毕业设计论文武术擂台仿人机器人系统及电路设计.doc

毕业设计 论文 填写题目 教学单位 机电工程学院 专业名称 填写专业全称 不要写成班级名称 学 号 学生姓名 指导教师 姓名 职称 指导单位 完成时间 填写全学院统一时间 电子科技大学中山学院教务处制发 I 武术擂台仿人机器人系统及电路设计 摘 要 本文围绕武术擂台仿人机器人的设计 从中国机器人大赛武术擂台赛比赛规则入手 分析合理的比赛策略 系统地介绍了武术擂台仿人机器人的硬件与软件构成 技术特点 以及战术策略等方面的内容 主要包括硬件设计 决策系统以及干扰与抗干扰措施 该仿人机器人结构设计巧妙 可以通过简单的动作完成仿人形态到车形态的变形 从而有效降低重心 机器人共有 7 个自由度 整体重量 4 19kg 高 40cm 底部投影尺寸 30cm 30cm 符合比赛要求 底盘骨架采用 4mm 4mm 3mm 镂空角铝连结 四壁采用 0 8mm 不锈钢板包围 结构有一定的刚性 经测试可以抵抗进攻和防守中发生的激烈冲撞 传感器部分采用了红外开关与红外测距传感器相配合 自行设计以 Mega128 为核心的通用小型机器人控制器 该控制器板载 5V3A 开关电源 具有 RS232 以及 RS422 总线接口 具有数字舵机接口以及模拟舵机接口 并且有设备过 流保护 电源过压 欠压保护等功能 经测试 该仿人机器人运行稳定 有较好的攻击 防御能力 关键词 机器人武术擂台赛 仿人机器人 AVR 单片机 II Combat Humanoid Robot System and Circuit Design Abstract This article around the humanoid robot design start from robot competition from Chinese robot competition rules discuss the reasonable strategy systematic introduction to the combat robot hardware and software the technical characteristics and tactical strategies and other aspects including hardware design decision making system and the interfere and anti interference measures With ingenious design of structure the robot can simply form humanoid to vehicle deformation and thus reduce the center of gravity This robot has total of seven degrees of freedom weight 4 19kg high 40cm and the bottom of the projection size 30cm 30cm which is with the competition requirements Chassis frame with 4mm 4mm 3mm hollow aluminum link 0 8mm stainless steel plate surrounded the structure has some rigidity were resistant to attack and defense in the fierce clash IR switchers and IR distance sensors were compatible built in The controller using Atmel s Mega128 which onboard 5V3A Switching Power Supply The controller have RS422 and RS232 bus interface and the RC and digital servo interfaces while has over current protection