如何用单片机机器人实现足球比赛.doc

如何用单片机机器人实现足球比赛研究目的：使用广茂达能力风暴机器人进行足球比赛。研究方法：通过对能力风暴机器人的改装及程序编写，使机器人能够自主地、有目的地进行足球比赛。研究意义：证明机器人足球的可行性，同时说明机器人不是说一不二的笨拙机器，同样具有自己的思维。简要步骤：1 研究了能力风暴个人机器人的软、硬件特性，证明有完成这个任务的能力。2 针对机器人足球比赛的要求，对机器人硬件进行了适当的改装。3 针对广义足球比赛的规则，进行程序的编写。4 对软、硬件进行综合调试，并在实战中更改一些数据，优化进攻、防守的方案。论文详细内容：系 统 概 述机器人足球听上去给人的感觉是深奥的，然而，我们这次要研究的机器人足球与人们广义上的足球是有较大区别的。机器人足球，顾名思义，就是要让机器人踢足球。所以，首先就要对机器人有所了解，选定采用什么样的机器人也是至关重要的。在本课题中，我们选用了上海广茂达电子信息有限公司的能力风暴个人机器人。至于足球，考虑到价廉物美的原则，我们使用了一个表面磨沙、内装6.8v小灯泡的塑料小球（使机器人用便宜的光敏传感器来辨别）。有了硬件的基础，更需要软件的支持。根据使机器人自主地、有目的地踢球的目标，我们在程序上下了很大功夫。首先是让机器人自主地踢球，这就要求机器人的跑位、找球、踢球都是不借助于任何遥控，只能依靠传感，针对这种要求，我们在程序中加入了大量的判断语句，以便机器人能够聪明地完成上述任务。然而，众所周知，光会跑位、找球、踢球的机器人是远远不够了，还必须不让机器人受贿，将球送入自家大门，这就给机器人的程序编写增加了许多麻烦，需要对自己场上的位置、目前的运动方向等进行辨认，并对机器人运动状态进行必要的调整。完成了硬件改装、软件的编写工作后，两者的联系显然还不是紧密地。所以，下一步就必须把硬件、软件合二为一。这就需要大量的调试，在这个过程中，我对其中每一个关键参数都逐一进行了调整。与此同时，我也对原先程序中不合理、在实际应用中无效的部分程序进行了优化、修改。并且，我还对采用不同硬件的不同数据效果进行了分析，并选出了效果最好的作为最终的组件安装。通过了以上几个步骤，我才最终实现了机器人自主、有目的地进行足球比赛的研究目的。具体的有关事项将在下文逐一详细说明。第一章 能力风暴介绍第一部分 硬件介绍能力风暴（Ability Storms）机器人（左图所示）由上海广茂达电子信息有限公司开发，呈单片机结构，外形酷似宇UFO，重量约1kg，是专为个人机器人的需求设计的。该机器人使用高强度尼龙材料作底盘，配有两组高性能直流电机，两个驱动轮，两个带缓冲的导向轮，其最快速度可达1m/s。同时，本机配有两个光电编码器，两只光敏传感器，一组红外接近传感器，一个麦克风，并配有四只碰撞开关，能够完成各种类型的定性、定量的探测任务。除上述设备外，还可以扩展多个直流电机和伺服电机，可录放声卡，CCD摄像机，超声、颜色、红外、热释电等多种传感器，更可以满足各种特殊的探测需求，这也正是我选取该机器人来进行踢足球项目的原因。 本机采用68HC11A1微控制器，32KRAM内存，具有较强的计算能力，并配16*2字符LCD。然而，载着这么多设备的机器人，要让它正常工作，使用高能量镍氢电池是必须的。上述设备依次是：上排从左至右：光敏传感器，光电编码器，灭火用风扇下排从左至右：CCD摄像机，I/O扩展卡 第二部分 软件介绍能力风暴机器人内部采用的便是多任务操作系统ASOS，这套系统能帮助该机器人完成比较复杂的程序指令，如机器人灭火、足球、人机互动等。一套完整的软件平台，光有执行软件的程序是远远不够的，该机器人使用的软件开发系统为JC，交互式C语言（右图），该系统是由广茂达公司自行开发的，具有C语言的特性。同时在C语言的基础上根据机器人的需求符合了交互式这点，可交互运行一条C 语言程序或一个函数，非常易于机器人数据调试。第二章 机器人足球介绍（机器人的应用）上一章介绍完能力风暴机器人，对其有了一定的了解后，我们就要把它运用到机器人足球中。我就先来介绍一下机器人足球。