宋亮—亚太机器人大赛参赛机器人机电结构优化设计与实现 - 图文

西安交通大学本科生毕业设计（论文）

摘 要

随着国内外机器人竞赛热潮的兴起，学生亲自动手完成机器人的设计与制作已成为参加机器人比赛的主要方式。本人作为西安交通大学第六届亚太大学生机器人大赛的参赛队员，参与了机器人的设计和制作整个过程，在创新设计能力、动手能力和培养团队合作精神等方面都得到了提高。

论文首先对第五届和第六届亚太大学生机器人大赛赛题作了简要的介绍，对两届规则进行了仔细的分析和比较，并介绍了西安交通大学参赛机器人整体方案的设计。随后介绍了制作机器人过程中常用的机电路组件以及各种传感器。最后本文重点论述了在机器人制作过程中机电结构的改进与优化。

在手动及自动的设计、制作以及改进过程中，本人提出了很多改进方案，并且大部分都得到了实施和验证。这些改进方案即包括机械结构方面的，又包括定位和控制方面的。正是有了这些关键的改进方案，才使得比赛机器人越来越完善,比在比赛中赢得对手，取得好成绩。

关键词：机电结构，改进与优化，机器人

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ABSTRACT

Along with the upsurge of the robot competition in and abroad, it has been the main way to take part in the match to design and finish the robots’ facture by the students themselves. As one of the member of the sixth Robot Team of Xi’an Jiaotong University, I have taken part in the whole process of the robots’ design and manufacture. And at the same time, my ability of innovation, manufacture and the spirit of team work have been improved tremendously.

At first, the rules of 5th and 6th ROBOCON has been introduced simply and be carefully analyzed and compared, and then this thesis has introduced the whole design of the blue print of our robots which have taken part in the match. Following by, this thesis has introduced the electromechanical module and sensors we constantly use in the making of robots. At last, this thesis details the improving and optimizing of the electromechanical structures in the making of robots.

In the process of designing, making and improving of manual and auto robots, I had put forward many improving schemes, and most of which had been put into practice and verified. These improving schemes are not only about machinery structures but also about locating and controlling. As these key improving schemes, our robots become prefect, beat our opponent and get good score in ROBOCON.

Key words: electromechanical structures, robot, improving and optimizing

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目录

第1章 前 言 ...................................................... 1

1.1

1.2 1.3

选题背景 ................................................. 1 研究内容 ................................................. 2 章节安排 ................................................. 3

第2章 机器人大赛规则分析 ......................................... 4

2.1 第五届大学生机器人大赛规则简介 ........................... 4 2.1.1比赛场地 ............................................... 4 2.1.2比赛规则要点 ........................................... 6 2.2 第六届大学生机器人大赛规则简介 ........................... 7

2.2.1比赛场地 ............................................... 9 2.2.2比赛规则要点 ........................................... 9 2.3 两届规则分析及比较 ...................................... 10

2.3.1第五届规则分析及上场机器人简介 ........................ 10 2.3.2第六届规则分析及上场机器人简介 ........................ 14 2.3.3两届比赛规则比较 ...................................... 17 2.4 本章小结 ................................................ 18 第3章 参赛机器人机电系统介绍 .................................... 19

3.1 机械系统组件 ............................................ 19

3.1.1行走模块 .............................................. 19 3.1.2机器人支架 ............................................ 21 3.1.3执行机构 .............................................. 22 3.2 控制系统组件 ............................................ 23

3.2.1电源模块 .............................................. 24 3.2.2主控模块 .............................................. 25 3.2.3信息采集模块 .......................................... 26 3.2.4手臂动作模块 .......................................... 27 3.2.5人机交互模块 .......................................... 27 3.2.6视觉信息处理模块 ...................................... 28 3.3 机器人上所使用的传感器及其处理 .......................... 28

3.3.1陀螺仪 ................................................ 28 3.3.2编码盘 ................................................ 29 3.3.3白线检测器（灯板） .................................... 30 3.3.4颜色传感器 ............................................ 30 3.4 本章小结 ................................................ 31 第4章 参赛机器人机械结构的优化设计 .............................. 32

4.1 手动机器人的优化设计 .................................... 32

4.1.1第五届手动机器人的设计 ................................ 32 4.1.2第六届手动机器人结构的优化设计 ........................ 34 4.2 自动机器人结构上的优化设计 .............................. 38

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4.2.1双面机器人 ............................................ 38 4.2.2双夹机器人 ............................................ 40 4.2.3门形机器人 ............................................ 40 4.2.4上场机器人 ............................................ 41 4.3 本章小结 ................................................ 43 第5章 参赛机器人电路控制的优化设计 .............................. 44

5.1 坐标定位的改进与优化 .................................... 44

5.1.1全场定位系统的原理与实现 .............................. 44 5.1.2往届所使用的坐标校正方法 .............................. 46 5.1.3本届所使用的坐标校正方法 .............................. 46 5.2 机器人前进、后退、转弯的打滑检测 ........................ 48 5.3 机器人区分积木、桥柱与障碍的方法 ........................ 48 5.4 机器人行走过程中上桥柱动作的处理 ........................ 49 5.5 本章小结 ................................................ 50 第6章 总结与展望 ................................................ 51 致谢 ............................................................... 53 参考文献 ........................................................... 54 附录 ............................................................... 55

附录1：2007亚太大学生机器人大赛主题与规则 .................. 55

附录2：2007年赴京比赛信息 .................................. 61 附录3：外文翻译 ............................................ 70 附录4：外文原文 ............................................ 77

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前 言

1.选题背景

随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。

为了普及机器人知识，促进机器人技术的研究发展，世界上很多国家和地区纷纷开展了各种类型的机器人比赛。“亚太大学生机器人大赛国内选拔活动”是中央电视台负责组织的在全国高校范围内选拔代表中国参加“亚广联亚太地区机器人大赛”的预选赛。“亚广联亚太地区机器人大赛”的前身是日本广播协会的机器人比赛，该项赛事从1988年开始，于1989年成为日本NHK每年的赛事，命名为“全日本机器人大赛”。1990年第一次邀请除日本之外的国外代表队参赛，成为一项国际性比赛，历时十年。该活动的宗旨是致力于培养各国青少年对于开发、研制高科技的兴趣与爱好，提高各参与国的科技水平，为机器人工业的发展发掘培养后备人才。本次毕业设计的题目就来自中央电视台“亚太大学生机器人大赛国内选拔活动”。

今年是我校第六次参赛，第一届和第二届时，由于我校的参赛经验、制作水平的不足，成绩并不理想；在第三届比赛中，我校凭借良好的技术和灵活的作战策略，制作的灵巧机器人表现出色，取得了第三名的好成绩；在第四届比赛中，虽然我校做了充足的准备，但由于最后比赛规则改变等原因，限制了我校机器人的发挥，最后止步于16强；第五届比赛我校凭借先进、稳定的技术和灵活的策略，拿到了国内赛冠军、亚太地区季军的好成绩。由于前五届比赛为我们积累了宝贵的开发经验，今年的开发和比赛工作进行得有条不紊，我们先后研制了十余台机器人，目前已经取得了国内选拔赛的冠军，在剩下的时间里，我们将根据机器人在国内赛场上的表现，对其进行改进，为“亚太大学生机器人大赛”的国际赛作最后的准备，并向“亚太大学生机器人大赛”的最高荣誉作最后的冲刺。

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2.研究内容

我校第五届机器人队成立于2005年11月。第四届机器人队在16进8时意外负于浙江大学队而黯然出局，此后机器人队进入了低潮期。当时第五届机器人队面临着很多困难，比如经费被削减一半，老队员全部退出，第一任队长因压力过大而退出等等。但第五届队员没有被这些困难所吓倒，仍然坚持艰苦奋斗，技术创新，终于在2006年7月的国内选拔赛上一举夺得国内冠军，并在亚太总决赛上取得第三名的好成绩，创造了交大机器人队的历史。

