武术机器人的研究

沈新锋

（南京信息工程大学信息与控制学院,南京210044）

0 引言

本文研究武术擂台机器人的整体结构和攻击算法，在理论上和实际应用上尽可能的使机器人实现高灵活的运动状态[1]。机器人各部分设计包括攻击部分、驱动部分、检测部分。对机器人进行结构设计，确定了机器人的整体布局，设计了机器人的主要活动部件、外壳、电机和轮子[2]。针对距离、位置及黑线等的测试，选择了一些适应机器人的传感器，为算法的编写提供了可靠的硬件。

1 总体设计方案

整个武术机器人的设计，主要由单片机主控模块、无线模块、驱动模块、电源供电模块等部分组成[3]。

整个系统都以单片机STM32F103作为系统的主控芯片，由电源供电模块供电；武术机器人采用的底盘为四轮小车，小车周围布置有传感器，用来侦测周围敌人。当发现敌人，机器人会调整方向转而去攻击，攻击过程采用加速方式。如果机器人四圈的传感器未检测到敌人，机器人在可检测范围内转一个圈继续寻找。如果被敌人撞到边界处或是机器人自己走到边界处，机器人会躲避敌人攻击，以免掉落擂台输掉比赛。

2 硬件设计方案

本系统采用STM32F103单片机作为主控制器。STM32F103是一种低功耗的控制器，采用外部时钟，晶振频率可达72Mhz，具有多个通用IO口并且片上外设资源丰富，可以达到本系统各个部分的要求。

系统硬件上采用小车底盘，直流减速电机，驱动模块L298n，漫反射式避障传感器E18-D80HK，超声波传感器HY-SRF05，蓝牙HC-06。在机器人机械结构上[4]，采用四个漫反射式避障传感器架高安装在机器人四个角，用以检测边界，防止机器人从擂台上掉落。机器人前方安置三个漫反射式避障传感器，后方同样如此，机器人车身两边各安装一个漫反射式避障传感器。这就构成了机器人的检测部分。为了干扰敌人的检测，我们在小车的身上贴满了黑胶带，对方的探测将会受到影响。攻击部分我们设计了两个斜坡式的铁片，用以将敌人铲起，从而增强攻击力。为了方便机器人的灵活运动，我们开发一款手机蓝牙APP，用以与机器人车身上的蓝牙模块进行匹配，机器人在擂台上进行比武时，用户可以通过手机屏幕上的虚拟按键控制机器人的启动与停止，这大大方便了比赛的进行。

对于直流减速电机的控制，比如驱动模块的输出端A+和A-分别接上电机的两个输入端，对应的驱动模块上的INA+和INA-则是由单片机来控制，此控制用来控制电机转的方向，而控制电机转速的则是通过给驱动模块上的输入端ENA送PWM波，通过调节PWM波的占空比即可控制电机的转速。其他的电机控制与此种控制方法一样。

对于漫反射式避障传感器，此传感器的最大检测距离可以达到80cm，与单片机相连时需要上拉电阻，当然单片机的引脚控制具有上拉功能，可不需要外接上拉电阻。漫反射式避障传感器与单片机相连，其输送的是开关量，对于边界检测和敌人探测不同应用，可以通过调节漫反射式避障传感器上的电位器来满足相应的功能。

对于超声波传感器，此传感器探测距离可以达到700cm，在本研究中，只选用了50cm以内的测量范围，同样满足需求。本研究中使用了两个超声波传感器，位于机器人身上的一前一后。在擂台比赛中，对于黑颜色的敌人将不容易探测到，超声波的探测提供了一种可靠的方案。

3 系统软件设计

3.1 探测和攻击程序

程序首先初始化各个模块，当机器人位于擂台上时，机器人完成各种硬件的初始化，然后等待用户按下按键来启动机器人。当用户按下虚拟按键，机器人便开启探测模式。机器人在探测过程中，使用周边漫反射式避障传感器进行扫描，如果扫描到敌人则开始启用攻击模式，根据敌人位置转角对准敌人，然后使用斜坡式铲子将敌人掀翻或者将敌人推至场外。在漫反射式避障传感器扫描时，如果一前一后的正中央的漫反射式避障传感器检测到敌人，同时启用超声波传感器，如果超声波传感器也检测到敌人，则启动大程度上的攻击，即机器人走的距离更远。

在上述的检测完成后，机器人启用超声波传感器进行探测，一方面确认前方和后方是否还有敌人，如果有则继续攻击，如果没有，则跳转到找寻模式。在找寻模式中，机器人转一个小角度，然后再向前走一小段，整体看上去的效果是在机器人没有探测到敌人的时候，机器人围绕着一个点进行转圈，以便当有敌人进入探测范围，机器人可以展开新一轮的攻击。

3.2 边界检测程序

在整个机器人设计中，为了使武术机器人能顺利打败对手，自我保护显得相当重要。边界检测必须放在第一位，所以本设计将边界检测的程序放在中断中进行。由于在设计中只使用了一个电源给整个机器人供电，所以在电机换向的时候对边界检测的几个传感器影响特别大，引发误判断。本设计中在中断程序中加入了检测值判断语句，解决了误判断这一难题。边界检测不仅在机器人向敌人展开攻击时发挥着作用，而且在没有敌人的情况下受到一些干扰同样也发挥着重要的作用。

4 结束语

本研究在机器人武术擂台赛研究的基础上，规划了比赛的方案，程序，对武术机器人的控制系统进行了设计和试验，并通过在实际场地上进行模拟对战的结果进行分析，对武术擂台赛机器人的控制系统进行了多次修改及调试，最终得到了比较满意的结果。

[1]博创科技.创意之星模块化机器人指导书[M].北京博创科技公司，2010年:全.

[2]李永新,杨杰,陈小平,等.国内机器人比赛[J].控制系统,2003,7(03):54.

[3]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(09):全.

[4]张悦.武术擂台技术挑战赛机器人整体设计[J]. 机器人技术与应用,2010(04):38-40.