時 存 車玉秋 郭丹蕊

（鄭州電力高等?？茖W校,鄭州, 450000）

0 引言

目前，機器人技術越來越受到大眾的青睞，無論是工業(yè)機器人代替人類進行繁重勞動，還是服務機器人代替人類完成掃地、安檢、巡視等工作[1]，人類的雙手正隨著機器人的大量應用而二次被解放出來。當下，創(chuàng)客教育正逐步將接受機器人教育者向小齡化推進，從小學到大學，機器人開發(fā)熱成為素質教育最為熱門的話題之一。其中，輪式機器人因其結構簡單、驅動及控制方式靈活，率先成為機器人研發(fā)的寵兒[2]。近幾年競技機器人比賽的普及，也為更多的人投入對抗型移動機器人的研發(fā)和制作提供了實踐平臺。

本文以目前普及較廣的對抗型機器人擂臺賽為研究背景，采用北京博創(chuàng)尚和科技有限公司推出的創(chuàng)意之星模塊化機器人套件包（標準版）搭建的輪式機器人作為研究對象，通過分析機器人結構和程序邏輯，闡述機器人在擂臺賽中進攻策略的優(yōu)化及結構的改進方法。

1 機器人系統(tǒng)分析

本文搭建的輪式機器人如圖1 所示，其底盤為不規(guī)則六邊形，4 個電機帶動4 個輪子安裝在底盤左右兩側。機器人采用基于ATmega128 單片機的AVR 控制器實現(xiàn)控制，由7.2V 鋰聚合物電池組給控制器和電機供電，電壓范圍6.5V-8.4V，放電電流5A-10A；其車輪采用直流電機驅動，由于機器人結構尺寸不能超出300mm×300mm，電機驅動器安裝位置受限，故左側2 個電機和右側2 個電機各由1個驅動器驅動，機器人左右轉彎依靠兩側的車輪差速來實現(xiàn)；機器人可采用NorthStar 圖形開發(fā)環(huán)境編程，亦可采用C 語言程序代碼進行編程。

圖1 輪式機器人

2 比賽場地和規(guī)則

2.1 比賽場地規(guī)格及參賽要求

如圖2 所示，中間比賽場地長×寬×高為2400 mm× 2400 mm×60mm，是比賽的擂臺區(qū)域，距離場地周圍700mm 處有高500mm 的方形黑色圍欄，圍欄內全為比賽用地；擂臺對角位置各有1 個長×寬為500 mm×400mm 的斜坡，作為雙方機器人的出發(fā)區(qū)域。

每臺參賽機器人重量不得超過4kg，在出發(fā)區(qū)的投影尺寸不超過300 mm×300mm，但是機器人啟動后可自主變形，不再受以上尺寸限制。除控制器和連接螺釘外，機器人不得有其他金屬部件，特別是攻擊部件的材料必須是全塑料。

圖2 機器人擂臺賽比賽場地示意

2.2 賽項規(guī)則及勝負判定

首先經(jīng)抽簽后分組進行小組排位賽，每組1 對1 進行對抗，共進行3 個回合的較量，每個回合限時2min。

裁判宣布比賽開始后，在不以操作者身體任何部位接觸機器人的前提下，10s 內機器人必須自主登臺成功，否則以10s 為1 單位給對方加1 分，累計滿3 分，對方直接在本局勝出。

雙方機器人自主成功登臺后即可開始對抗比賽，在對抗中，將對方機器人擠落擂臺而本方留在擂臺上，本方積3 分，雙方僵持不下或同時掉落擂臺，各積1 分。

最終各參賽隊根據(jù)積分數(shù)、積凈勝場數(shù)排名，小組排名前兩位進入淘汰賽，直至冠亞軍決賽。

3 機器人對抗策略

3.1 登臺策略

機器人啟動信號為軟啟動，在上電狀態(tài)下，利用底部左右兩側紅外接近傳感器的狀態(tài)變化，啟動上擂臺程序，當兩側傳感器同時感應到障礙物時，例如，用雙手同時遮擋車體兩側，即可啟動機器人登上擂臺。

機器人首先啟動舵機，收起正前方的攻擊支架，從斜坡登上擂臺，利用延時程序運動至擂臺中心位置，停下后立即放下攻擊支架，進入漫游巡敵狀態(tài)。圖3 所示為機器人從出發(fā)區(qū)登上擂臺的流程圖及部分C 語言程序。

