【正文】 對方去中天橋和右天橋的通路上，使得對方無法在上面得分，干擾機器人的速度是全國乃至全亞洲最快的；沖中機器人完全脫離白線行走，在干擾機器人的保護下能夠在4秒多的時間里沖上中天橋或者左天橋；副橋機器人可以攜帶1~5塊積木，可以根據(jù)策略的需要選擇投放中天橋、左右天橋或者一分箱；破壞機器人可以攜帶1塊積木，可以投到手動區(qū)外或者塔上，然后再去右天橋和對方塔前用風(fēng)扇破壞對方得分。第二種是得分策略。干擾車首先出發(fā)，3秒內(nèi)完成任務(wù)，攔截住對方去往中天橋和左右天橋的通路；沖中車隨后，攜帶2塊積木用4秒左右沖上中天橋得分；副橋車緊接著，攜帶3塊積木上到左天橋得分；破壞車向塔上投放一塊積木后去對方建塔區(qū)前用風(fēng)扇破壞對方得分。得分策略主要用在對方干擾車比較快，能夠在我方?jīng)_中到達中天橋之前進行攔截。如圖27所示。因此手動的主要任務(wù)應(yīng)該放在如何提高得分效率上，保證在3分鐘內(nèi)能夠?qū)⒈痉椒e木放完并留出一定時間破壞對方得分。如何能夠快速穩(wěn)定地向自動機器人傳送積木，這一點也是需要考慮的。由規(guī)則可知，內(nèi)自動區(qū)有10個橋柱，最內(nèi)圈5個橋柱，每個3分，中圈5個橋柱每個2分，分數(shù)很分散，并且比賽規(guī)則對機器人的大小進行了限制和數(shù)量都有了限制。這就要求自動車一方面在復(fù)雜的場地下能夠準(zhǔn)確定位，另一方面要有連續(xù)得分和破壞的能力，不能做完一項工作就停下不動，要一直工作到比賽結(jié)束。因此本屆機器人制作時的難點一方面集中在定位的準(zhǔn)確性上，另一方面集中在得分和破壞的效率上。只要能夠準(zhǔn)確定位，用什么樣的機構(gòu)來得分和破壞其實影響不大。后來嘗試了一下完全脫離白線行走，并加入了一定的校正措施，發(fā)現(xiàn)定位精度完全滿足要求，機器人不停地活動可以做到6分鐘內(nèi)可以找到目標(biāo)。機器人的外形上，則經(jīng)歷了翻天覆地的變化。這一變化過程以及改版的原因我會在后面敘述。我們最終上場的機器人由一臺手動和三臺自動機器人和一臺手動機器人組成。除一些微小差別外，前鋒、中鋒和后衛(wèi)3個機器人整體結(jié)構(gòu)上完全一致，都是底盤上有三根立桿，一個夾子能夠在立桿上上升下降。雖然外形上一樣，但三個自動機器人之間還是有分工的，前鋒和中鋒是主要得分車。放完積木后還會在橋柱上保護一段時間。如果此時橋柱上有對方積木，前鋒和中鋒則會將對方積木取下。圖28 第六屆竣工兼得分策略為了能更清晰地表達三個自動機器人是如何協(xié)同工作的，這里舉一個我們最常用的竣工兼得分策略來說明。前鋒拿到（3，5）點的兩塊積木后，立即以一個小弧轉(zhuǎn)向（0，0）點并將兩塊積木放上。此時的時間大約是42秒。前鋒車延遲5秒后將（16，0）點的積木取下2塊，分別放到（16，3）點和（0，3）點。如果發(fā)現(xiàn)橋柱上有對方積木，則將其取下。在距比賽結(jié)束還有15秒時，將兩塊積木分別放到（12，0）和（12，3）點。在此等待到40多秒。之后中鋒車進入0區(qū)或者2區(qū)進行區(qū)域維護。前期向竣工方向努力，中后期如果竣工不成，則進行得分動作，兩套動作是自動切換的。在國內(nèi)賽中，7場比賽基本上都是用的這個策略（中間會有細微調(diào)整），除第一場對陣哈爾濱工程大學(xué)代表隊因手動操作手犯規(guī)而被取消資格外，其余6場均竣工獲勝或者以大比分獲勝。圖29 第六屆防攔截兼得分策略通過分析兩屆比賽規(guī)則，我發(fā)現(xiàn)第六屆規(guī)則明顯要比第五屆規(guī)則“好”得多。兩屆賽題的不同如下：1. 從場地上講，第六屆場地明顯要比第五屆場地復(fù)雜得多。2. 從給積木的方式上講，第五屆是給自動機器人預(yù)裝積木，不需要機器人去取積木；而第六屆則不給自動機器人預(yù)裝積木，而是放在固定點上由自動機器人去取。3. 從自動機器人的數(shù)量上講，第五屆不限制機器人的數(shù)量，因此很多隊伍專門拿出一臺機器人做干擾之用，僅憑速度快和暴力手段就可以解決問題；而第六屆規(guī)則規(guī)定自動機器人的數(shù)量不能超過3臺，這樣的話，就對每一臺機器人的功能要求有了很大的提高，并且一定程度上限制了純粹干的擾機器人的使用。4. 從自動機器人的尺寸上講，第五屆不限制機器人變形后的尺寸，因此很多隊伍用非常長的魚竿或魚網(wǎng)作大面積的封堵，這種沒有任何技術(shù)含量的做法卻能起到很好的效果；。5. 從得分點上講，第五屆有7個得分點，分值最大的中天橋為5分，并且中天橋只有1個，其它得分點只有2分或者1分，這就造成了中天橋的爭奪十分激烈。這樣的得分點設(shè)置，一方面大大增加了機器人動作的復(fù)雜性，從而迫使大家提高機器人的技術(shù)水平；另一方面使得僅靠速度拼搶一個點然后賴住不走的做法失去作用。并且第五屆的積木的特點是有一個缺口，放到橋柱上后可以被吹下來。而第六屆在制定規(guī)則時已經(jīng)覺察到這一點，對手動機器人的活動進行了嚴(yán)格限制。這一限制直接杜絕了在手動機器人上安裝風(fēng)扇的做法?？傊驗榈诹鶎帽荣愐?guī)則的合理設(shè)置以及難度的適度增加，使得對機器人的技術(shù)要求有了較高的提升，從而使得比賽脫離拼搶速度和暴力的怪圈，轉(zhuǎn)而向智能性和技術(shù)性方面發(fā)展，這對提高各個參賽隊伍的技術(shù)水平有很大幫助。 