基于STEAM的機器人競技平臺研發 *

李 巍，徐海峰，付韻豪，王永立，李 兵

(1.湖州新起橙教育科技有限公司，浙江 湖州 313000； 2.湖州師范學院 工學院，浙江 湖州 313000)

0 引 言

目前，機器人競賽已成為機器人技術交流的重要途經。國外在機器人協作技術方面的研究起步較早，如美國學者基于行為研究分析和機器人群體行為設計建立 Socially Mobile和The Nerd Herd系統[1]。國內近年來在機器人協作技術上也取得了一定的成果[2]。與此同時，STEAM教育和創客理念在教育界得到了關注和迅速發展。在此背景下，筆者研制了一種機器人競技平臺，融合STEAM教育和創客理念，通過編程來培養中小學生的邏輯思維能力，同時提供機器人協作技術交流平臺。

筆者設計的機器人競技平臺分為競技場地和機器人本體兩部分。競技平臺安裝傳感器、Lora模塊、顯示屏等；機器人安裝超聲波、紅外線、攝像頭、無線遙控、藍牙等裝置，連接在Arduino開發板上。競技平臺能夠實現多機器人的競技賽和對抗賽，其中包括繞障礙行走競賽、射擊比賽、舞蹈競賽以及3V3、5V5的團隊協作比賽等。平臺可針對機器人本體提供遙控或自動控制模式，在比賽過程中實時計分，并自動判斷比賽勝負。

1 競技平臺方案設計與場地設計

機器人本體構建需要先建立原始三維模型，根據比賽要求添加驅動電機和其他功能模塊，確定機器人的控制方式?？刂破髋c傳感器設計需根據比賽類型確定傳感器類別，并利用傳感器對系統運行的環境情況進行監測，控制方案可根據比賽要求選擇遙控或自主編程控制。計分與檢測系統設計需確定計分系統的信號傳輸模式，設計場地中的計分感應裝置，完成與主機的通訊，實時的完成比賽計分與檢測計時。圖像識別與處理系統設計需完成攝像模塊選型設計，攝像模塊需要對圖像進行預處理，分析取樣圖片的物理特征，把結果反饋給控制器，做出相應的控制。由于本文設計的機器人競賽平臺目標受眾群體是中小學生，因此選擇可視化編程軟件scratch。機器人競技平臺方案設計流程如圖1所示。

圖1 機器人競技平臺方案設計流程圖

競技場地設計為兩個基地，呈對角線排列。為提高比賽趣味性，在場地設計中添加豐富的地形，如橋梁、地下通道、高地、丘陵等，同時劃分多種不同功能的區域來滿足不同類型的競技比賽要求。例如多機器人對抗賽中，雙方互相選定自己的基地區域、補給區域、戰斗區域等。場地中鋪設黑色循跡線，機器人通過紅外傳感裝置感應，來完成循跡行駛。Lora檢測模塊放置在每個陡坡上，用來實時傳輸比賽數據。利用音響、大屏幕和標語打造沉浸式競賽體驗，已搭建的競技場地如圖2所示。

圖2 競技場地

2 競技機器人模塊設計

競技機器人本體采用模塊化設計，如圖3所示。輸入部分包括紅外模塊、超聲測距模塊、攝像模塊、無線遙控模塊等。輸出部分包括電機驅動模塊、舵機、機械臂、藍牙模塊等。傳感器將檢測到信號傳輸至控制器中，控制器分析該輸入信號來控制電機，同時檢測機器人運行速度和轉向角度，實現機器人運動的精準控制。機器人底座上安裝云臺和舵機。

圖3 機器人本體模塊化設計示意圖

機器人的主控單元采用Arduino開發板。由于本設計是面向中小學生，為了使他們能夠迅速地熟悉和掌握編程方式，選擇可視化編程軟件scratch。

2.1 紅外模塊

機器人的循跡功能由兩個紅外傳感器實現。紅外傳感器主要用于顏色的判斷和檢測。競賽場地中設置黑色路徑引導線，由于深色物體具有吸熱的能力，當產生熱量的紅外線遇到深色物體時更多是被吸收，即判別所遇到的物體是深色還是淺色。將電壓比較器與左右兩側的紅外傳感器連接，即可通過電壓比較器的輸出電平判斷機器人的位置，進而做出相應的調整。

2.2 超聲波測距模塊

機器人除可用遙控方式人工避障外，還可以使用超聲波傳感器編程實現自動避障。本設計的超聲測距模塊采用HC-SR04超聲波傳感器。超聲波傳感器向某一方向發射超聲波，同時控制電路開啟內部定時器用于記錄超聲波由發射到接收的時間，超聲波遇到障礙物后被反射回超聲波接收器，控制電路再根據相應的物理計算，判斷障礙物的距離來實現提避障功能[3]。

2.3 攝像模塊

攝像模塊擬采用CCD攝像頭，實時拍攝照片并將信號傳遞給控制器，實現在不同的路況下的自動控制。攝像頭、舵機和WiFi模塊整體安裝在機器人上方，WiFi模塊將攝像頭的影像傳輸回iPad、手機、電腦等接收端。操作者手中的遙控手柄除了可以控制機器人動作外，還可控制攝像頭上的舵機，讓攝像頭轉向拍攝。當機器人處于自動控制模式下。系統能夠對連續拍攝到的圖像進行取樣，經過圖像處理提取形狀、數字、字母等物體的特征進行識別，進而控制機器人的下一步動作。

2.4 無線遙控模塊

無線遙控模塊采用2.4 G無線通信技術。傳輸頻率高達2.4 GHZ，含有400個頻點。使用高頻率來作為機器人遙控信號能夠保證通信的穩定性，同時由于帶寬比較寬，防干擾能力得到進一步加強。實際應用時，因遙控距離不遠，干擾信號不多，信號的強度能夠得到保障。

2.5 計分與檢測系統

計分系統采用的是Lora模塊進行廣播式透明的傳輸模式，由一個Lora接收器和按需求個數的Lora發射器組成。場地中每個加分位置均放置感應裝置，由一個LoRa模塊，一個探測器模塊，和一個Arduino Nano 模塊組成。機器人完成的任務不同，所使用到的探測器也不同。在一個加分過程中，探測器接受到完成任務發出的信號以后，將信號傳輸進入Arduino Nano板，Nano則通過Lora發射信號給接收器，此時接收器再發出信號給主機，完成整個加分記錄的過程。計分檢測系統可以自動實時地判定比賽的勝負，使競賽的操作和規則更趨于簡單化，減少競賽結果判斷的人為誤差，提高比賽效率。

3 總 結

研制的機器人競技平臺具有功能全面、操作簡單和運行穩定的優點，能夠實現遙控和編程自動控制。機器人本體采用模塊化設計，便于學生改裝。平臺計分系統減少了人為判定的誤差，數據處理與顯示軟件能夠實時顯示比賽狀況。該平臺為機器人競技比賽和中小學生STEAM教育提供了可靠設備。