本人于2005年11月进入第五届机器人队。入队后，本人从手动机器人做起，手动机器人成型后又制作了干扰机器人。此外本人还在冲中机器人和破坏机器人的设计制作过程中起了很大作用。

第六届机器人队成立后，本人担任队长一职，在队内统筹规划本届机器人的研发、设计及制作。第六届机器人队是变化最大的一届。主要的变化有：1、第六届的主控系统从原来的mega128换成了性能更高的arm7；2、陀螺仪、灯板、码盘信号的采集被集成到了一块数据采集板上；3、第六届的自动机器人做到了完全脱离白线行走，并且在6分钟内坐标误差在承受的范围内；4、视觉系统真正用到了实际比赛中。

经过两年在机器人队的历练，本人对如何制作亚太大学生机器人大赛参赛机器人有了较为深刻的认识。因此本人想借此次毕业设计的机会总结一下本人两年以来的心得体会，以便新一届的机器人队队员在入队时能够能够少走弯路，迅速了解比赛机器人的开发过程，从而一方面为在比赛中取得好成绩奠定基础，另一方面可以拿出更多时间开发新技术。

机器人尤其是机器人大赛的参赛机器人是需要机械和电路紧密配合的，巧妙的机械结构会减轻控制方面的难度并带来稳定性的提升；良好的控制和多种传感器的使用使得机器人的功能能够完全发挥。机械和电路两方面任何一方做不好都会影响到比赛机器人的最终效果。以往，做机械的队员，往往因为对电和各种传感器了解不多而设计不出好的机器人；做电路的队员，往往因为对机器人的机械特性不够而发挥不了机器人的性能。因此本人深感有必要在机电机构优化设计方面做一次深刻的探讨，本人的研究工作也正是机电结构的优化设计。但是对机电

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结构的优化设计往往是一点一滴的改进，很难系统地、大篇幅地做出叙述。本人尽力在各种零碎的改进中整理出条理。

本人工作主要是：

1.对比赛规则的研究与分析，从而确定比赛机器人的研发、制作目标； 2.在机器人制作过程中，对手动与自动机器人的结构进行优化与改进； 3.在机器人调试过程中，提出机器人坐标定位的校正方法，打滑检测的方法，障碍区分的方法等并在机器人上实现。

3.章节安排

全文共分为六章，第一章为前言部分，整体介绍全文的研究背景和研究任务，及全文的结构。第二章对第五届和第六届的比赛规则进行了全面的分析，简要介绍了第五届和第六届的上场机器人以及比赛所用的策略。第三章对比赛机器人常用的机构、电路控制系统、传感器等进行了全面介绍。第四章则从机械角度回顾了机器人制作完善的过程，指出了对机器人机械结构的优化和改进，并对不同版本之间机器人更新替代的原因进行了解释。第五章对电路和控制方面的优化设计进行了研究和整理。第六章是对全文的总结和展望。

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第1章 机器人大赛规则分析

规则是一个比赛最为根本的东西，而对于大学生机器人大赛来说，主办方为了宣传各国文化，吸引更多的国家和地区参加，使比赛生动有趣，同时为了引导大赛向高技术方向发展，因此每年制定规则时都会根据主办国的文化特点来更换题目。因为比赛规则在不断地变化，并且比赛在朝着高技术方向发展，因此前几届有些做法在新的一届中往往就不适用了。每年对比赛规则的分析和讨论都占有十分重要的地位。比赛规则直接决定了需要制作什么样的比赛机器人，对比赛规则分析得是否透彻，往往直接影响到比赛机器人的制作以及最终比赛的成绩。本人在两届机器人队均负责规则研读和分析，从而决定需要制作什么样的机器人，本人深感对比赛规则进行深入分析的重要性，因此本文专门拿出一章来分析和讨论近两年的比赛规则。

2.1

第五届大学生机器人大赛规则简介

88 层、高 452m 的 PETRONAS 双子塔楼 (KLCC) 是当今世界上最高的双子塔，是最著名的吉隆坡市政中心标志性建筑。这个位于有活力的吉隆坡市中心的大型钢铁、玻璃结构立刻成为游客必须参观的地方。有趣的是，两个塔楼用天桥连接在一起，方便了游客鸟瞰吉隆坡。双子塔于 1995 年建成，是马来西亚迈向 2020 美景的里程碑之一。

ABU ROBOCON 2006大赛的意图是以一组机器人用聚苯乙烯积木模仿建造双子塔及其周边建筑。首先建成双塔之一和两个“天桥”桥墩的参赛队，实现了“竣工”，将获得胜利。

2.1.1比赛场地

1. 总面积：13000mm×13000mm，详见图2-1。 2. 场地四周有100mm高30mm厚的木质围栏。

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图2-1 第五届比赛场地示意图

图2-2 第五届比赛用积木

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3. 手动区：图2-1中浅绿色的部分。

4. 自动区：自动区分成五个区域，分别是自动机器人启动区、公路区、工

地区、禁入区和建塔区。

5. 积木：积木形状尺寸详见图2-2。手动机器人积木存放区见图；自动机

器人预装6块积木。

6. 塔及天桥：建塔区内的柱子即为塔。两个塔之间的三个柱子分别为左右

天桥和中天桥。

2.1.2比赛规则要点

1. 比赛时间：3分钟，若达成竣工条件，则比赛提前结束。

2. 机器人组成：每队可有1个手动机器人和任意个自动机器人组成。 3. 机器人尺寸：手动必须能放入1m*1m的区域，所有自动也必须能放入

1m*1m的区域，机器人出发后可自由变形。 4. 机器人重量：所有机器人重量不得超过50kg。

5. 手动机器人：手动机器人只能在手动区及本方建塔区运行；不能进入也

不能把部件伸入公路区、工地区、禁入区、得分箱及对方的建塔区；手动机器人不能接触对方的积木。

6. 自动机器人：自动机器人可在除禁入区和对方建塔区外的区域运行；进

入对方建塔区或禁入区为犯规。

7. 启动及重试：每队必须在20秒内启动所有自动机器人；每队有一次重试

的机会，但重试须在20秒内完成。

8. 竣工条件：机器人在自己的塔上放置了8块自己的积木，且在三个桥墩

中的至少两个桥墩拥有主权。拥有主权是指：a) 在这两个桥墩上有自己的最顶层积木；b) 在这两个桥墩上至少已堆放了两块积木；c) 在桥墩上只有先堆放的三层积木为有效；d) 机器人不接触桥墩或堆放在上面的积木。

9. 计分：比赛结束时统计分数。中天桥每块积木记5分，左右天桥每块积

木记2分，得分箱中每块积木记1分，塔上每块积木记1分。

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10. 犯规及扣分：

一旦比赛开始，下述动作被视为犯规并每次扣除1分。如某队被扣除了3分，该队将被取消资格。

(1) 手动机器人及其操作者接触允许运行区域以外的地面。 (2) 手动机器人伸入公路区或工地区。

(3) 手动机器人进入对方的建塔区及其上方或自动机器人有意进入对方的建

塔区及其上方。

(4) 手动机器人接触本队的自动机器人。 (5) 手动机器人接触对方的积木。

(6) 手动机器人进入禁入区及其上方或自动机器人有意进入禁入区及其上

方。

(7) 自动机器人一启动就有意向手动区运动。

(8) 如果上述⑴～⑺的犯规持续，每超过5秒钟将扣1分。 某队扣分满3分后，该队即被取消比赛资格。

11. 获胜方：首先竣工的一方获胜；若两队均未达成竣工，则得分多的一方

获胜。

2.2

第六届大学生机器人大赛规则简介

ABU ROBOCON 2007国内选拔赛的主题和规则就是根据黄帝造指南车的故事制定的。旨在继承各民族自强不息之传统，发挥我华夏儿女之智慧，激发创新之精神。一队机器人（代表黄帝和工匠）将用木块建造各种战车。最先建成“指南车”（比赛场地中央的V字形排列的三辆战车）的队获胜。比赛的时间是3分钟。

