沿墻走算法在競(jìng)賽滅火機(jī)器人中的應(yīng)用

李 霞， 孫秋鳳(南京師范大學(xué) 泰州學(xué)院， 江蘇 泰州 225300)

0 引 言

在《中國(guó)制造2025》行動(dòng)綱領(lǐng)中，提出的完善多層次多類(lèi)型人才培養(yǎng)體系中，“機(jī)器人”就是重點(diǎn)領(lǐng)域之一。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外迅速開(kāi)展的各類(lèi)機(jī)器人競(jìng)賽是推廣和普及機(jī)器人知識(shí)的良好載體，同時(shí)為機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐和研究工作提供良好平臺(tái)[1]，更好地促進(jìn)了人工智能控制技術(shù)和機(jī)器人的研發(fā)工作。

在各機(jī)構(gòu)組織開(kāi)展的如足球、滅火、服務(wù)機(jī)器人等比賽中，其中滅火機(jī)器人比賽最為引人關(guān)注[2]。機(jī)器人要完成滅火任務(wù)，首先要學(xué)會(huì)走迷宮，走迷宮的基本方法就是沿墻走。在機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程中，有采用1個(gè)超聲波傳感器進(jìn)行沿墻的；有采用2個(gè)、3個(gè)甚至更多傳感的[3-4]。本文設(shè)計(jì)考慮當(dāng)超聲波傳感器數(shù)量越多，機(jī)器人行走速度的分化越嚴(yán)重，相互的干擾就越大，甚至機(jī)器人行走過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)自相矛盾原地打轉(zhuǎn)現(xiàn)象。綜合考慮，本文運(yùn)用2個(gè)超聲波傳感器進(jìn)行沿墻，同時(shí)對(duì)機(jī)器人的行走以及尋找火源的過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)先級(jí)設(shè)置，達(dá)到了良好的行走效果[5]。采用Arduino Mega 2560為核心的控制板，成功實(shí)現(xiàn)了自主行走、快速尋找火源、完成滅火任務(wù)的機(jī)器人。

1 總體設(shè)計(jì)思路

滅火機(jī)器人的賽場(chǎng)示意圖如圖1所示，長(zhǎng)方形5 m×4 m，模擬4個(gè)房間。滅火規(guī)則是：用歐松板模擬4個(gè)房間，用蠟燭模擬火源，并且隨機(jī)分布在4個(gè)房間中，要求在最短的時(shí)間發(fā)現(xiàn)火源，發(fā)出警報(bào)，完成滅火任務(wù)。機(jī)器人設(shè)計(jì)要求：機(jī)器人形態(tài)沒(méi)有限制，但是長(zhǎng)、寬、高不超過(guò)30 cm；機(jī)器人在直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等功能。本設(shè)計(jì)在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中利用超聲波傳感器判斷機(jī)器人與墻壁的距離，避免碰撞，通過(guò)左右手法則實(shí)現(xiàn)沿墻走功能[6-8]；通過(guò)火焰?zhèn)鞲衅鲗?shí)現(xiàn)火源定位；通過(guò)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇來(lái)回180°旋轉(zhuǎn)，完成滅火任務(wù)。

圖1 場(chǎng)地示意圖

2 硬件平臺(tái)

該機(jī)器人采用Makeblock MeAuriga為主控板，該主控板的處理器核心是ATmega2560。該滅火機(jī)器人采用的是三輪結(jié)構(gòu)，前面用2個(gè)直流編碼電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)前驅(qū)，后面搭載一個(gè)萬(wàn)向輪便于轉(zhuǎn)彎，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于小車(chē)快速前進(jìn)。該主板上安裝了1個(gè)火焰?zhèn)鞲衅饔脕?lái)偵測(cè)火源、3個(gè)超聲波傳感器分別用來(lái)避障和循右墻和左墻、1個(gè)滅火小風(fēng)扇、1個(gè)9 g舵機(jī)用來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇搖頭功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)全面滅火功能。滅火機(jī)器人硬件總體架構(gòu)如圖2所示。滅火機(jī)器人實(shí)物圖如圖3所示。

圖2 滅火機(jī)器人硬件總體架構(gòu)圖

2.1 直流編碼電動(dòng)機(jī)

直流編碼電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊支持雙通道直流編碼電動(dòng)機(jī)，并且可以分別對(duì)其速度與方位進(jìn)行精確控制。相比較普通直流電動(dòng)機(jī)，優(yōu)點(diǎn)在于可以調(diào)控電動(dòng)機(jī)的PID參數(shù)，使它能在不同環(huán)境下達(dá)到最佳工作狀態(tài)[9-10]，精確控制小車(chē)前進(jìn)、左右拐動(dòng)作。