Power supply over voltage under voltage protection The testing experiments show that the humanoid robot is stable and has good attack and defense capabilities Keyword combat robot competition humanoid robot AVR MCU III 目 录 1 绪 论 1 1 1 机器人武术擂台赛背景 1 1 2 机器人武术擂台赛介绍 1 1 3 机器人武术擂台赛竞赛环境 2 1 4 本设计的意义及应用 2 2 竞赛策略 3 2 1 规则分析 3 2 2 设计目标 3 2 3 应战策略 4 2 3 1 登上擂台 4 2 3 2 将棋子推下擂台 4 2 3 3 将敌方推下擂台 4 2 3 4 避免被敌方推下擂台 5 4 决策系统设计 6 4 1 软件体系结构 6 4 2 2 机器人舵机 6 6 4 红外测距传感器的标定 7 6 4 红外开关的校准 7 6 5 运动轨迹的调校 7 7 总结与展望 8 参考文献 9 附录 1 CDS5500 机器人舵机控制程序 10 附录 2 控制器原理图 14 附录 3 机器实体照片 15 致 谢 16 1 1 绪 论 机器人技术融合了电子 机械 传感器 自动控制和人工智能等众多先进技术 通 过设计 制作 调试 可以激发我们大学生的想象力和工程潜质 培养设计能力 创新 能力 动手能力 合作精神 机器人武术擂台赛是机器人技术较量的平台之一 该赛事 在国外备受关注 目前在国内已经悄然兴起 1 1 机器人武术擂台赛背景 中国机器人大赛暨 RoboCup 公开赛是中国最权威 最具影响力的机器人技术大赛 学术大会 是当今中国 乃至亚洲机器人尖端技术产业竞赛和国际顶尖人才汇集的活动 之一 大赛从 1999 年起至今已举办十届 本届大赛由国家科技部高技术研究发展中心 中国自动化学会机器人竞赛工作委员会 RoboCup 中国委员会等机构共同主办 大赛项目 包括机器人足球赛 机器人武术擂台赛 机器人舞蹈赛 水中机器人竞赛 空中机器人 竞赛 机器人救援赛 机器人仿真赛等 其中最受关注和最精彩的是机器人足球赛和机 器人武术擂台赛 1 2 机器人武术擂台赛介绍 机器人武术擂台赛是中国机器人大赛中一项新的赛事 它的主要内容是 两个完全 自主的机器人在一个 2 4 2 4 米的擂台上 使用各种传感器来感知自身的位置 姿态 并感知对手的位置 方向 并利用各种执行器来互相攻击的对抗性机器人竞赛 该赛事的主要目的在于促进智能机器人技术 尤其是自主识别 自主决策技术 的普 及 参赛队需要在竞赛规则范围内 以各自组装或者自制的自主机器人互相搏击 并争 取在比赛中获胜 以对抗性竞技的形式来推动相关机器人技术在大学生 青少年中的普 及与发展 机器人武术擂台赛的参赛机器人需要包括各种传感器 检测自身位置 检测对手位 置 检测自身姿态 检测擂台边缘等等 一个控制器 参赛队员为其编写程序 控制 整个机器人的行为和策略 多个执行器 行走 击打 辅助等 麻雀虽小 五脏俱 全 并且我们需要根据比赛规则 通过机械 电子 策略等各方面的创新设计 来达到 在对抗竞赛中压倒对手的目的 因此是激发想象力和工程潜质 培养设计能力 创新能 力 动手能力 合作精神和跨专业的综合应用能力理想平台 激烈而戏剧性的机器人竞赛对抗 能够极大地激发我们学生的好胜心和积极性 让 我们把对待竞技体育的精神如篮球 踢足球的积极态度来对待工程创新实践 在训练和 比赛的过程中 我们的综合工程素质 创新能力 团队协作能力都能得到全面的培养 本项赛事未来的发展目标是 比赛中 两个使用双腿自主行走的仿人形机器人互相 搏击并将对方打倒或者打下擂台 2 1 3 机器人武术擂台赛竞赛环境 在指定的擂台上有双方机器人和 5 个中国象棋棋子 1 双方机器人模拟中国古代擂 台搏击的规则 互相击打或者推挤 如果一方机器人整体离开擂台区域或者不能再继续 行动 则另一方获胜 如果双方均未离开擂台且都能自主移动 则在比赛时间结束后 推下擂台上象棋棋子数量多的一方获胜 否则双方判为平局 比赛场地 即擂台 如图 1 所示 大小为长 宽分别为是 2400mm 高 