣的話門形車的坐標(biāo)就會丟失。走過幾個橋柱之后，門形車的坐標(biāo)誤差就積累得很大。上場機(jī)器人的結(jié)構(gòu)比之前做的所有機(jī)器人都簡單。它的底盤上固定有3根立桿，立桿上有升降臺可以上下滑動，升降臺上有一個夾子可以開合。如圖414。圖414 上場機(jī)器人圖415 上場機(jī)器人底盤及立桿圖416 上場機(jī)器人夾子及升降機(jī)構(gòu)為什么前面做了這么多機(jī)器人，最終上場的機(jī)器人結(jié)構(gòu)卻被大大簡化了？其實上場機(jī)器人是在被逼無奈、倉促之下做出來的。當(dāng)時我們的重點是放在雙夾車和門形車上面的，門形車上面的投入最大。但是經(jīng)過兩個月的調(diào)試，在距比賽還有一個多月時，門形車的效果還沒有出來，而雙夾車因為沒有重點投入，調(diào)試的效果也不理想。在當(dāng)時的情況下，只有果斷放棄門形車和雙夾車，集中全隊的力量去做一版結(jié)構(gòu)簡單、容易調(diào)試的機(jī)器人，首先保證能有穩(wěn)定的機(jī)器人參加比賽。幸而第六屆的賽題對結(jié)構(gòu)并不敏感，加之我們脫離白線全場坐標(biāo)行走彌補(bǔ)了結(jié)構(gòu)上的不足，才使得我們最終奪得了冠軍，成功衛(wèi)冕。但是我們存在的不足要深刻認(rèn)識。 本章小結(jié)本章從機(jī)械角度回顧了機(jī)器人制作完善的過程，指出了對機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進(jìn)，并對不同版本之間機(jī)器人更新替代的原因進(jìn)行了解釋。第3章 參賽機(jī)器人電路控制的優(yōu)化設(shè)計 坐標(biāo)定位的改進(jìn)與優(yōu)化第六屆機(jī)器人隊能夠做到比賽的3分鐘內(nèi)全場完全脫離白線行走，并且還能保持一定精度；在受到撞擊，誤差很大時還具有一定的坐標(biāo)恢復(fù)能力，這是歷屆機(jī)器人隊技術(shù)上的一次飛躍。下面將介紹本屆機(jī)