本章小結(jié)本章對第五屆和第六屆機器人大賽的規(guī)則進行了詳細的介紹、分析和比較，以便為后面的機器人機電結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計做好鋪墊。第1章 參賽機器人機電系統(tǒng)介紹 機械系統(tǒng)組件大學(xué)生機器人大賽的參賽機器人的機械結(jié)構(gòu)一般可分為行走模塊、支架、執(zhí)行機構(gòu)三個部分。機器人的行走模塊是驅(qū)動機器人行走的最為重要的部分。我們的行走模塊可以分為電機、電機座、輪軸、軸承座、軸承、輪子等幾個部分。與電機配套的控制盒一起使用，可以做到響應(yīng)迅速、控制精確。通過控制兩個電機不同的轉(zhuǎn)速，可以靈活地行走，轉(zhuǎn)向。但有時候驅(qū)動部件的安裝方式也會根據(jù)實際需要而改變。前后輪同時加速可以最大效率地利用輪子和地面的摩擦力，從而達到快速加減速的目的。如圖33所示。全向輪一般在機器人上安裝3~4個，使用全向輪的機器人可以不用轉(zhuǎn)彎而到達場地的任意一點，有時候非常有用。因為我們沒有使用這兩種驅(qū)動方式，這里不多做介紹。機器人支架是連接驅(qū)動部件和執(zhí)行機構(gòu)的機構(gòu)。底盤上裝有萬向輪和驅(qū)動輪，承載部分連接執(zhí)行機構(gòu)。根據(jù)機器人功能的不同，機器人支架可以千差萬別。圖34 第五屆干擾支架圖35 第六屆手動車支架圖36 第六屆自動車支架圖37 第五屆干擾的執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)是機器人用來夾取積木、攔截對方等的。比如，第五屆的干擾機器人的執(zhí)行機構(gòu)（圖37）是3根魚竿，魚竿用壓縮空氣打出，以達到快速干擾對方的目的。機構(gòu)的不同，往往意味著控制方式的不同。 兩種不同的夾子 控制系統(tǒng)組件本節(jié)將介紹自動機器人的硬件系統(tǒng)，該硬件系統(tǒng)是由多個微處理器構(gòu)成的完全并行的一主多從處理器系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)的框圖描述為圖39。電源模塊沒有在圖39中表示出來。電源模塊是整個硬件系統(tǒng)可靠工作的基礎(chǔ)。減小了數(shù)字系統(tǒng)對模擬信號的干擾，保證了系統(tǒng)的可靠工作。電機采用24V鋰電池供電。在本設(shè)計中，采用以ARM7TDMI 為核心的32位單片機LPC2138作為主控芯片，從第一屆機器人隊開始，機器人隊的控制器經(jīng)歷了PLC、工控機、8位單片機、32位微處理器。本屆采用ARM7內(nèi)核單片機LPC2138作為主控芯片，進一步提高了系統(tǒng)的處理速度，滿足了系統(tǒng)設(shè)計要求。兩個串行口uart0和uart1分別與下位機mega128和單板電腦通信控制架子動作并獲取顏色信息；接近開關(guān)狀態(tài)通過GPIO讀入；PWM波由LPC2138產(chǎn)生后經(jīng)過4245轉(zhuǎn)換為5V輸出。傳感器信息在經(jīng)過前期處理后，通過SPI總線將位置信息傳送到主控部分進行后期處理，轉(zhuǎn)化為機器人所在的場地坐標(biāo)。CPLD采用ALTERA公司的EPM1270芯片，該芯片存儲容量大，可以同時對角度信息和碼盤信息進行處理，將第五屆的陀螺處理板、碼盤處理板成功地集成到了一個芯片當(dāng)中，實現(xiàn)了信息采集板的綜合。這些傳感器往往需要在底盤和夾子上安裝很多個。我們在夾子上安裝了5個接近開關(guān)，3個顏色傳感器。此外夾子上有兩個電機，控制兩個電機的正反轉(zhuǎn)并且?guī)尬坏脑捫枰?根線，這樣的話總共需要20多根線。因此我們在活動的夾子上使用了一片Mega128來采集接近開關(guān)、顏色傳感器的信號，并控制電機、舵機的動作。使用多處理器分別控制則在上下級通信線較少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)明晰，出現(xiàn)故障時排查容易，可以實現(xiàn)夾子動作和行走的并行工作，提高系統(tǒng)的整體性能，并且給主控芯片留下很大的擴展空間。液晶顯示模塊具有顯示字符、字符串、10進制數(shù)、16進制數(shù)、浮點數(shù)的功能。將數(shù)據(jù)和命令經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后發(fā)送到液晶顯示屏控制和顯示，讀寫命令通過兩個GPIO控制。HC595實現(xiàn)將SPI輸出的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。視覺信息處理模塊硬件部分采用單板電腦和USB接口的攝像頭，通過Lpc2138的另外一個串口進行通信。 機器人上所使用的傳感器及其處理機器人有了機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)后，還不能完成比賽任務(wù)，還需要結(jié)合各種傳感器的信息才能知道機器人所處的狀態(tài)，完成指定的任務(wù)。使用中陀螺儀的主要問題是零位電壓的穩(wěn)定性問題。在靜止?fàn)顟B(tài)下，不同時間給陀螺通電，陀螺的輸出電壓各不相同。零位電壓的這些性質(zhì)給準(zhǔn)確測出方位角造成了一定的困難。