圖3 機(jī)器人實(shí)物圖

2.2 火焰?zhèn)鞲衅?/h3>

火焰?zhèn)鞲衅饔脕?lái)感測(cè)火源，選用的Makeblock 11036火焰?zhèn)鞲衅魈綔y(cè)角度可達(dá)60°，反饋時(shí)間15 μs，靈敏度較高。如果火焰高5 cm，約1 m范圍時(shí)就能檢測(cè)到火焰，火源靠得越近，返回值越小。

2.3 超聲波傳感器

超聲波模塊是一個(gè)用來(lái)測(cè)量距離的電子模塊，選用的超聲波模塊測(cè)量范圍是3～400 cm，用來(lái)幫助小車(chē)避開(kāi)障礙和實(shí)現(xiàn)小車(chē)沿墻走功能。工作電壓5 V，測(cè)量角度30°，超聲波頻率42 kHz。

2.4 風(fēng) 扇

采用塑料片小風(fēng)扇，風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)模塊采用是130電動(dòng)機(jī)模塊，速度可達(dá)10 000 r/min, 可以很好地實(shí)現(xiàn)滅火功能。當(dāng)發(fā)現(xiàn)火源時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行滅火。

2.5 9 g舵機(jī)

9 g小舵機(jī)是一種角度伺服的驅(qū)動(dòng)器，角度可達(dá)180°，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)[11]。常見(jiàn)于遙控機(jī)器人、航模、飛機(jī)模型等機(jī)械部件中。在該滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了達(dá)到理想的滅火效果，把風(fēng)扇固定在舵機(jī)上面，這樣可以實(shí)現(xiàn)搖頭滅火功能。實(shí)現(xiàn)搖頭功能主要從以下幾個(gè)方面考慮：① 因?yàn)榛鹧鎮(zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到火焰，小車(chē)就停止前進(jìn)，這時(shí)小車(chē)所處的角度不一定正對(duì)火焰，為了避免浪費(fèi)時(shí)間去調(diào)整小車(chē)位置，所以采用搖頭設(shè)計(jì)。② 從機(jī)器人的實(shí)用性角度考慮，以及實(shí)際生活中火源往往不是局限于一個(gè)點(diǎn)，可能是一個(gè)面，所以搖頭滅火更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

(1) 沿墻算法。因?yàn)榛鹪词请S機(jī)放置在房間內(nèi)，需要機(jī)器人自主完成尋找火源，該設(shè)計(jì)主要采用了左右手法則，進(jìn)行沿墻走。前進(jìn)尋找火源時(shí)采用右手法則，返回采用左手法則。右手法則就是機(jī)器人把右邊的墻壁看成參照物，機(jī)器人貼右側(cè)的墻壁實(shí)現(xiàn)行走的方法。規(guī)則是：靠近墻壁，離開(kāi)墻壁，遠(yuǎn)離墻壁，又接近墻壁。方法看似矛盾，機(jī)器人就是在不斷解決這對(duì)矛盾的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)自主行走[12]。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中3個(gè)傳感器的調(diào)試比較耗時(shí)和難控制，一旦小車(chē)的速度、轉(zhuǎn)彎時(shí)間以及與墻壁的距離設(shè)置不好，會(huì)導(dǎo)致小車(chē)出現(xiàn)原地發(fā)抖打轉(zhuǎn)。綜合考慮采用了兩個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)右手法則。根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)，一個(gè)超聲波傳感器朝正前方；另一個(gè)在車(chē)身右側(cè)中間朝右前約50°。小車(chē)返回時(shí)采用左手法則。因?yàn)樽笫趾陀沂址▌t原理一樣，所以不再重復(fù)描述。

在算法設(shè)計(jì)過(guò)程中，為使小車(chē)能有條不紊地尋找火源并滅火，該設(shè)計(jì)對(duì)程序的各模塊進(jìn)行了優(yōu)先級(jí)的仲裁處理。首先是通過(guò)火焰?zhèn)鞲衅髋袛嗍欠裾业交鹪矗绻业絼t進(jìn)行滅火，因此，判斷是否檢測(cè)到火焰模塊為第1優(yōu)先級(jí)；其次，通過(guò)前方超聲波傳感器，避免撞墻，進(jìn)行左轉(zhuǎn)為第2優(yōu)先級(jí)別；然后通過(guò)右側(cè)超聲波傳感器判斷是否靠近墻，靠近則左轉(zhuǎn)，如果遠(yuǎn)離墻則右轉(zhuǎn)為第3優(yōu)先級(jí)別；如果距離適中，則直行，直行為最低優(yōu)先級(jí)別[13]。