150mm 的正方 形矮台 台上表面即为擂台场地 底色从外侧四角到中心分别为纯黑到纯白渐变的灰度 场地的两个角落设有坡道 机器人从出发区启动后 沿着该坡道走上擂台 场地四周围 700mm 处有高 500mm 的方形白色围栏 比赛开始后 围栏内区域不得有任何障碍物或人 图 1 擂台赛场地整体效果 1 4 本设计的意义及应用 本设计主要的工作有 策略的分析与制定 结构与外观的设计 电机以及电机驱动 的选取 传感器电路的设计与运用 控制器电路的设计与制作 软件的编写与调试 最 终对机器人进行综合的实地测试 发现问题并找出解决方案 在论文完成之前 以上问 题均得到解决 并且设计出一款抗干扰能力强的红外探测模块 该模块可以用于机器人 避障 循迹等 以及其他需要对对障碍物进行检查的场合 与此同时设计了一款高性能 通用小型机器人控制器 该控制器板载 5V3A 开关电源 具有 RS232 以及 RS422 总线接口 具有数字舵机以及模拟舵机接口 并且有设备过流保护 电源过压 欠压保护等功能 本文正是一个本着学习 实践和创新的思想设计机器人 设计思路基于机器人武术 擂台赛比赛规则 设计的最终目标是 结合当前流行的机器人技术 制作出一台能够适 应比赛现场复杂环境的自主战斗机器人 3 2 竞赛策略 本章从机器人武术擂台赛比赛规则入手 分析出合理的比赛策略 系统地介绍了设 计目标以及应战策略 2 1 规则分析 由于比赛场地表面是灰度渐变的 所以机器人的自定位可以通过读取场地的灰度信 息来实现 机器人的重心应该尽可能地降低 变形方案很好地解决了由于重心高带来的晃动等 问题 当需要降低重心的的候 机器人进行机械变形 增强作战稳定性 要在比赛中取得 制高点 在不考虑棋子的情况下应该尽快抢得中心区或离中心 区域最近 机器人应轻巧灵活 前进 后退 转动动作应自如流畅 并具有较高的加速 度和较快的行进速度 刹车要及时 同时 双方机器人在攻防过程中将发生激烈冲撞 进行制约与反制约的较量 因此机器人要求稳定性好 结构有一定的刚度 四壁要有推 挡板 2 有效的进攻是最好的防守 制作仿人机器人的基本思想是 该机器人以进攻为主 防守为辅 在出发区出发后 在没有探测到棋子的情况下 首先抢占中心区域 然后在 探到敌方机器人的方位后 把自己坚固的防守部位面向敌方机器人 使敌方机器人的攻 击失效 确保自己始终占领中心区域 然后再寻找机会迷惑或攻击敌方机器人 3 当探 测到棋子的时候 要对场地环境 敌方位置 敌方运动方向等进行多方位的综合判断 确保不怠慢作站时机 2 2 设计目标 根据以上思想 本设计确定了如下的设计目标 1 从出发区出发 10秒内自主登上擂台区域 2 确定我方机器人在场地的大概位置和方向 3 能自主寻找中心区域 以在未探测到对方时自主找到擂台中心区 4 寻找并接近棋子 寻找并接近敌方机器人 5 推动棋子到达擂台边沿 6 与敌方机器人对抗 避免被推下擂台 能够推动敌方 7 在遭受敌方机器人攻击时能保护自己 如具备一定的隐身和迷惑功能等 减少 和避免受到敌方机器人的攻击 并具有一定的反击能力 8 检测擂台的范围 避免掉下擂台 9 检测我方姿态 防止摔倒 摔倒时能够快速自行站立 10 能够识别圆柱体 并作举起动作 4 11 具备有效的抓举装置 能够举起圆柱体 12 能够检测举起任务是否成功 如果不成功能够重新尝试举起 2 3 应战策略 2 3 1 登上擂台 在机器人启动后 机器人依靠边缘检测传感器群引导到擂台中心 不启动其他传感 器的检测 2 3 2 将棋子推下擂台 推棋子时 机器人需要做三件事情 寻找棋子 推动棋子 自身定位 寻找棋子的 实现主要依赖于灰度传感器和测距传感器 传感器的布局至关重要 机器人必须能够通 过灰度传感器定位自己的位置 通过测距传感器确定棋子的位置 因此 构型设计时必 须合理布置传感器位置 比赛中输赢的关键是把敌方推出场外 所以可以采用被动式策 略寻找棋子 即机器人按照某种策略漫游 如果检测到棋子就把棋子推出场外 否则机 器人继续漫游 当把棋子推出场外时 机器人会接近擂台边沿 此时机器人需要适当调 整自己状态 速度 位置 以防止掉出擂台 4 这个过程中机器人的自身定位非常重要 找到棋子之后 如何将它们推下擂台呢 两种方法 1 闷头往前直走 不管怎么都 不转弯 这样一定能走到擂台的边沿 