基于無線傳感網絡的機器人競賽裁判系統設計

王 旭，王洪陽

（1.北京科技大學工程訓練中心，北京 100083；2.北京深藍智能機器人研究院，北京 100083）

0 引言

近年來，各類機器人競賽層出不窮。機器人的比賽形式大致分為兩種：任務型和競技型。其中競技型賽事因其高綜合性的機器人技術、豐富的機器人類型、激烈的對抗形式、多變的比賽場景吸引了越來越多的高校參與其中，參賽學生需要在技術實現、策略配合和團隊協作等方面進行綜合競技。

為增加競技賽的趣味性，競技賽規則的得分形式多采用電子競技游戲中“攻擊減血”模式，比賽中通過有效擊打對方機器人實現減血功能。場上比賽機器人數量多，得分點分散，需要一個自動裁判系統，能夠實時感知場上所有機器人的狀態、位置信息，并同時記錄、統計、顯示雙方機器人的得分情況，以減少人工裁判的誤判、漏判現象，更好地實現比賽的公平性與觀賞性。

1 功能分析

裁判系統的設計需求基于全國大學生機器人大賽ROBOTAC比賽。比賽規則要求參賽雙方的輪式機器人、高地上的堡壘安裝有擊打感知模塊，具有“被攻擊減血”“擊毀斷電”功能；所有機器人裝有全場定位模塊，用于機器人之間、機器人與場地道具之間的位置檢測；同時要求機器人和場地道具的所處狀態、比賽時間、得分情況能夠實時顯示在比賽現場的大屏幕和直播畫面上。基于以上要求，所設計的競賽裁判系統分為：擊打感知、全場定位、數據傳輸和裁判系統上位機等模塊。

擊打感知模塊：安裝在輪式機器人及堡壘上，用以有效檢測機器人或堡壘受到的擊打，擊打感知范圍在5～16g（g=9.8 m/s2）；

全場定位模塊：安裝在機器人上，能夠實現比賽場地上150 m2范圍內平面坐標的定位，通過檢測機器人之間或機器人與場地道具間的相對距離，根據規則賦予機器人具有特殊功能，定位精度要求在15 cm以內；

數據傳輸模塊：將場上機器人和堡壘的實時狀態信息，以無線方式傳輸給裁判系統，要求通訊穩定、采樣周期小于10 ms，延遲時間小于200 ms；

裁判系統上位機：收集場上各單元狀態信息，客戶端實時顯示、自動計時、自動判定比賽勝負。

2 系統設計

2.1 擊打感知

測量擊打力，一般選用壓力傳感器或加速度傳感器兩種方案，通過預先設置閾值，提取有效擊打力產生的電信號，判斷是否受到有效打擊。由于ROBOTAC比賽中機器人的對抗是機器人的執行機構直接物理接觸，需要檢測機器人整體受到的擊打力，因此選用加速度傳感器方案來檢測擊打力。

2017年，我國甘薯總產量7 057.1萬t,按照55%的加工比例和20%的產品原料比,當年我國甘薯加工品產量約為780萬t．戴起偉等[5]估算結果顯示,當前我國國內甘薯加工產品消費量約在500萬t以上,因此，粗略估算,我國甘薯加工品的年出口水平應在200～280萬t之間．

3 軸ADXL345 數字加速計，具有尺寸小（3 mm×5 mm×1 mm，LGA封裝）、分辨率高（最高13 bit）、量程可變、靈敏度高（最高3.9 mg/LSB）且內部有多種運動狀態檢測和靈活的中斷方式等特性，支持標準的I2C或SPI 數字接口，自帶32 級FIFO 存儲。選用STM32F103C8T6 嵌入式微控制器作為主控芯片進行信號的采集和處理，并對處理后的數據進行判斷是否滿足被有效擊打條件。

設計電路原理如圖1 所示。

圖1 ADXL345數字加速度計和微控制器電路原理圖

機器人受到有效擊打后的所處狀態，通過可編程控制的LED燈組顯示，在受到3 次有效擊打后通過控制大功率MOS 管控制機器人的電源通斷。由于采用3.3 V低電壓信號控制12 V電源信號，所以控制信號使用光耦器件隔離，并在LED驅動端用三極管做開關來控制LED驅動電流的通斷電。LED 燈和電源控制電路原理圖如圖2 所示。

圖2 LED燈和MOS管控制電路原理圖

2.2 全場定位

室內定位技術涉及陀螺儀+碼盤、激光雷達、視覺、到達時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）等。結合本系統開發需求，采用基于TDOA 原理的超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術方案。UWB技術具有系統復雜度低，對信道衰落不敏感，定位精度高等優點，適用于室內場景的高速無線接入。