(2) 程序算法流程圖。沿墻算法流程圖如圖4所示。

圖4 沿墻算法流程圖

(3) 部分實(shí)現(xiàn)代碼。根據(jù)賽前實(shí)地環(huán)境測(cè)試，當(dāng)火焰高度2 cm，傳感器與火焰的距離20 cm時(shí)，傳感器返回值小于40。為了達(dá)到更好的滅火效果，程序設(shè)定當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鞯闹敌∮?0時(shí)，小車(chē)停止前進(jìn)，啟動(dòng)風(fēng)扇滅火。實(shí)現(xiàn)代碼如下:

if((flameSensor_9.readAnalog()) < (40)){

move(1,0);//停止前進(jìn)

Runfan();//啟動(dòng)風(fēng)扇模塊

}

該設(shè)計(jì)中，風(fēng)扇是可以實(shí)現(xiàn)搖頭全面滅火的，主要是通過(guò)逐步調(diào)整舵機(jī)角度實(shí)現(xiàn)的。風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)180°代碼如下：

for(int i=0;i<180;++i) {

c += 1; //表示度數(shù)增1

servo_8_2.write(c);

dc130_run(7,1);//表示7號(hào)端口，風(fēng)扇以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)

}

要實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇來(lái)回來(lái)旋轉(zhuǎn)，用另一循環(huán)，使舵機(jī)的角度逐步減1就能實(shí)現(xiàn)。程序中設(shè)定前超聲波探測(cè)距離小于15 cm，以及右側(cè)超聲波距離以10 cm作為臨界，是根據(jù)比賽場(chǎng)地、機(jī)器人的造型、機(jī)器人的速度、機(jī)器人的實(shí)際行走效果反復(fù)試驗(yàn)所設(shè)定的。代碼中TurnLeft()和TurnRight()是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人左、右轉(zhuǎn)的模塊。在左、右轉(zhuǎn)模塊中，通過(guò)調(diào)整編碼電機(jī)的參數(shù)：角度、速度，使小車(chē)達(dá)到理想行走效果。小車(chē)沿右墻的實(shí)現(xiàn)代碼如下：

if ((distancef) < (15)) { //前方有墻，前超聲波距離小于15 cm

TurnLeft(); //左轉(zhuǎn)

} else {

if ((distancer) < (10)) { //右側(cè)超聲波測(cè)距，太靠近墻

TurnLeft(); //左轉(zhuǎn)

} else {

if ((distancer) > (15)) { //離右墻偏遠(yuǎn)了，需要靠近墻

TurnRight();//右轉(zhuǎn)

} else {

ForWard();//小車(chē)前進(jìn)

}

(4) 調(diào)試結(jié)果。滅火機(jī)器人競(jìng)賽過(guò)程中小車(chē)撞墻次數(shù)、是否正確轉(zhuǎn)彎和以及是否準(zhǔn)確找到火源，對(duì)競(jìng)賽的結(jié)果產(chǎn)生重要影響[14]。在賽前做了充分的測(cè)試。對(duì)機(jī)器人在一個(gè)房間的沿墻走進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試設(shè)定的參數(shù)是根據(jù)小車(chē)硬件設(shè)置確定的，進(jìn)行10次的測(cè)試結(jié)果如表1所示。多個(gè)超聲波傳感器在工作的時(shí)候會(huì)造成回波互相干擾，影響系統(tǒng)的精度以及實(shí)用性[15]，測(cè)試中通過(guò)調(diào)整超聲波的角度，減少干擾，提高效率。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于Arduino Mega 2560為控制核心的競(jìng)賽滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)，主要包括設(shè)計(jì)方案的擇優(yōu)，硬件的選擇，對(duì)程序塊進(jìn)行優(yōu)先級(jí)仲裁，提高了滅火效率。對(duì)滅火機(jī)器人沿墻走算法進(jìn)行了理論和實(shí)踐研究，同時(shí)考慮了滅火機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用，采用了搖頭滅火的方式。在賽前進(jìn)行了充分測(cè)試，使參數(shù)達(dá)到最優(yōu)。比賽過(guò)程中，機(jī)器人能穩(wěn)定運(yùn)行，正確尋找到火源，啟動(dòng)滅火裝置，成功滅火。結(jié)果表明，該機(jī)器人具有一定的實(shí)用價(jià)值，為以后的競(jìng)賽滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供一個(gè)研究思路和方向。

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