红队和绿队操作手动机器人（代表黄帝）和自动机器人（代表工匠）把木块放到“战车”上。把木块放到“战车”顶部的队占有了这辆“战车”。最先在中心区域指定的三个“战车”上建成V字形“指南车”的队就是获胜队。一旦“指南车”建成，则比赛立即结束；在两队均未建成“指南车”的情况下，比赛在3分钟时结束，得分多的队获胜。

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图2-3第六届比赛场地示意图

图2-4 第六届战车和积木

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2.2.1比赛场地

1. 总面积：14000mm×14000mm，详见图2-3。 2. 场地四周有100mm高30mm厚的木质围栏。 3. 手动区：图2-3中浅蓝色的部分。

4. 自动区：自动区分成2个区域，中蓝色的为外自动区，深蓝色的为自动

区。

5. 积木：积木形状尺寸详见图2-4。机器人不预装积木，积木存放区见图

2.3。每队手动区有15块积木，每堆3块共5堆，外自动区有5块积木，按照2块2块1块存放。

6. 战车：共有20个战车。外自动区10个，内自动区10个。

2.2.2比赛规则要点

1. 比赛时间：3分钟，若达成竣工条件，则比赛提前结束。

2. 机器人组成：每队可有1个手动机器人和少于等于3个自动机器人组成。 3. 机器人尺寸：手动必须能放入1m*1m的区域，所有自动也必须能放入

1m*1m的区域，机器人出发后可变形，但自动机器人变形后的投影最长长度不能超过1.5m。

4. 机器人重量：所有机器人重量不得超过50kg。

5. 手动机器人：手动机器人只能在手动区及外自动区运行；禁止手动机器

人直接或间接地移动对方在自动区的木块。

6. 自动机器人：自动机器人30秒内可在除保护区外的任意区域运行，30

秒后可以全场任意运行。

7. 30秒保护区域：比赛开始后的30秒内自动启动区前方为保护区，未携

带积木的对方机器人不能进入该区域。 8. 启动及重试：启动和重试没有时间限制。

9. 竣工条件：机器人在本方对应的3个V形战车上每个上面放了2块积木，

并且最上面一块是本方的，则构成竣工条件。

10. 计分：比赛结束时统计分数。战车上只有最上面一块计分。最内圈每个

计3分；中圈每个计2分；外圈每个计1分。

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11. 犯规及扣分：

(1) 一旦比赛开始，下述动作被视为犯规并每次扣除1分。

a

手动机器人及其操作者进入或伸入内自动区或对方自动机器人启动区。

b 手动机器人接触本队的自动机器人。 c

在比赛开始后的前30秒，没有木块的自动机器人进入对方保护区。

d 如果上述的犯规有意持续，每超过5秒钟将扣1分。 以上行为扣满3分后将被取消比赛资格。

(2) 手动机器人抓取或移动对方已经成功地放置在战车上的木块的行为将被

扣2分，如果比赛结束前这些木块又被重新放回或放到别的战车上，就不扣分。

12. 获胜方：首先竣工的一方获胜；若两队均未达成竣工，则得分多的一方

获胜。

2.3

两届规则分析及比较

2.3.1第五届规则分析及上场机器人简介

首先不论赛题如何，手动机器人都是必须的。手动需要做的是不断地改进以快速稳定地得分。有可能的话再考虑破坏功能。

由赛题可知，中天桥每块积木能得5分，左右天桥每块能得2分。一分箱和塔上每块积木只能得1分。因此中天桥的争夺必然会十分激烈。如何能够快速地在中天桥上得分或者快速地阻止对方在中天桥上得分成为了本届比赛的关键。经过测算，携带积木到中天桥上要4秒多的时间，而不携带积木直接用鱼竿干扰的方式阻挡对方的话，只需要不到3秒的时间。也就是说干扰机器人可以很轻易地挡住得分机器人。那么第一个目标就明确了：首先需要一个快速的干扰机器人。

但想要快速到达中天桥会有一个难题，那就是高速公路区旁边是很长的禁入区，每进一次禁入区就要被扣1分，如果在禁入区里不出来，每过5秒还要加扣1分，扣满3分后就会被取消比赛资格。那么要不要进一次禁入区来达到快速抢

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占中天桥的目的呢？在制作干扰机器人的过程中我们就争论了很久，经过实际测试，跨禁入区干扰的方式可以比不跨禁入区干扰的方式快1秒左右。在第五届对速度有着极限要求的情况下，1秒钟完全可以决定一场比赛的胜负。因此我们最终上场的是跨禁入区的干扰机器人。其他很多强队，比如去年的总冠军越南队，去年的国内亚军北科大队采用的都是这种干扰方式。我们能够在与北科大的争夺赛中取胜，很大程度上是因为我们的干扰比他们的干扰还快，这给他们带来了很多麻烦。

只有快速的干扰还不行，还必须有可以有效得分的得分机器人。因此冲中机器人和副桥机器人就被确定下来了。考虑到一般情况下机器人的底盘是方形的，并且启动区的大小只有1m*1m，如果机器人不重叠放置的话，我们最多做4台自动机器人。第四台机器人的作用是什么呢？

手动区只有7块积木，自动机器人预装了6块积木。而要完成竣工塔上必须有8块积木，那么想要通过竣工赢得比赛的话必须由自动送给手动一块积木或者由自动直接在塔上搭建一块积木。完成传送积木的任务后，该机器人就去破坏对方得分。那么目标也确定了，第四台机器人就用来给手动传送积木，或者直接往塔上投放积木，兼具有破坏功能。

根据以上对赛题的分析第五届机器人队分为五个组：手动机器人，干扰机器人，冲中机器人，副桥机器人，破坏机器人。手动机器人在外围得分，并伺机破坏；干扰机器人任务是拦截对方，破坏对方在中天桥得分的可能性；冲中机器人主要任务是快速冲到天桥得分；副桥机器人的主要任务是投副天桥；破坏机器人可自己选择为手动区添加积木还是直接将积木放到建塔区，在完成投放积木的任务后，它还要沿不同路径去破坏对方积木。

主体目标确定后，我们便开始了机器人的制作。中间经历了数次大改版和无数次小改进。手动机器人最终做到了能够在55秒内完成积木的投放，并且上面安装了一个强力风扇，能够在4~5米之外将塔上的积木吹倒，为我们在比赛中赢得对手立下了汗马功劳；干扰机器人不携带积木，可以在3秒以内跨过禁入区拦截在对方去中天桥和右天桥的通路上，使得对方无法在上面得分，干扰机器人的速度是全国乃至全亚洲最快的；冲中机器人完全脱离白线行走，在干扰机器人的保护下能够在4秒多的时间里冲上中天桥或者左天桥；副桥机器人可以携带1~5

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块积木，可以根据策略的需要选择投放中天桥、左右天桥或者一分箱；破坏机器人可以携带1块积木，可以投到手动区外或者塔上，然后再去右天桥和对方塔前用风扇破坏对方得分。