圖3 機器人登擂臺流程圖及部分程序

3.2 漫游策略

機器人登上擂臺后，根據(jù)是否存在敵人，分兩種情況漫游：若檢測不到敵方，機器人則通過傳感器檢測擂臺邊沿，由擂臺中心區(qū)域出發(fā)，先向車頭方向前進，直至到達擂臺邊沿，再進行后退或者轉彎等邊沿處理，離開邊沿后繼續(xù)前進至再次檢測到邊沿，再次進行邊沿處理，達到機器人在擂臺上進行漫游的目的；若檢測到敵方，機器人根據(jù)傳感器判斷敵方位置，進而調整自身位置，然后攻擊敵方，直至本方到達擂臺邊沿，此時敵方已掉下擂臺，該回合比賽結束。

3.3 邊緣檢測

在比賽中，以“敵方掉下擂臺而本方仍在擂臺上”判定本方獲勝，因此機器人的邊緣檢測是最重要的邏輯單元[3]。無論漫游或攻擊敵方，機器人都應該以不從邊沿掉落為首要條件。

比賽擂臺采用漸變色臺布，中心為白色加紅色“武”字區(qū)域，越到邊緣，臺布顏色越深。機器人底盤前后左右4 個方向對應安裝4 個灰度傳感器，利用灰度傳感器返回值可較為準確地判斷機器人某個部位已到達擂臺邊緣，再結合用于檢測邊沿的4 個紅外接近傳感器，即可判斷機器人所處位置是否有掉落的危險，進而進行后退、轉彎等邊沿處理。其中，4 個灰度傳感器連接在控制器的模擬輸入口AD4、AD5、AD6、AD7，以攻擊支架為正前方，灰度傳感器分布情況如表1 所示。

表1 灰度傳感器分布情況

擂臺中心區(qū)域顏色較淺，灰度傳感器上LED 燈發(fā)出的光線反射強烈，灰度傳感器返回值較大；邊緣區(qū)域顏色較深，光線反射較弱，傳感器返回值較小。

為保證準確反映機器人位于邊緣的位置和方向，必須嚴格標定4 個灰度傳感器的閾值，如圖4 所示，當灰度傳感器返回值小于閾值時，即表明機器人已經(jīng)位于擂臺邊緣，若邊沿紅外接近傳感器同時檢測到邊沿，則機器人進行邊沿處理。

圖4 灰度閾值標定點示意圖

標定閾值時，根據(jù)擂臺尺寸劃分區(qū)域進行標定，本次比賽擂臺規(guī)格長、寬各為2400mm，擂臺高度50mm。在擂臺某一條邊按300mm 間隔設置7 個測量點，依次檢測AD4-AD7 灰度值，直至測量完4 條邊，取所測灰度值的平均值作為該位置灰度傳感器的閾值，如圖5 所示。

圖5 某一側邊7 個標定點灰度閾值標定情況

根據(jù)灰度傳感器返回值可較容易判斷出機器人是否到達擂臺邊緣，但對于是否到達或超出擂臺邊沿，還需結合機器人上方安裝的4 個紅外接近傳感器狀態(tài)來綜合判斷。

紅外接近傳感器屬于開關量傳感器，只能判斷一定距離內有無障礙物，安裝時須讓傳感器探頭向前傾斜向下或正下方對著擂臺，如圖6 所示，若機器人車身出界，傳感器則會有開關量信號變化。當機器人在擂臺上時，傳感器檢測到擂臺臺面，視其為障礙物，此時傳感器信號為0；若檢測不到擂臺，即傳感器檢測到無障礙物，車身某一側已超出擂臺邊界，傳感器信號為1。因此，在比賽前須調整紅外接近傳感器檢測障礙物的有效距離，確保對機器人是否到達擂臺邊沿做出準確判斷。

圖6 邊沿檢測紅外傳感器調整示意圖

3.4 對抗策略分析

如圖7 所示，機器人正前方攻擊支架上安裝有1 個紅外接近傳感器，用來檢測正前方是否有敵方出現(xiàn)；支架上方及車體后方安裝有3 個紅外測距傳感器，用來偵測與敵方機器人的距離；底盤左右兩側2 個紅外接近傳感器除了作為軟啟動信號外，還用于檢測左右兩邊的來敵情況。機器人通過3 個紅外接近傳感器的開關量狀態(tài)，與前、后方3 個紅外測距傳感器值的不同組合，判斷敵方的具體位置，然后進行間斷性沖擊或后退，控制機器人進攻或防守。