通過3 個基站可檢查到兩組TDOA，即可確定被測點的坐標。由于比賽場地是室內正方形區域，并且高度變化可以忽略不計，采用二維定位的方式在場地的4 個角落放置各放置一個基站，即可測得場地內機器人精確的位置信息。基于TDOA的定位原理如圖3所示。

本方案UWB定位模塊基于DWM1000 芯片開發，DW1000 芯片集成了天線，尺寸小巧，定位精度為10 cm，數據傳輸速率6.8 Mb/s，通信距離300 m，在20 m半徑內，標簽的密度可以有1.1 ×104個。

圖3 基于TDOA的定位原理示意圖

數據處理與交換選用STM32F103C8T6 微控制器，距離測量數據結果通過串口和擊打感應裝置進行通信。定位模塊電路原理如圖4 所示。

圖4 基于DWM1000的全場定位模塊電路原理圖

2.3 數據傳輸模塊

數據的實時傳輸采用無線通信方式，常見的無線傳感網絡通信方式有WiFi，藍牙和Zigbee。表1 為3種無線方式的特性對比。

表1 無線通信方式特性對比表

設計采用了超小尺寸的USR-C215 超低功耗串口轉WiFi模塊，該WiFi 模塊硬件上集成了MAC、基頻芯片、射頻收發單元以及功率放大器；支持WiFi協議，可實現UART設備的聯網功能。數據傳輸模塊電路原理如圖5 所示。

圖5 數據傳輸模塊電路原理圖

由于比賽中每次的傳輸數據量較小，要求低延時，因此采用用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）進行數據傳輸。UDP 發送數據前不需要建立連接，提供最大努力的交付，實時性強，網絡中的擁塞不會影響主機的發送速率。本設計UDP 數據格式包含了幀頭、幀尾、設備號、紅藍分組等13 個Byte，具體信息如表2 所示。

表2 裁判系統數據傳輸UDP協議數據格式

2.4 裁判系統上位機

裁判系統的上位機具有3 個功能：通信配置、比賽控制、屏幕顯示。

（1）通信配置。在通信配置界面可以配置WiFi通訊的方式UDP通信，通信的IP地址和端口號（見圖6）。

（2）比賽控制。比賽控制界面可以實現比賽類型和手動加減分、選擇配置學校名稱、選擇道具的組別、控制投影顯示等功能，如圖7 所示。

（3）屏幕顯示。比賽現場大屏幕顯示比賽信息，包括比賽時間、隊伍名稱、比賽得分、對陣雙方的機器人的擊打感應裝置的受打擊次數等信息，如圖8 所示。

圖6 上位機通信配置界面

圖7 比賽控制界面

3 系統功能與分析

3.1 擊打感知模塊

比賽中使用的機器人傳感單元電路集成了擊打感知、全場定位、數據傳輸3 個模塊，控制電路板實物如圖8 所示。

圖8 機器人傳感單元控制電路板

為在比賽中快速換裝不同場次的機器人傳感單元，外殼設計有快速拆卸的接口和底座。電源接口采用了XT60，裝置主機和從機之間的互聯接口采用了10 pin 牛角座。機器人傳感單元外殼設計圖如圖9所示。

圖9 機器人傳感單元外殼設計圖

3.2 擊打感知信號處理算法

機器人正常運動和受到擊打時產生不同的加速信號，可以通過采集信號變化判斷機器人是否受到有效擊打。

信號處理算法流程圖如圖10 所示。

圖10 基礎信號提取流程圖

這種算法可以有效檢測到擊打但是容易在機器人快速加減速或碰撞場地圍欄等狀態下做出誤判。通過測試發現正常被打擊時，ERR 變化的斜率很大，而且回復速度很快。當機器人掉下場地中的高地或撞到場地固定道具時，ERR變化的斜率較緩，且會持續震蕩，回復速度較慢。根據這個現象修改了信號的提取算法流程圖如圖11。

圖11 改進后信號提取流程圖

改進后的算法可以明顯過濾掉機器人在場地上跌落和撞擊場地道具產生的誤判，提高了比賽中的擊打有效檢測識別率。

不同狀態下的加速計信號如圖12 所示。

圖12 不同狀態下加速計信號圖

通過信號分析可見，基本信號特征的提取算法只包含縱軸的幅值特征，設定幅值的閾值大小之后在撞擊圍欄、臺階跌落這兩種不應觸發有效打擊的狀態下，也會因為算法判定為有效打擊。對基礎信號特征提取算法進行改進，加入對縱軸時間的判斷，設定時間閾值范圍。這樣就可以剔除撞擊圍欄和臺階跌落的長時間回復信號，同時剔除信號跳變造成的個別異常數據。

4 結語

該裁判系統滿足了當前競技型機器人比賽的裁判使用需求，實現了比賽中各機器人和比賽道具狀態通過無線方式與裁判系統實時通信，具有顯示比分和自動判罰的功能，減少人工裁判的誤判、漏判現象，有效提高比賽的公平性與觀賞性。