图2-5 第五届机器人全家福

自左至右：干扰车如风，冲中车追风，破坏车随风，手动车玉树临风，副桥车顺风

第五届机器人上场策略主要有两种：第一种是竣工策略。第二种是得分策略。竣工策略主要用来对付速度较慢的队伍，当我们的冲中车比对方干扰还快时就采用这种策略。干扰车首先出发，3秒内完成任务，拦截住对方去往中天桥和左右天桥的通路；冲中车随后，携带2块积木用4秒左右冲上中天桥得分；副桥车紧接着，携带3块积木上到左天桥得分；破坏车向塔上投放一块积木后去对方建塔区前用风扇破坏对方得分。如图2-6所示。

得分策略主要用在对方干扰车比较快，能够在我方冲中到达中天桥之前进行拦截。此时我方干扰仍然正常出发；冲中车不去中天桥，携带3块积木去左天桥；副桥车携带3块积木投放得分箱；破坏车则不带积木，直接去对方建塔区前破坏。如图2-7所示。

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图2-6 第五届竣工策略

图2-7 第五届得分策略

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2.3.2第六届规则分析及上场机器人简介

本届规则中手动得分点有10个，积木有15个，任务非常艰巨。因此手动的主要任务应该放在如何提高得分效率上，保证在3分钟内能够将本方积木放完并留出一定时间破坏对方得分。此外自动区只有5块积木，若要实现竣工的话至少需要6块积木，因此还需要手动机器人向自动机器人传送至少一块积木。如何能够快速稳定地向自动机器人传送积木，这一点也是需要考虑的。竣工的时间很大程度上取决于手动向自动传送积木的时间。

由规则可知，内自动区有10个桥柱，最内圈5个桥柱，每个3分，中圈5个桥柱每个2分，分数很分散，并且比赛规则对机器人的大小进行了限制和数量都有了限制。因此像第五届一样仅靠干扰车很难在场地上获得绝对的控制权；得分车像第五届那样放完就不动了的话也不可以。这就要求自动车一方面在复杂的场地下能够准确定位，另一方面要有连续得分和破坏的能力，不能做完一项工作就停下不动，要一直工作到比赛结束。自动车和手动车之间，以及三台自动车之间必须能够很好的配合才能实现对桥柱的绝对占领，才能防止对方自动车对本方领域的控制和破坏。

因此本届机器人制作时的难点一方面集中在定位的准确性上，另一方面集中在得分和破坏的效率上。定位能够做到快速准确的话，任务已经完成了一大半。只要能够准确定位，用什么样的机构来得分和破坏其实影响不大。

刚开始我们制作机器人的时候，其实还是基于白线的，陀螺仪和码盘只是用来辅助定位。后来尝试了一下完全脱离白线行走，并加入了一定的校正措施，发现定位精度完全满足要求，机器人不停地活动可以做到6分钟内可以找到目标。有了这样的定位精度，我们决定完全抛弃白线，仅用陀螺仪和码盘来进行全场定位。

机器人的外形上，则经历了翻天覆地的变化。我们先后制作了双面车、双夹车、门形车以及最终的上场机器人——单夹车。这一变化过程以及改版的原因我会在后面叙述。这里仅简要介绍一下最终上场的机器人及策略。我们最终上场的机器人由一台手动和三台自动机器人和一台手动机器人组成。三台自动机器人分别为：前锋“如影”、中锋“追影”、后卫“幻影”、手动“无影”。除一些微小差别外，前锋、中锋和后卫3个机器人整体结构上完全一致，都是底盘上有三根立

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杆，一个夹子能够在立杆上上升下降。手动机器人则有2个夹子，呈对称结构，能够快速有效地得分。

虽然外形上一样，但三个自动机器人之间还是有分工的，前锋和中锋是主要得分车。前锋和中锋的功能主要是去取外自动区给定的积木，放完积木后再到外自动区的桥柱上等待手动送积木过来。放完积木后还会在桥柱上保护一段时间。放积木的任务完成后，前锋和中锋则在特定的区域进行区域维护。如果此时桥柱上有对方积木，前锋和中锋则会将对方积木取下。

后卫车前期的作用主要是在特定的点进行拦截，以防对方机器人冲上中间桥墩破坏我方竣工的机会；之后会守在一个内圈桥柱上防止对方过来放积木并竣工；再往后则是去外自动区的桥柱上取手动送的积木，然后拦截在对方启动区前，或者直接将积木放到特定的桥柱上。

图2-8 第六届竣工兼得分策略

为了能更清晰地表达三个自动机器人是如何协同工作的，这里举一个我们最常用的竣工兼得分策略来说明。如图2-8所示，机器人摆放好后，前锋首先出发，后卫紧接着出发，中锋最后出发。前锋拿到（3，5）点的两块积木后，立即以一

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个小弧转向（0，0）点并将两块积木放上。然后再后退转向，到（2，5）点取手动送来的3块积木，再放到（16，0）点。此时的时间大约是42秒。如果在此时间之前中锋已经将积木放到了（8，0）点，则达成了竣工，比赛立即结束；如果积木被破坏或者中锋车没能在（8，0）点放上，则不能竣工。前锋车延迟5秒后将（16，0）点的积木取下2块，分别放到（16，3）点和（0，3）点。之后前锋车在5区进行维护。如果发现桥柱上有对方积木，则将其取下。

后卫有多条路径可以选择，可以从场地中心穿过，也可以从（8，0）下方穿过，在特定的拦截点等待几秒后立即抱住（12，0）点的桥柱，在这里等待到40多秒后去（10，5）点取手动送来的积木，拿到积木后到对方启动区前进行拦截。在距比赛结束还有15秒时，将两块积木分别放到（12，0）和（12，3）点。

中锋紧随着后卫出发去（5，5）点取积木，然后放到（8，0）点。在此等待到40多秒。然后去（6，5）点取手动送来的积木，分别放到（8，3）点（4，3）点（4，0）点。之后中锋车进入0区或者2区进行区域维护。

这一套策略，兼顾了竣工和得分。前期向竣工方向努力，中后期如果竣工不成，则进行得分动作，两套动作是自动切换的。如果成功竣工，比赛立即结束，后面的动作就不需要执行了；如果竣工不成，则后面的得分动作要执行。在国内赛中，7场比赛基本上都是用的这个策略（中间会有细微调整），除第一场对阵哈尔滨工程大学代表队因手动操作手犯规而被取消资格外，其余6场均竣工获胜或者以大比分获胜。这说明这一套策略还是非常成功的。

图2-9 第六届防拦截兼得分策略

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2.3.3两届比赛规则比较

通过分析两届比赛规则，我发现第六届规则明显要比第五届规则“好”得多。所谓的“好”，是指规则能够充分发挥机器人的定位、智能等水平，而不是鼓励拼抢速度和暴力手段。两届赛题的不同如下：

1. 从场地上讲，第六届场地明显要比第五届场地复杂得多。第六届的自动区从原来的正方形变成了十边形，引导线也由原来横平竖直的白线变成了蜘蛛网状的白线，而且引导线间的距离增大，这对沿线行走的机器人提出了更高的挑战。

2. 从给积木的方式上讲，第五届是给自动机器人预装积木，不需要机器人去取积木；而第六届则不给自动机器人预装积木，而是放在固定点上由自动机器人去取。仅从这一点上讲，第六届规则对机器人的要求有了大大的提高。

3. 从自动机器人的数量上讲，第五届不限制机器人的数量，因此很多队伍专门拿出一台机器人做干扰之用，仅凭速度快和暴力手段就可以解决问题；而第六届规则规定自动机器人的数量不能超过3台，这样的话，就对每一台机器人的功能要求有了很大的提高，并且一定程度上限制了纯粹干的扰机器人的使用。因为如果单独拿出一台机器人做干扰的话，那么只有2台机器人能用来得分，在得分点很多的情况下，得分车变少会非常不利。