也能够将棋子推下擂台 2 通过识别场地的灰度 判断出机器人的位置和方向 对准最近的边沿前进 方案一胜在简单 程序实现难度小 但是可能出现机器人需要推动棋子走过超过半 个场地才能到达边沿的情况 这个过程可能出现敌方干扰 推挤 失败的概率很高 方 案二实现的难度比较高一些 但是效率高 2 3 3 将敌方推下擂台 我们可以想象 两只斗牛相互推挤 赢的一定是力气比较大的一方 首先需要考虑 什么因素会影响机器人的推力 在现实生活中我们会看到两种现象 1 一辆汽车在爬坡 但是动力不足 反而慢慢从坡上滑了下来 2 汽车在泥地上面行走 但走不快 因为轮子总是在打滑 上面两个例子可以得到影响汽车行进效果的两个因素 1 动力不足 2 摩擦力不 够 如果动力不足 我们的机器人可能会被敌方的小车推得轮子倒着转 如果摩擦力不 够 机器人在推挤时轮子会打滑 轮子一直在转 但机器人就是不能往前走 推动敌方和推动棋子要做的事情是一样的 即 寻找敌方 推动敌方 自身定位 不同的是 推动敌方需要更大的动力 而且自身定位更加重要 如果己方被敌方推动时 己方就必须能够及时摆脱或者进行抵抗 所以 在比赛规则允许的条件下 机器人质量尽可能接近所要求的最大值 尽量增 5 加机器人的动力输出 以及轮子的接地面积 我们采用四轮驱动方案 两轮驱动方案重 量和推力都不够 六轮驱动方案不好转弯 机器人不够灵活 2 3 4 避免被敌方推下擂台 如果我方机器人在前进时被敌方从后面推挤 并且我方的机器人没有察觉 会出现 什么情况呢 我方机器人的动力方向和敌方机器人的动力方向刚好一致 敌方不费吹灰之力就可 以将我方机器人推下擂台 所以机器人需要能够察觉这种正在被推挤的状态 并且能够 通过掉头 转弯 后退等手段避开或对抗敌方机器人的推挤 6 4 决策系统设计 4 1 软件体系结构 Eclipse 是一个开放源代码的 基于 Java 的可扩展开发平台 就其本身而言 它只 是一个框架和一组服务 用于通过插件组件构建开发环境 虽然大多数用户很乐于将 Eclipse 当作 Java IDE 来使用 但 Eclipse 的目标不仅限于此 Eclipse 还包括插件开 发环境 Plug in Development Environment PDE 这个组件主要针对希望扩展 Eclipse 的软件开发人员 因为它允许他们构建与 Eclipse 环境无缝集成的工具 由于 Eclipse 中的每样东西都是插件 对于给 Eclipse 提供插件 以及给用户提供一致和统 一的集成开发环境而言 所有工具开发人员都具有同等的发挥场所 4 2 2 机器人舵机 CDS5500 机器人舵机和控制器之间采用问答方式通信 通信方式为串行异步方式 一帧数据分为 1 位起始位 8 位数据位和 1 位停止位 无 奇偶校验位 共 10 位 其指令包格式如表 1 表 1 CDS5500 通讯指令包 字头ID 号数据长度指令参数校验和 0XFF 0XFFIDLengthInstructionParameter1 Parameter N Check Sum 本设计使用以上通讯格式控制机器人上肢舵机的动作 其控制程序见附录 1 本设计在实际调试时 大多采用灰度梯度标定法标定灰度数据 表 2 是在一次调试 中测得的数据 表 2 灰度梯度标定数据 前后右左前 右前 后后 右前 左右 左灰度均值 244207234261103727 17 27236 5 339283305355345622 16 50320 5 4934534255056840 28 12 80469 5515374825676914 55 16 85534 25 61261453762175 2 77 6 84596 注 表中 前 表示安装在前面的灰度传感器 前 后 表示前面传感器减去后面传感器的差值 根据表中数据可以看出 除左边的灰度传感器 其它三个灰度传感器的值一致性较 7 好 可以根据这三个传感器的值来判断机器人当前的方向 另外可以根据 4 个灰度传感 器的平均值来判断机器人在场地上的位置 接近场地中心时 平均值较小 接近场地边 沿时 平均值较大 得到这些逻辑 就可以在编写控制程序时使用 6 4 红外测距传感器的标定 红外测距传感器的输出是非线性的 所以需要对其进行标定 其标定比较简单 使 