圖7 偵測敵方用紅外傳感器安裝示意圖

機器人自主登臺后，先檢測自身是否在擂臺上，確定在擂臺上后再檢測是否位于擂臺邊緣，若機器人在擂臺上但處于擂臺邊緣，則立刻進行邊緣處理，最后回到擂臺中央位置；否則機器人朝車頭方向直行并檢測敵方，當檢測到敵方時，進行對抗處理。機器人根據(jù)敵方檢測的情況，采取進攻或防守策略處理。若檢測不到敵方，機器人繼續(xù)直行并檢測邊緣。

3.4.1 進攻策略

機器人若在正前方檢測到敵方，先高速沖擊敵方，嘗試將攻擊支架插入對方縫隙，再向左高速轉向并抬起支架，之后向正前方加速并放下支架，利用車體的扭動及支架抖動，將對手向擂臺某一邊緣推動，同時檢測自身的邊緣情況，直至對方掉落擂臺。

3.4.2 防守策略

若機器人正后方有敵人，則以較高的速度差速向前左轉，直至擺脫敵人；若左（右）前方有敵人，則以較高的速度差速向前右（左）轉，直至擺脫敵人；若正左（右）方有敵人，則以較高的速度差速逆時針（順時針）旋轉，直至正向面對敵人。

3.4.3 策略分析

由于受機器人結構設計的限制，攻擊裝置只能安裝在正前方車頭方向，因此，只有正前方面向敵人才能發(fā)起進攻，否則其他方向來敵只能防守，將車頭轉向敵人后方可進攻。

從比賽結果看，本文所設計的機器人正向對抗成功率約為70%，正后方及左、右前方來敵防守成功率約為50%，正左、正右方來敵防守成功率約為30%。比賽中遇到重量相同、攻擊結構相似的對手，取勝率僅能達到50%左右；若對方增加攻擊裝置或重量，則很難取勝。

4 擂臺賽經(jīng)驗總結

1）機器人登臺動作無誤，登臺后停在擂臺正中央位置為最佳狀態(tài)。本文通過延時程序控制機器人輪子運動時間，來實現(xiàn)機器人最終?？课恢?。賽前練習和比賽時場地用登擂臺的斜坡長度和角度稍有不同，便會影響機器人最終停下的位置。如果登臺時輪子運動時間過長，容易造成機器人登臺后直接沖出擂臺邊界而掉落。因此，將邊緣或邊沿檢測作為登臺動作的約束條件十分必要。

2） 邊緣檢測與邊沿檢測的程序需相互結合。由于比賽場地光線條件會有所不同，如室外和室內、人多擁擠時和場地空曠時，光線差別較大，灰度傳感器返回值的差別也較大，所以傳感器閾值不宜設置過高，否則易發(fā)生檢測不到邊緣或只在邊緣試探，導致機器人無法完成漫游巡敵工作。邊沿處理要考慮機器人的慣性及尺寸，當某一側邊到達邊沿時，若機器人轉彎半徑過大，容易造成一側車輪掉落擂臺的情況。

3）正前方檢測敵人的傳感器不宜放置在攻擊支架上，雖然在擂臺上對戰(zhàn)時，攻擊支架始終為放下狀態(tài)，但進攻時激烈的沖撞容易損壞傳感器探頭，故考慮將傳感器固定于機器人本體上并調整其感應距離更適合于攻擊敵方。

4）從比賽對手的情況來看，適當增加車輪數(shù)量及車體重量，以此增加機器人在擂臺上的正壓力或摩擦力來提高機器人的抓地力，可在對抗中占據(jù)明顯優(yōu)勢。僅靠正前方攻擊對手的成功率太低，若采用前后2 個攻擊支架，并將正前、正后來敵均采用進攻策略，可將取勝率提高1 倍以上。機器人的4 個輪子分別由電機驅動并采用獨立電源供電，可大大提高機器人的動力性能，使得轉向更加靈活，防守策略成功率亦可大幅提升。

5 結語

由于擂臺賽屬于競技類比賽，對戰(zhàn)雙方的強烈沖擊不可避免，因此，對抗型機器人本體結構應盡量緊湊，連接件應盡量牢固[4]；機器人漫游巡敵策略應保證邏輯嚴密，邊緣灰度檢測及邊沿檢測的閾值和距離必須提前標定，確保比賽中機器人不會因誤判而掉落擂臺；適當增加機器人配重，改進機器人車輪驅動方式，亦可提高機器人攻擊性能；對敵策略優(yōu)化，應加入對敵方相對速度及加速度等條件約束，根據(jù)人工勢場等算法改進進攻及防守策略，以期達到最優(yōu)的比賽效果。