4. 从自动机器人的尺寸上讲，第五届不限制机器人变形后的尺寸，因此很多队伍用非常长的鱼竿或鱼网作大面积的封堵，这种没有任何技术含量的做法却能起到很好的效果；而第六届则将机器人变形后的尺寸限制在了1.5m。这大大降低了纯粹的干扰机器人的作用，提高了对机器人智能性和灵活性的要求。

5. 从得分点上讲，第五届有7个得分点，分值最大的中天桥为5分，并且中天桥只有1个，其它得分点只有2分或者1分，这就造成了中天桥的争夺十分激烈。而第六届的得分点变成了20个，目标点大大增加，最高分的点是3分，有5个，位于最内圈；2分的点也有5个，位于中圈；1分点有10个，位于最外圈。这样的得分点设置，一方面大大增加了机器人动作的复杂性，从而迫使大家提高机器人的技术水平；另一方面使得仅靠速度拼抢一个点然后赖住不走的做法失去作用。

6. 从对手动机器人的限制方面讲，第五届虽限制手动机器人直接接触对方

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积木，但没有限制手动机器人以其它方式破坏积木。并且第五届的积木的特点是有一个缺口，放到桥柱上后可以被吹下来。这就导致了很多队伍（包括我们）在手动机器人上安装大功率风扇将积木吹下来，这种简单粗暴的做法却能起到很好的效果，在比赛中起到了不良影响。而第六届在制定规则时已经觉察到这一点，对手动机器人的活动进行了严格限制。手动机器人不允许直接或者间接地移动自动区内的对方积木，否则将被取消比赛资格。这一限制直接杜绝了在手动机器人上安装风扇的做法。这样做是完全正确的，毕竟这个比赛中我们比的是机器人，而不是人。

总之，因为第六届比赛规则的合理设置以及难度的适度增加，使得对机器人的技术要求有了较高的提升，从而使得比赛脱离拼抢速度和暴力的怪圈，转而向智能性和技术性方面发展，这对提高各个参赛队伍的技术水平有很大帮助。另外，本届规则还在一定程度上增加了比赛的观赏性。

2.4 本章小结

本章对第五届和第六届机器人大赛的规则进行了详细的介绍、分析和比较，以便为后面的机器人机电结构优化设计做好铺垫。同时还介绍了我校第五届和第六届机器人队比赛时所采用的主要策略，作为日后研究第五届和第六届策略的重要依据。

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第2章 参赛机器人机电系统介绍

3.1

机械系统组件

大学生机器人大赛的参赛机器人的机械结构一般可分为行走模块、支架、执行机构三个部分。下面将分别介绍。

3.1.1行走模块

机器人的行走模块是驱动机器人行走的最为重要的部分。它要能及时地对控制量进行相应。我们的行走模块可以分为电机、电机座、轮轴、轴承座、轴承、轮子等几个部分。我们所使用的驱动电机有MAXON和FAULHABOUR两个品牌的数个型号，功率从70瓦到200瓦不等。与电机配套的控制盒一起使用，可以做到响应迅速、控制精确。

图3-1 行走模块

我们一般是两个电机同时使用，一个在左，一个在右。通过控制两个电机不同的转速，可以灵活地行走，转向。如图3-2所示。但有时候驱动部件的安装方式也会根据实际需要而改变。比如第五届的干扰机器人，为了使机器人能够以最大加速度加速，并能够迅速停止，我们使用了四轮驱动，两个前轮通过齿轮由一个电机驱动，两个后轮通过齿轮由另外一个电机驱动。前后轮同时加速可以最大

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效率地利用轮子和地面的摩擦力，从而达到快速加减速的目的。这样的机器人只能走直线，但加速和减速都非常快。如图3-3所示。

图3-2 驱动部件的一般方式

图3-3 第五届干扰机器人的驱动方式

此外，在比赛中机器人还有使用全向轮和履带驱动的。全向轮一般在机器人上安装3~4个，使用全向轮的机器人可以不用转弯而到达场地的任意一点，有时候非常有用。履带式机器人有较好的加速减速性能，并且有一定的越障能力。因为我们没有使用这两种驱动方式，这里不多做介绍。如果在设计机器人的过程中需要用到这种驱动方式的话，可以查阅相关资料。

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3.1.2机器人支架

机器人支架是连接驱动部件和执行机构的机构。支架一般分为底盘部分和上部承载部分。底盘上装有万向轮和驱动轮，承载部分连接执行机构。机器人底盘一般是方形，前面有两个万向轮，后面有两个驱动轮。根据机器人功能的不同，机器人支架可以千差万别。例如，第五届干扰机器人支架（图3-4）一方面要尽量小，另一方面还要适应鱼竿等的特殊安装方式；第六届的手动机器人底盘（图3-5）则是三角形的，这样做是为了使机器人贴着围栏走时能够将积木放到桥柱上；第六届自动机器人（图3-6）设计时考虑了本身电路板的安装以及和机器人之间的配合摆放。

图3-4 第五届干扰支架

图3-5 第六届手动车支架

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3.2.4手臂动作模块

因为本届规则对自动机器人的智能性提出了更高的要求，需要在机器人上安装大量的传感器，比如光电对管、接近开关、颜色传感器等等。这些传感器往往需要在底盘和夹子上安装很多个。由于夹子是上下活动的，通过主控芯片直接控制夹子动作或采集夹子上传感器的信息的话，需要很多根数据线，并且控制线需要随着夹子的上下而活动。我们在夹子上安装了5个接近开关，3个颜色传感器。每个接近开关有1根电源线1根地线和1根信号线，每个颜色传感器有6根控制线和1根信号线。此外夹子上有两个电机，控制两个电机的正反转并且带限位的话需要4根线，这样的话总共需要20多根线。如果这些线都要引到主控板上的话，是不可想象的。因此我们在活动的夹子上使用了一片Mega128来采集接近开关、颜色传感器的信号，并控制电机、舵机的动作。Mega128通过串口与主控板进行通信。

使用多处理器分别控制则在上下级通信线较少，系统结构明晰，出现故障时排查容易，可以实现夹子动作和行走的并行工作，提高系统的整体性能，并且给主控芯片留下很大的扩展空间。

3.2.5人机交互模块

为了使程序的调试以及运行可见性增强，方便调试工作，而设计了人机界面，它由一块字符点阵液晶显示器、一块液晶显示处理板和I2C通信模式的键盘模块组成。

液晶显示模块具有显示字符、字符串、10进制数、16进制数、浮点数的功能。液晶显示模块采用SPI通信方式。将数据和命令经过串并转换后发送到液晶显示屏控制和显示，读写命令通过两个GPIO控制。在控制LCD显示时，需要程序控制E端口和RS的上升下降沿,保证能够正确的写入LCD中去。HC595实现将SPI输出的串行数据转换为并行数据。

键盘模块是I2C通信方式的具有24个按键的小型键盘，用于在调试时输入调试参数，和运行时输入方案和和运行参数。

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3.2.6视觉信息处理模块

视觉信息处理模块硬件部分采用单板电脑和USB接口的摄像头，通过Lpc2138的另外一个串口进行通信。采用RS232通信方式，仅需要将Lpc2138输出的数据转化为RS232形式，实现与单板电脑串口的通信。

3.3

机器人上所使用的传感器及其处理

机器人有了机械结构和控制系统后，还不能完成比赛任务，还需要结合各种传感器的信息才能知道机器人所处的状态，完成指定的任务。

3.3.1陀螺仪

陀螺仪使用的是BEI公司生产GYROCHIP II型的陀螺仪QRS14。使用中陀螺仪的主要问题是零位电压的稳定性问题。陀螺静止时的输出电压称陀螺零位电压，零位电压随时间变化，即零位漂移。在静止状态下，不同时间给陀螺通电，陀螺的输出电压各不相同。另外，零位电压还受温度的影响。零位电压的这些性质给准确测出方位角造成了一定的困难。