用直尺就可以进行传感器的标定 6 4 红外开关的校准 由于擂台外 70cm 处有白色的围栏 为了防止误判断 同时增加红外探测的稳定性 寻敌红外开关的探测距离调在 65cm 6 5 运动轨迹的调校 机器人发现侧边有障碍物并要对障碍物发起攻击时 机器人转弯的幅度要迅速 合 适 才能在转弯后面对障碍物并对障碍物发起攻击 另外 不同状态下的行进速度也不 一样 例如在没有发现障碍物的时候 行进速度可以稍微降低 当发现敌方机器人在前 方时 机器人应该加速前进 当机器人发现正处于边缘时 应该迅速逃离 8 7 总结与展望 本文正是一个本着学习 实践和创新的思想的机器人设计 让机器人根据比赛现场 复杂的环境变化 按照自己的想法和目的战斗 我选择自动化专业 正是要加入自动化 这个大家庭 在吸取知识的同时不断提高自己 不断的走近自己的梦想 经过一段时间的现场测试 现有机器人的一些设计漏洞也渐渐浮出水面 所以接下 去的工作是 1 改良现有的硬件结构 底盘的结构需要作更进一步的优化 轮子的固定需要更 牢靠 部分关节需要严格按照力学原理重新设计 另外 去掉铲形披风 设计更加合理 的普通构形势在必行 2 改良电机和电机驱动器 现用的直流空心杯电机由于功率不足 导致驱动力不 足 加速缓慢 动作不是很灵活 再加上驱动器最大只能承受 10A 电流 刹车时无法承 受很大的反向电流 制约了机器人的刹车效果 3 机器人隐身机构的改进 目前四壁贴的泡沫材料虽然可以减少被对方发现的几 率 但隐身效果依然不够理想 所以在隐身材料这一方面上依然需要进行大量的试验 4 红外探测模块接收部分由于采用了单级放大 并且没有输出漂移控制电路 降 低了该传感器的可靠性 由于没有采用带通滤波器 导致放大电路引入的噪声缩短了该 传感器的探测距离 所以 红外接收放大电路需要更进一步的研发 5 控制器的研发 改良等相关工作 硬件上 开发更小尺寸的控制器 并且使各 种接口更加完善 运行更加稳定 软件上 当前控制器的底层软件执行效率有提升空间 另外 完善现有的机器人地图算法 使其自定位效率更高且更加精准 可以有效提高机 器人的作战能力 一款稳定的 性能优秀的控制器不仅有利于机器人团队的后续赛事 而且有利于开展教学工作 激发同学们对机器人制作的热情 开拓同学们视野 甚至可 以举行校内赛 9 参考文献 1 2009武术擂台赛比赛规则2 2 0版 2009 2 杨学军 丁盖盖 防守型武术擂台机器人的研究与实践 J 机器人技术与应用 2009 4 44 46 3 李卫国 王志刚 进攻型武术擂台机器人的研究与实践 J 机器人技术与应用 2009 4 41 43 4 郝俊青 武术擂台赛机器人的设计策略 J 科技情报开发与经济 2009 19 9 124 126 5 InnoSTAR实验指导书 2009 6 林浩岳 章敏鹏 周增元 韩山师范学院 韩鹰队 队伍描述 D 韩山师范学院 2008 7 张俊 匠人手记 M 北京航空航天大学出版社 2008 107 113 8 王志良 周桌 靳松 竞赛机器人制作技术 M 机械工业出版社 2007 9 江海波 王桌然 耿德根 深入浅出AVR单片机 从ATmega48 88 168开始 M 北京 中同电力出版社 2008 34 37 10 Cang Ye Johann Borenstein Characterization of a 2 D Laser Scanner for Mobile Robot Obstacle Negotiation In 编者 edited Proc IEEE Int Conf On Robotics and Automation Washington DC December 2002 pp 2512 2518 10 附录 1 CDS5500 机器人舵机控制程序 CDS5500 数字舵机的控制程序例子如下 MCU Mega128 Crystal 8Mhz include include include delay h define TXD ENABLE PORTD 无符号 8 位整型变量 typedef signed char int8 有符号 8 位整型变量 typedef unsigned short int uint16 无符号 16 位整型变量 typedef signed