武術擂臺賽無差別組機器人目標搜尋策略

李志凌，周 燦，董國剛，郭新亮，鄧本再

(長沙理工大學，長沙410076)

1 引言

以中國機器人大賽武術擂臺賽為背景設計，著重介紹無差別組武術擂臺賽機器人運動路徑控制策略設計。

2 機器人概況

武術擂臺賽機器人采用四輪驅動結構，金字塔外形結構，機器人裝有10個紅外傳感器和4個灰度傳感器。

機器人紅外傳感器分為兩組，每組5個，分別橫向一列裝在機器人前方和后方用于前后向測距。4個灰度傳感器分別裝于機器人四周底部，用于判斷機器人自身位置及擂臺邊緣。傳感器分布圖如圖1所示，帶陰影的方塊為紅外傳感器，黑色方塊為灰度傳感器。

圖1 傳感器分布圖

3 搜尋路徑控制策略分析

控制策略是機器人進行比賽的靈魂，在攻防外形合理的情況下，運用恰當的控制策略，有助于機器人贏得比賽勝利。在比賽過程中，機器人要時刻判斷自身在搏擊過程中所處境遇的優劣，及時做出調整，通過進攻、防守策略的選擇來鞏固優勢或扭轉劣勢。由于比賽時間有限，可能出現雙方機器人僵持的局面，此時要以推下棋子的數量來判定比賽勝負。因此，機器人并不能僅僅停留在場地中心位置消極防守，要在搏擊過程中設法推下盡可能多的棋子。

因此，機器人的目標搜尋控制軟件設計必然包含以下功能:

(1)能實時偵測自己和敵方在場地上的位置;

(2)可以分辨敵方機器人和障礙棋子;

(3)未偵測到對象時的情況處理。

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3.1 環境判斷

武術擂臺賽的賽臺如圖2所示，臺上表面即為擂臺場地。底色從外側四角到中心分別為純黑到純白漸變的灰度。機器人可以通過裝在底部的灰度傳感器來檢測賽臺上的灰度值從而確定自己在擂臺上的位置。

根據擂臺特征將其分為幾個區域:區域1為安全區，機器人可以在安全區域內全速運行;區域2為警戒區，由于靠近賽臺邊緣，在這一區域內機器人要采取一定的措施防止掉下擂臺;區域3為危險區，在賽臺四個角上的區域，灰度沒有太大差別，機器人很難識別，因此最好不要進入這一區域。

圖2 擂臺區域圖

3.2 目標判斷

在擂臺上，目標只有兩種可能，不是棋子就是對方的機器人。有兩種方法可以用來判斷對象，一種是利用寬度判斷對象，根據機器人調整方向后，檢測到目標的紅外傳感器數量可以區別出對方機器人或棋子。若檢測到目標的傳感器數量低于3個，則為棋子;若大于等于3個，則為對方機器人，如圖3所示。

另外一個方法就是利用目標高度進行判斷，由于棋子和對方機器人的高度是有差別的，可以通過調整相應紅外傳感器的高度，利用高度不同的傳感器檢測對象，從而達到判斷目標的目的。若只有低處的傳感器檢測到對象，則為棋子，若高低傳感器都檢測到對象，則為對方機器人，如圖4所示。

圖3 用寬度檢測對象示意圖

圖4 用高度檢測對象示意圖

3.3 運動路徑選擇

競賽中如何以最快速度且在最大保證自身安全前提下，搜尋到對方機器人，從而有效調整攻擊策略將對方打下擂臺，是獲取比賽勝利至關重要的一環。針對武術擂臺比賽場地和規則特點，對機器人的目標搜尋運動路徑分析如下:

(1)按照圖5(a)所示路徑，機器人每次前進運動到達危險區域時就旋轉一個角度，然后繼續前進，這樣的運動路徑不穩定，隨機性太強，具有很大的盲目性。

(2)若以圖5(b)的圓圈形作為搜尋路徑，這種路徑是最簡單的，除了中心目標可能被忽視之外，是尋找目標最快的一種方式。但是這種路徑始終都是保持著側面面向場地中心，容易被對方進行側面攻擊，而機器人的側面往往是防御最弱的地方，所以這種方案不可取。

(3)圖5(c)中的米字型搜尋路徑，因為機器人正背兩面都裝有紅外線傳感器，所以在走“米”字時均能對行進方向和反向進行檢測，而且始終都是正面或者背面面對擂臺中心，相對來說安全性是最高的。

4 實驗與調試

根據前面的思路，設計的程序流程圖如圖6所示。

給出的參考程序如下:

}//每次前方灰度傳感器到達中心區域旋轉0.1S(S旋轉一個角度設定值)，然后倒退出中心區域，直到前方灰度大于145，同時執行前方進攻和后方進攻。

}//每次后方灰度傳感器到達中心區域旋轉0.1S(旋轉一個角度)，然后倒退出中心區域，直到前方灰度大于145，同時執行前方進攻和后方進攻。

圖5 不同搜尋路徑示意圖

圖6 程序流程圖

分別用“米”字型路徑和無規律路徑進行推棋測試，記錄兩種不同路徑下推完棋子所用時間，如表1所示。

表1 “米”字型路徑和無規律型路徑推完棋子所用的時間

5 結束語

無規律型路徑不定因素太大，失控性高，推棋所需時間波動太大，側面面對擂臺中心的情況較多，危險性高。“米”字型路徑相對來說穩定性更高，推棋所需時間波動小，且時刻保持前向或者后向面對擂臺中心，安全性很高。所以相對隨機路徑來說，“米”字搜尋路徑運動控制策略效率更高，安全性更好。

文中對無差別組機器人比賽中機器人的搜尋路徑控制策略作了詳細介紹，著重提出了在無攻擊對象時機器人執行的走“米”字型策略，提高了機器人推棋子的效率和行進過程中的安全性，具有一定的參考價值。

［1］ 楊學軍，丁蓋蓋.防守型武術擂臺機器人的研究與實踐［J］.機器人技術與應用，2009(4):44-46.

［2］ 李衛國，王志剛.攻擊型武術擂臺機器人的研究與實踐［J］.機器人技術與應用，2009(4):41-43.

［3］ 孫旭日，周桔蓉.武術擂臺機器人的研究與實踐［J］.中國水運，2012，12(10):89-90.

［4］ 郝俊青.武術擂臺賽機器人的設計策略［J］.科技情報開發與經濟，2009，19(9):124-126.