为了将陀螺仪的模拟信号转换为数字信号并通过积分得到实时的角度值，直接由主控芯片LPC2138完成会占用大量的系统时间，所以可以采用CPLD来控制转换芯片ADS7805来实现AD转换，上位机可利用定时器中断定时来对陀螺仪角速率进行数值积分获得这段时间变化的角度值，不断累加后即可得到机器人相对于初始位置的角度值。由于陀螺仪存在零位漂移和启动时间（约2秒），在开始积分之前必须先求得零漂值，这可以通过抛弃开始启动时的采样值和均值滤波来实现。

上位机对陀螺仪信息的处理原理很简单，首先在陀螺仪静止时对前若干次采样所得的数字信号进行平均，得到陀螺仪的零漂值，之后用每次的采样值减去零漂值并进行累加，即可得到陀螺仪转过的角度。

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3.3.2编码盘

位移传感器采用光电编码盘。码盘安装在与主动轮同轴的从动轮上，与主动轮同步转动。设从动轮周长为L，码盘线数为M，t时间内码盘输出的脉冲数为N，轮子走过的距离S就是：

机器人选用的从动轮码盘由斯堪迪纳维亚建设公司生产2RMHF型编码盘，它是1000线的中空轴编码盘，输出A、B、Z三相脉冲。在电路实现上码盘的四路信号，

，

，

相差，也可以直接利用有90度相差的

另一路信号进行鉴相就可以知道码盘是正转还是在反转，正转时加计数，反转时减计数。

下位机码盘处理板对码盘的计数是不停止的，累加至溢出后又重新累加，所

以上位机要对读到码盘计数值进行分析，确定该次采样与上一次采样之间码盘板CPLD中计数器是否溢出过，从而进行相应的处理。

由于所使用的码盘是1000线的，假设机器人的最大速度是5m/s。那么可以计算出每5ms机器人最多前进2.5厘米。而码盘从动轮的周长是十几厘米，所以

每5ms下位机的计数值不会超过1000。下位机码盘板CPLD中的计数器是16位的，最大计数值是65535。假设机器人一直在向前运动，上位机每5ms读一次下位机，把读得的结果同上一次读到的结果相减。如果这个结果在1000以内，或者放得更宽点儿，在5000以内，我们就可以判断出计数器没有溢出。而一旦这个差值在负的60000多，那我们就可以知道计数器溢出了，真实的结果应该是这个值再加上65536。这样，上位机只需要做很少的工作，就可以大大减轻下位机的负担，而且实现了理论上的不丢码。

通过编码盘的使用，我们得到了机器人走过的距离信息。再结合陀螺仪的角度信息，便可以计算出机器人在全场的坐标。这在后面会详细介绍。

N____ABS?ABABM （3-1）

可经过差分传输器形成两路信号，且这两路信号有90度的

，两路信号。在CPLD中用一路信号对

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3.3.3白线检测器（灯板）

白线检测器由灯板和灯处理模块来实现。比赛场地是宽30mm的白线铺设在蓝色场地表面上，由于蓝色和白色材料对光的反射强度不一样，在入射光相同的条件下，通过测出反射光强，就能分辨出白线和蓝地。

蓝色和白色对红色光反射率相差很大，为了放大反射光强度的差别，选择高亮度的红色发光二极管作为光源。反射光靠光敏二极管接受并转化成电信号。光敏二极管接收到的光越强，产生的电流越大。通过串接一个电阻，可以把这个电流信号转换成电压，再通过比较器设定阈值电压比较，就能把模拟电平转换成数字信号。

但是机器人在场地中行走时会不可避免地受到外界光源的干扰，所以要对发光二极管进行调制，接收时先放大后解调以获得更好的效果。由于各个光敏接收管的特性不一致，直接利用模拟值比较得出数字信号的方法有可能存在问题，所以应先将模拟的信号经A/D转换器转换为数字信号后再比较，这样会增强白线检测器的适应性。

由于我们使用陀螺仪和码盘已经可以做到全场定位，并且精度完全满足比赛需求，所以最终我们的上场机器人上没有使用灯板。不使用灯板给我们带来的好处是显而易见的，我们的机器人完全脱离了白线的束缚，可以全场任意行走。我们能够在全国夺得冠军很大程度上就是因为脱线行走迅速而准确。

3.3.4颜色传感器

颜色传感器用于判断桥柱上和手臂中积木的颜色，以决定需要完成的动作：破坏或者夹取投放。积木颜色信息的正确与否直接影响着动作是否正确，如果积木颜色判断错误，非但不能得分，还会对本方造成严重的破坏作用。所以颜色传感器要求必须有高的稳定性，并且有快速的判别能力。颜色传感器从开发到比赛经历了三个阶段：可以判断三种颜色（红，绿，蓝）的颜色传感器；可以判断红绿两种颜色的第二代颜色传感器，可以判断红色的第三代颜色传感器，另外用接近开关辅助判断绿色积木。限于篇幅，这里只介绍最终上场的第三代颜色传感器。

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图3-12 第三代颜色传感器示意

第三代颜色传感器是结合了颜色检测和接近开关检测两个部分，我们首先通过接近开关检测前方有无积木，由于接近开关的反应速度很快，所以几乎不用多少时间，这样就省去了在没有积木的地方进行颜色采集的多余时间，提高了检测的速度。当接近开关检测到前方有积木式，接着再调用颜色传感器检测颜色，由于积木颜色只有红绿之分，如果检测到的不是红色，则肯定是绿色，这样就大大提高了检测的时间和可靠程度。

在比赛场上，颜色传感器发挥稳定，但从比赛过程中发现，颜色的识别还是占用了比赛的相当一部分时间，而另外一些队伍的颜色识别是相当快的，并且距离较远，所以对于第三代颜色传感器进行改进，进一步提高颜色传感器的识别速度，增加识别距离，提高颜色传感器的抗干扰能力是我们在国际赛之前需要攻克的难题。

3.4 本章小结

本章对比赛机器人常用的机构、电路控制系统、传感器等进行了全面介绍，一方面为后文的机电结构优化设计提供素材，另一方面为新一届的机器人队队员留下参考资料。

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第3章 参赛机器人机械结构的优化设计

4.1

手动机器人的优化设计

手动机器人由于是人来控制的，因此是机器人比赛中最稳定的一个机器人。但手动机器人得分点的分值一般是全场最低的，并且所给的积木块的数量是最多的。因此手动机器人在比赛中任务繁重，并且担负着配合自动机器人的任务。因此手动能否高效快速地完成任务，是历届比赛中的一项重要任务。

4.1.1第五届手动机器人的设计

在拿到新一届赛题，开始设计手动机器人时，往往需要参考一下前几届的设计。让我们首先也来回顾一下第五届手动机器人的设计。第五届手动机器人全重14kg，底盘大小620mm*700mm，高度1850mm。如图4-1，其底盘为U形结构，底盘后部为两个驱动轮，前方为两个跨障碍轮。该手动机器人有1个可以升降的夹子，用来夹取与抬升积木，手动机器人后部装有一个1500瓦的无刷电机带动的风扇，用来吹掉对方积木。如图4-1所示。

手动机器人上最为特别的是它的跨障碍轮。第五届赛题中，在手动塔柱前50cm处有一个10cm高，3cm宽的木质围栏。而手动机器人启动时的限制尺寸是1m*1m，这样的话就必然要将夹子做成可以前后伸缩的或者前轮做成可以活动的。当初考虑到夹子做成伸缩的话会比较复杂，也容易重心不稳而倾倒，所以放弃了这种做法。那么剩下的就只有将前轮做成活动的。刚开始的时候走了很多弯路，比如用滑轨，前轮被撞到后缩回去。但这样同样容易重心不稳而倾倒。后来又想到前轮缩回去后再用一个舵机顶住地面，但这样造成了机构复杂和操控难度的加大。