由于陀螺儀存在零位漂移和啟動時間（約2秒），在開始積分之前必須先求得零漂值，這可以通過拋棄開始啟動時的采樣值和均值濾波來實現(xiàn)。位移傳感器采用光電編碼盤。設(shè)從動輪周長為L，碼盤線數(shù)為M，t時間內(nèi)碼盤輸出的脈沖數(shù)為N，輪子走過的距離S就是： （31）機器人選用的從動輪碼盤由斯堪迪納維亞建設(shè)公司生產(chǎn)2RMHF型編碼盤，它是1000線的中空軸編碼盤，輸出A、B、Z三相脈沖。在CPLD中用一路信號對另一路信號進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)。由于所使用的碼盤是1000線的，假設(shè)機器人的最大速度是5m/s。下位機碼盤板CPLD中的計數(shù)器是16位的，最大計數(shù)值是65535。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。這樣，上位機只需要做很少的工作，就可以大大減輕下位機的負擔(dān)，而且實現(xiàn)了理論上的不丟碼。再結(jié)合陀螺儀的角度信息，便可以計算出機器人在全場的坐標(biāo)。（燈板）白線檢測器由燈板和燈處理模塊來實現(xiàn)。藍色和白色對紅色光反射率相差很大，為了放大反射光強度的差別，選擇高亮度的紅色發(fā)光二極管作為光源。光敏二極管接收到的光越強，產(chǎn)生的電流越大。但是機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)光二極管進行調(diào)制，接收時先放大后解調(diào)以獲得更好的效果。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器人上沒有使用燈板。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。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。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）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。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行顏色采集的多余時間，提高了檢測的速度。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，所以對于第三代顏色傳感器進行改進，進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。第2章 參賽機器人機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計 手動機器人的優(yōu)化設(shè)計手動機器人由于是人來控制的，因此是機器人比賽中最穩(wěn)定的一個機器人。因此手動機器人在比賽中任務(wù)繁重，并且擔(dān)負著配合自動機器人的任務(wù)。在拿到新一屆賽題，開始設(shè)計手動機器人時，往往需要參考一下前幾屆的設(shè)計。第五屆手動機器人全重14kg，底盤大小620mm*700mm，高度1850mm。該手動機器人有1個可以升降的夾子，用來夾取與抬升積木，手動機器人后部裝有一個1500瓦的無刷電機帶動的風(fēng)扇，用來吹掉對方積木。手動機器人上最為特別的是它的跨障礙輪。而手動機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。那么剩下的就只有將前輪做成活動的。但這樣同樣容易重心不穩(wěn)而傾倒。最終本人設(shè)計出了V形的跨障礙輪。V形的兩個末端各裝有一個萬向輪。如圖42所示。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。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。不過在我們的第六屆手動機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到最高的效率。做機器人的過程就是這樣，總是不停地改進，直到最好。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。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。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。，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。如圖43。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：1． 夾子電機方面尋找合適的電機，換用GWS777舵機試驗；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舵機的電壓；4． 前方夾子改成了可旋轉(zhuǎn)的。夾子使用舵機夾取后，速度提上去了，但經(jīng)常出現(xiàn)夾不緊的現(xiàn)象。只有在另一側(cè)加非常重的配重才能走好，但這會浪費寶貴的重量。當(dāng)時認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。