short int int16 有符号 16 位整型变量 typedef unsigned long int uint32 无符号 32 位整型变量 typedef signed long int int32 有符号 32 位整型变量 uint8 Parameter 20 0 x1e 0 x00 0 x01 0 x00 0 x02 位置和速度控制数据队列 UART0 initialize desired baud rate 1M actual baud rate 1M 0 0 char size 8 bit parity Disabled void uart0 init void 因为采用的是 8M 的晶振 所以采用倍速的方式产生 1M 的 波特率 UCSR0B 0 x00 disable while setting baud rate UCSR0A 0 x02 设置为倍速模式 UCSR0C 0 x06 设置串口以 8 位数据传送数据 UBRR0L 0 x00 设置波特率 UBRR0H 0 x00 设置波特率 UCSR0B 0 x98 开串口 0 的发送使能 以及接受使能 11 void init devices void stop errant interrupts until set up CLI disable all interrupts uart0 init SEI re enable interrupts all peripherals are now initialized void TxPacket uint8 ID uint8 ParameterLength uint8 Instruction uint8 i uint16 j uint16 checksum 0 TXD ENABLE while UCSR0A UDR0 0 xFF while UCSR0A UDR0 0 xFF 发送两个字头 while UCSR0A UDR0 ID 发送 ID while UCSR0A UDR0 ParameterLength 2 发送字长 while UCSR0A UDR0 Instruction 发送指令 for i 0 i ParameterLength i while UCSR0A UDR0 Parameter i 发送所有参数 checksum ID ParameterLength Instruction 2 for i 0 i ParameterLength i 12 checksum Parameter i checksum checksum 256 checksum while UCSR0A UDR0 checksum 发送校检字节 while UCSR0A for j 0 j 1000 j RXD ENABLE void main init devices while 1 对控制参数赋初值 Parameter 0 0 x1E 首地址 Parameter 1 0 x00 位置 L Parameter 2 0 x01 位置 H Parameter 3 0 x00 速度 L Parameter 4 0 x02 速度 H TxPacket 1 5 03 ID 字长 指令 delay s 4 延时 4 秒 Parameter 2 0 x03 更改速度 TxPacket 1 5 03 ID 字长 指令 delay s 6 Parameter 0 0 x06 切换为直流电机模式 Parameter 1 0 x00 位置 L Parameter 2 0 x00 位置 H Parameter 3 0 x00 速度 L Parameter 4 0 x00 速度 H TxPacket 1 5 03 ID 字长 指令 delay s 2 13 Parameter 0 0 x1e Parameter 4 0 x02 赋开环速度 TxPacket 1 5 03 ID 字长 指令 delay s 8 延时 8 秒 Parameter 4 0 x06 同速度反向 TxPacket 1 5 03 ID 字长 指令 delay s 20 延时 20 秒 Parameter 0 0 x06 切换为舵机模式 Parameter 1 0 xFF 位置 L Parameter 2