最终本人设计出了V形的跨障碍轮。该轮主体是一个卧倒的V形结构，V形的尖端能够转动。V形的两个末端各装有一个万向轮。当正常行驶时，V形口朝前，当碰到木质围栏时，V形沿顶端旋转翻过木质围栏，用另外一个万向轮着地，从而达到跨越木质围栏的目的。如图4-2所示。

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图4-1 第五届手动机器人

图4-2 V形轮过障碍的过程

该轮用巧妙的机械结构完成了跨越围栏的动作并且保持重心稳定。如果不使用该轮，想要跨越围栏并且保持重心稳定的话，将要付出很大的代价。该轮是典型的“用简单的机械结构解决复杂的动作问题”，在日后的设计机器人的过程中，也应遵循这一原则：如果能用比较简单的机械结构解决一个问题的话，就不要用复杂的电路程序控制解决。由于该轮结构简单，效果出众，已经被很多兄弟院校借鉴。在第六届机器人大赛的很多机器人上都可以看到该轮的身影。不过在我们的第六届手动机器人上并没有使用该轮，原因是什么？因为赛题变了，用该轮的话并不能达到最高的效率。

第五届的手动机器人最终成型经历了大约5个版本，中间小的改动更是不计其数。做机器人的过程就是这样，总是不停地改进，直到最好。

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4.1.2第六届手动机器人结构的优化设计

做什么样的机器人，是由规则来决定的。手动方面，相对于第五届规则，第六届规则的不同有以下几点：

1．手动的积木数量增多，由原来的7块变为15块；堆数也由原来的3堆变为5堆。

2．手动的得分点由原来的1个变为10个，原来在一个点上连续放多个积木的话，每个积木都计分；如今只有最上面一块才计分。

3．手动得分点前仍有木质围栏，但距离由原来的500mm变为330mm。 4．取下对方外自动区的桥柱上积木的话将被扣2分，但如果放回去的话则不扣分。

通过上几点的变化，我们初步可以推断出： 1.手动的效率需要提高，一个夹子可能不够了。

2.有可能不需要跨越围栏，而直接用悬臂将积木放到桥柱上。

3.想要破坏对方积木的话，只有两种方式了，要么盖对方积木，要么翻转积木，使原本我方积木在下变成对方积木在下。

1.0版手动机器人

图4-3 第一版手动机器人

初期，本人的想法是在手动机器人上做3个夹子，这样5堆积木只要取2次就够了，相对于1个夹子，可以大大减少来回取积木垒积木的过程；夹子用丝

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杠滑块的方式；有两个夹子安排在侧面，悬臂长度近400mm；有一个夹子安排在前面；前面是V形，可以辅助靠近拐角；侧面放积木时只需贴住木质围栏就可以了；正面放积木时可以用V形辅助定位。如图4-3。

图4-4 第一版手动机器人放积木示意图

第一版机器人做出来之后，发现如下问题：

1．夹子用超高速电机时，因为经常急停急转，电机齿轮经常被打坏；用低速电机时，夹取积木的时间太长；

2．因为两个夹子全都在侧面，造成了手动机器人的中心偏向一侧，在走直线时总是向一个方向偏，转弯时也很困难；这也手造成动机器人行走速度很慢；

3.由于升降部分有3个夹子，重量太重，GWS777舵机拉升的时候速度很慢。

1.1版手动机器人

第一版做出来之后，根据第一版出现的问题，做了以下改进： 1．夹子电机方面寻找合适的电机，换用GWS777舵机试验； 2．通过将电池、控制盒等装到另一侧来平衡重量； 3．加大GWS777舵机的电压； 4．前方夹子改成了可旋转的。

整体结构和第1.0版差不多，因此不再重复贴图。第1.1版做出来之后由于没有找到合适的电机，夹子使用舵机夹取后，速度提上去了，但经常出现夹不紧的现象。电池、控制盒装到另一侧后，走路偏转的问题有了一定改观，然而仍然

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存在操控性不强的问题。只有在另一侧加非常重的配重才能走好，但这会浪费宝贵的重量。在加大GWS777舵机的电压后（由原来的8V加为12V），夹子的提升速度有了一定加快，但造成了舵机齿轮受力过大，非常容易损坏。当时认为是三根立杆不平行，焊接时不够精确，造成夹子不容易滑动。前方的夹子旋转刚开始用的是GWS777舵机，但效果不理想，也容易损坏舵机齿轮。

1.2版手动机器人

1.2版手动机器人尝试了气动夹积木的方式。但这样一方面因为气瓶漏气而夹放次数有限；另一方面夹子的重量又增加了。造成夹子上下滑动更不顺畅，走路时的偏移问题更加严重。到此，基本上说明1版手动机器人设计失败，需要换个思路来做。

2.0版手动机器人

吸取了前面的教训，2.0版机器人制作时放弃了方形底盘，改为三角形底盘。因为气动和舵机夹积木的效果并不好，并且占用的空间大，夹子也放弃了气动和舵机夹积木，而又回到了丝杠夹积木的方式。但是丝杠从原来的三角螺纹换成了梯形螺纹，梯形螺纹适合用于传动，不容易卡死。夹子数量从原来的3个减为2个，一个夹子可以夹住积木并翻转，另一个夹子是双层的，可以夹六块积木并且每次可以丢一块积木下去。如图4-5所示。

图4-5 2.0版手动机器人

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2.0版手动做出来后，行走方面得到了大大改善，变得比较稳定。但是旋转积木的结构因为悬臂太长，一直不稳定。双层夹子也存在问题，主要就是一次丢一块积木的过程比较复杂。本来旋转和双层夹子的目的是为了使放积木时的效率能够提高，但是现在发现这样非但没有提高效率，反而造成了机器人的不稳定。

图4-6 旋转夹子和双层夹子

3.0版手动机器人

根据2.0版手动出现的问题，3.0版手动制作时进行了非常大的简化：放弃了可旋转夹子和双层夹子，改成了普通的单层夹子。这样一来，不但简化了手动车的结构，使得手动车变成左右对称的结构，还减轻了重量（只有11.4kg），减少了操作量，使得操作时犯错的可能性降低。

图4-7 3.0版手动（俯视图）

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图4-8 3.0版手动（立体图）

经过短时间的试用，操作手反应该车操作灵敏，控制量少，不容易出错。于是我们决定将该版本的手动机器人作为上场机器人。

4.2

自动机器人结构上的优化设计

本届自动机器人制作过程也经历了很大的改版，现在将这一过程回顾整理一遍，以便对以后的机器人制作有所帮助。

4.2.1双面机器人

双面机器人是本届制作的第一个自动机器人。设计双面机器人的目的是为了在一台机器人上集中得分和破坏两种功能，一个夹子带积木用于得分，一个夹子

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空着，当桥柱上有对方积木时用于取下对方积木。双面机器人的外形见图4-10。

图4-10 双面机器人

双面机器人的底盘是H形的，这样有个好处是可以制作3个双面车，在启动区内可以交叉放置。因为启动区只有1m*1m的大小，交叉放置可以使得启动区内能够放得下。

图4-11 双面机器人在出发区的摆放

后来证明双面机器人的想法还是很好的，参加比赛时发现括哈尔滨工程大学，中国科学技术大学都制作了类似的机器人。但我们在制作了第一版双面车之后就没有继续做下去。主要原因有：1.一开始我们的机器人还是沿线走的，H形机器人灯板间距太小，造成走白线时震动大，容易丢线；2.双面车的功能虽然强

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大，集得分与破坏于一身，但其效率并不高。破坏时需要反复前进后退转向，这样会浪费很多时间；3.后来想到了更好的设计，所以把双面车放弃了。