当今世界，说到家用机器人，最大规模的比赛目前为美国三一学院的家庭机器人灭火比赛（Trinity College Fire-Fighting Home Robot Contest）及日本的机器人足球比赛。其中后者主要是针对大学生，其设备是几乎统一的方块状，程序编写如同真实的足球比赛，非常讲究站位等，形式为5vs5。由于这种比赛使用的是一组摄像机定位，并且使用电脑无线传输指令，所以代价特别昂贵，其中机器人更是据说一个就要上万人民币，因此暂时我们是无缘这种激烈的足球比赛的了。 而我们的任务是把能力风暴用作足球机器人，在此之前，还必须考察它是否能够胜任这个角色。经过对该机器人的研究及其技术白皮书的查阅，我们发现它具有很强的扩展功能，可以扩展足够多个足球机器人需要使用的传感器，同时它的芯片又具备较强的运算能力，能够满足机器人足球的速度要求，可见硬件这一关是过了。同时，在软件方面，由于JC具有C语言的特性，能执行很多C语言中的命令，所以机器人足球的程序不会在话下。对于该机器人下的足球比赛，主要有以下几个特点：1 场地划分为各种颜色（下图所示）（便于机器人是用廉价传感器辨认） 场地效果图：2 比赛形式为2vs2，3 所有指令都储存在机器人的芯片中，运行时不需要依靠任何外来信号。第三章 机器人硬件改装了解了能力风暴机器人及足球比赛的形式规则，就要着手实际工作了。物质文明是精神文明的基础（一定程度上），首先要完成的任务就是对硬件进行改装。对此任务，我们主要分为以下几部分完成：1 对于足球机器人，第一重要的就是要找得到球。为了能让机器人准确地找到足球，我们在机器人前方安装了一组光敏探测器，探测广度大约为1200，可以根据光敏的值的变化判断出球在机器人的哪个方位及球离机器人的大约距离。（左图为光敏探测器）2 找到球以后，对于一个机器人而言，又如何知道哪才是对方的大门呢？对于此问题，我用了一个比较巧妙且廉价的方案，在机器人底部加装一组光敏探测器，可以根据探测出的地面的色彩，从而辨别出目前的方位，再根据颜色的变化判断出机器人的走向，最终判断出对方大门的方向。 3 机器人有了这么多功能，仅仅靠那5节串连的1.5v镍氢电池提供的电能是远远不够的，因此，在原有的基础上，我们又给机器人的电源上串联了1个电池盒（4节1600mAh镍氢电池），同时为了不使机器人因电压太大而烧坏机器人，我们又在线路中串联了一个电阻，起到稳压的效果。这样，我们的机器人就有了源源不断地强劲动力了。4 为了加装一组光敏探测器，我们还自己根据技术白皮书上的规格焊接了一块ASBUS（Ability Storms Bus）板用于扩展的两个光敏探测器：左图为扩展光敏探测器的焊接图示 此主题相关图片如下：通过上述的硬件改进，能力风暴机器人从硬件上已经足以适应机器人足球对硬件的需求。 第四章 机器人程序编写有了这么强悍的硬件作后盾，程序的编写就显得尤为重要，因为往往一个程序的好坏是最直接影响到试验结果的，有时候即使同一个程序可以用多种方法来解，但还是要看哪个程序运行速度最快，消耗内存最少，尤其对于能力风暴机器人，编写程序最忌讳的便是许多个循环连续调用，这样内存很快就会耗尽，更达不到原先的目的。对于编写自主式、有目的性的程序，要做到内存资源消耗少是比较困难的，这只有在原先的基础上不断改进才可能做到。在足球程序的编写中，我一共把一大个程序分成了4个情况，分别为进攻（2种不同攻击方向）、防守（两个位置），这样能够指向性很明确地告诉机器人该往哪攻，该守哪。 下面是一段找球定位的程序：if(lr251|ll4)drive(0,100);sleep(0.06);drive(100,0);if(ll-lr4)drive(0,-100);sleep(0.06);drive(100,0);drive(100,0);sleep(0.1);第五章 综合调试、优化经过一系列努力，硬件、软件上的问题都被我们逐一攻克，接着便是最后的衔接工作，那就是对程序、硬件进行调试、优化。在调试的过程中，我们发现了很多问题：1 底部的光敏探测器探测出的值过于接近，不宜分辨，再经过金色区域的时候，由于反光原因，会让光敏值一下子变得很小。针对此问题，我在原先的两只光敏探测