武術機器人的研究

沈新鋒

（南京信息工程大學信息與控制學院,南京210044）

0 引言

本文研究武術擂臺機器人的整體結構和攻擊算法，在理論上和實際應用上盡可能的使機器人實現高靈活的運動狀態[1]。機器人各部分設計包括攻擊部分、驅動部分、檢測部分。對機器人進行結構設計，確定了機器人的整體布局，設計了機器人的主要活動部件、外殼、電機和輪子[2]。針對距離、位置及黑線等的測試，選擇了一些適應機器人的傳感器，為算法的編寫提供了可靠的硬件。

1 總體設計方案

整個武術機器人的設計，主要由單片機主控模塊、無線模塊、驅動模塊、電源供電模塊等部分組成[3]。

整個系統都以單片機STM32F103作為系統的主控芯片，由電源供電模塊供電；武術機器人采用的底盤為四輪小車，小車周圍布置有傳感器，用來偵測周圍敵人。當發現敵人，機器人會調整方向轉而去攻擊，攻擊過程采用加速方式。如果機器人四圈的傳感器未檢測到敵人，機器人在可檢測范圍內轉一個圈繼續尋找。如果被敵人撞到邊界處或是機器人自己走到邊界處，機器人會躲避敵人攻擊，以免掉落擂臺輸掉比賽。

2 硬件設計方案

本系統采用STM32F103單片機作為主控制器。STM32F103是一種低功耗的控制器，采用外部時鐘，晶振頻率可達72Mhz，具有多個通用IO口并且片上外設資源豐富，可以達到本系統各個部分的要求。

系統硬件上采用小車底盤，直流減速電機，驅動模塊L298n，漫反射式避障傳感器E18-D80HK，超聲波傳感器HY-SRF05，藍牙HC-06。在機器人機械結構上[4]，采用四個漫反射式避障傳感器架高安裝在機器人四個角，用以檢測邊界，防止機器人從擂臺上掉落。機器人前方安置三個漫反射式避障傳感器，后方同樣如此，機器人車身兩邊各安裝一個漫反射式避障傳感器。這就構成了機器人的檢測部分。為了干擾敵人的檢測，我們在小車的身上貼滿了黑膠帶，對方的探測將會受到影響。攻擊部分我們設計了兩個斜坡式的鐵片，用以將敵人鏟起，從而增強攻擊力。為了方便機器人的靈活運動，我們開發一款手機藍牙APP，用以與機器人車身上的藍牙模塊進行匹配，機器人在擂臺上進行比武時，用戶可以通過手機屏幕上的虛擬按鍵控制機器人的啟動與停止，這大大方便了比賽的進行。

對于直流減速電機的控制，比如驅動模塊的輸出端A+和A-分別接上電機的兩個輸入端，對應的驅動模塊上的INA+和INA-則是由單片機來控制，此控制用來控制電機轉的方向，而控制電機轉速的則是通過給驅動模塊上的輸入端ENA送PWM波，通過調節PWM波的占空比即可控制電機的轉速。其他的電機控制與此種控制方法一樣。

對于漫反射式避障傳感器，此傳感器的最大檢測距離可以達到80cm，與單片機相連時需要上拉電阻，當然單片機的引腳控制具有上拉功能，可不需要外接上拉電阻。漫反射式避障傳感器與單片機相連，其輸送的是開關量，對于邊界檢測和敵人探測不同應用，可以通過調節漫反射式避障傳感器上的電位器來滿足相應的功能。

對于超聲波傳感器，此傳感器探測距離可以達到700cm，在本研究中，只選用了50cm以內的測量范圍，同樣滿足需求。本研究中使用了兩個超聲波傳感器，位于機器人身上的一前一后。在擂臺比賽中，對于黑顏色的敵人將不容易探測到，超聲波的探測提供了一種可靠的方案。

3 系統軟件設計

3.1 探測和攻擊程序

程序首先初始化各個模塊，當機器人位于擂臺上時，機器人完成各種硬件的初始化，然后等待用戶按下按鍵來啟動機器人。當用戶按下虛擬按鍵，機器人便開啟探測模式。機器人在探測過程中，使用周邊漫反射式避障傳感器進行掃描，如果掃描到敵人則開始啟用攻擊模式，根據敵人位置轉角對準敵人，然后使用斜坡式鏟子將敵人掀翻或者將敵人推至場外。在漫反射式避障傳感器掃描時，如果一前一后的正中央的漫反射式避障傳感器檢測到敵人，同時啟用超聲波傳感器，如果超聲波傳感器也檢測到敵人，則啟動大程度上的攻擊，即機器人走的距離更遠。

在上述的檢測完成后，機器人啟用超聲波傳感器進行探測，一方面確認前方和后方是否還有敵人，如果有則繼續攻擊，如果沒有，則跳轉到找尋模式。在找尋模式中，機器人轉一個小角度，然后再向前走一小段，整體看上去的效果是在機器人沒有探測到敵人的時候，機器人圍繞著一個點進行轉圈，以便當有敵人進入探測范圍，機器人可以展開新一輪的攻擊。

3.2 邊界檢測程序

在整個機器人設計中，為了使武術機器人能順利打敗對手，自我保護顯得相當重要。邊界檢測必須放在第一位，所以本設計將邊界檢測的程序放在中斷中進行。由于在設計中只使用了一個電源給整個機器人供電，所以在電機換向的時候對邊界檢測的幾個傳感器影響特別大，引發誤判斷。本設計中在中斷程序中加入了檢測值判斷語句，解決了誤判斷這一難題。邊界檢測不僅在機器人向敵人展開攻擊時發揮著作用，而且在沒有敵人的情況下受到一些干擾同樣也發揮著重要的作用。

4 結束語

本研究在機器人武術擂臺賽研究的基礎上，規劃了比賽的方案，程序，對武術機器人的控制系統進行了設計和試驗，并通過在實際場地上進行模擬對戰的結果進行分析，對武術擂臺賽機器人的控制系統進行了多次修改及調試，最終得到了比較滿意的結果。

[1]博創科技.創意之星模塊化機器人指導書[M].北京博創科技公司，2010年:全.

[2]李永新,楊杰,陳小平,等.國內機器人比賽[J].控制系統,2003,7(03):54.

[3]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(09):全.

[4]張悅.武術擂臺技術挑戰賽機器人整體設計[J]. 機器人技術與應用,2010(04):38-40.