4.2.2双夹机器人

4-12 双夹机器人

双夹机器人是本届制作的第二种自动机器人。双夹机器人主要结构是这样的：底盘是U形的；底盘上装有一个可旋转的水平圆盘，圆盘上连接有3根立杆；立杆上有一个升降台可以上下滑动；升降台上有两个呈70度夹角的夹子。如图4-12所示。

制作双夹机器人的目的很明确：一是为了集得分与破坏于一身；二是为了提高得分和破坏的效率。使用这种结构，在得分或破坏时，机器人靠到桥柱上之后，底盘不需要动，只需要转动上面的夹子就可以了，这样可以大大提高得分和破坏的效率。双夹车的最终成形经历了约3个版本，详细过程就不再叙述。

4.2.3门形机器人

双夹车成形之后，我们又开始制作了门形机器人。设计门形机器人的原因是这样的：经过一段时间的调试，发现一般机器人从一个桥柱走向另一个桥柱时，

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需要做一系列的后退、转向、前进、靠桥柱的动作，当时认为这样会降低效率。基于这样的考虑，我们设计并制作了门形机器人。如图4-13。

图4-13 门形机器人

门形机器人通过什么来提高效率呢？门形机器人中间是空的，可以从桥柱上穿过，因此不需要后退转向的过程，而是直接走向下一个桥柱。看起来门形车能够达到比普通车更高的效率。于是我们投入了大量的人力物力在上面。最多时有3个组同时在制作和调试门形车。但是在调试门形车的过程中我们遇到了极大的困难。最大的问题就是门形车在经过桥柱时会蹭到桥柱而引起打滑，这样的话门形车的坐标就会丢失。走过几个桥柱之后，门形车的坐标误差就积累得很大。

4.2.4上场机器人

上场机器人的结构比之前做的所有机器人都简单。它的底盘上固定有3根立杆，立杆上有升降台可以上下滑动，升降台上有一个夹子可以开合。如图4-14。

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图4-14 上场机器人

图4-15 上场机器人底盘及立杆

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图4-16 上场机器人夹子及升降机构

为什么前面做了这么多机器人，最终上场的机器人结构却被大大简化了？其实上场机器人是在被逼无奈、仓促之下做出来的。当时我们的重点是放在双夹车和门形车上面的，门形车上面的投入最大。但是经过两个月的调试，在距比赛还有一个多月时，门形车的效果还没有出来，而双夹车因为没有重点投入，调试的效果也不理想。在当时的情况下，只有果断放弃门形车和双夹车，集中全队的力量去做一版结构简单、容易调试的机器人，首先保证能有稳定的机器人参加比赛。

幸而第六届的赛题对结构并不敏感，加之我们脱离白线全场坐标行走弥补了结构上的不足，才使得我们最终夺得了冠军，成功卫冕。但是我们存在的不足要深刻认识。

4.3 本章小结

本章从机械角度回顾了机器人制作完善的过程，指出了对机器人机械结构的优化和改进，并对不同版本之间机器人更新替代的原因进行了解释。

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第4章 参赛机器人电路控制的优化设计

5.1

坐标定位的改进与优化

第六届机器人队能够做到比赛的3分钟内全场完全脱离白线行走，并且还能保持一定精度；在受到撞击，误差很大时还具有一定的坐标恢复能力，这是历届机器人队技术上的一次飞跃。下面将介绍本届机器人队是如何做到准确定位的。

5.1.1全场定位系统的原理与实现

定位的目标是得出机器人在比赛场地这个平面上的二维坐标。若机器人是直线运动，那么，只要根据直线的斜率和长度就能轻松的利用几何知识得到机器人的x、y坐标。然而，机器人在场地上的运动曲线可能是任意形状的，所以使用一种依赖于行走路径的定位方法是不现实的，因为不可能使用一种统一的数学模型去描述所有可能的情况。但是如果使用微元累加的思想，把曲线看成是很多段微小的直线组成的，就有可能解决定位问题。

图5-1 机器人运动位置坐标的计算

上图表示机器人沿弧线从A(x,y,?)点走到A′(x??x,y??y,????)的坐标变化。?x,?y,??分别表示在Δt时间内机器人的横、纵坐标和角度的增加量，

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(x,y)是图5-1中建立的直角坐标系中的机器人坐标，?则表示以横轴为起始位

置并以逆时针方向为正的方向角。ΔS表示A 点到A ′点的弧长，R表示圆弧半径。于是?x,?y可由如下的公式计算得到：

?x?AA??cos(???2R?sin(??)2

????)?cos(??)22 ????????S?[sin()]?cos(??)222

??)2

(5-1)

?y?AA??sin(??

?2R?sin(????)?sin(??)22 ??)2????]?sin(??)22

??S?[sin( (5-2)

当机器人走直线时??=0，

sin(????)/?122，则式(4-1),(4-2)可写成： ??)2

?x??S?cos(?? (5-3)

?y??S?sin(????)2

(5-4)

由于时间间隔Δt很短，线段AA’的长度近似等于圆弧长度，设Δt时间内编码盘走过的距离为delta_len，则?S?delta_len。设last_angle为上次采样的角度， rob_angle为当前的角度，通过计算Δt时间内机器人的位置变化量?x,?y，进行累加，从而求出机器人在整个赛场上的位置。

??)2

??(????)?x?delta_len?cos()2

last_angle?rob_angle?x?delta_len?cos()2

x'?x?delta_len?cos(?? (5-5)

y'?y?delta_len?sin(????)2

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last_angle?rob_angle?y?delta_len?sin()2

?y?delta_len?sin(??(????)2) (5-6)

这样，在初始坐标(x,y)的基础上，每个采样周期(程序循环一次的时间，大约6ms)都计算一次更新坐标(x',y')，这个(x',y')相当于下一个周期的初始坐标(x,y)，如此循环，就可以时刻知道机器人所在的位置坐标。

经过测试，实际运行情况与该理想模型十分接近。但是随着运行路程的增长，累计误差越来越大，因此需要用其他的手段进行位置校正。

5.1.2往届所使用的坐标校正方法

陀螺仪角度本身有误差；码盘因为有机械结构，不能保证码盘轮直径不变化，也不能保证行走时不打滑；并且比赛具有对抗性，不能保证双方机器人不相撞；并且更重要的一点，一旦坐标和实际产生偏差，如果没有校正，那么偏差就会一直积累下去。这也是为什么前几届没有放开手脚使用坐标定位的原因。

往届的校正方法是用灯板读白线信息来校正坐标。但这种做法存在很多缺点。全场都是白线，灯板只知道压到了白线，并不知道压到了哪条白线；灯板压到白线有很多种情况。如果要用算法来对坐标进行校正的话，这个算法会很复杂。因此实际比赛中这种方法只起到辅助作用。比如第五届的冲中机器人，只是短距离短时间内脱线行走，走完后就没有后续动作，它不需要进行校正；第五届的破坏机器人，也只是能够做到短距离脱离白线，大部分时间还是沿线走的。

5.1.3本届所使用的坐标校正方法

本届的坐标校正方法其实很简单。它基于这样的假设：陀螺仪的角度在3分钟内是准确的；码盘的距离信息是会丢失的，但不会发生非常大的误差。我们使用的陀螺仪是BEI公司生产GYROCHIP II型的陀螺仪QRS14，它标称的短时漂移参数为0.05°/s，也就是说，最坏情况下，3分钟它的漂移角度是 180*0.05°=9°。但实际上我们测试的结果是，静止状态下，3分钟内陀螺仪的角度值几乎不变；机器人转动10圈，角度的绝对偏差在1度以下。由此可见，该陀螺仪的准确性是非常高的，角度信息是完全可以相信的。而码盘则因为很多

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