一種比賽用搜救機(jī)器人的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種比賽用搜救機(jī)器人，它包括中央控制器、環(huán)境信息采集模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電源模塊、電機(jī)和機(jī)器人車體，中央處理模塊與環(huán)境信息采集模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊和電源模塊連接，電源模塊為中央控制器和電機(jī)驅(qū)動模塊供電，機(jī)器人車體用以搭載各個(gè)物理設(shè)備。它能在基于特定的比賽場地與比賽規(guī)則提供最優(yōu)化的硬件與軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)為現(xiàn)實(shí)中設(shè)計(jì)大型搜救機(jī)器人提供理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
【專利說明】一種比賽用搜救機(jī)器人
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種機(jī)器人，尤其涉及一種比賽用搜救機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)越來越成熟，拆彈機(jī)器人高效率高精準(zhǔn)的拆除炸彈，滅火機(jī)器人能夠獨(dú)立尋找火源并撲滅火源，搜救機(jī)器人能在復(fù)雜的環(huán)境下找到需要幫助的對象并施以援助，這些機(jī)器人為我們的工作提供了極大的方便。同時(shí)機(jī)器人技術(shù)涉及到多學(xué)科的知識，技術(shù)含量高，對未來高科技社會能做出很大影響，現(xiàn)在機(jī)器人技術(shù)被很多國家所重視。一種比賽用搜救機(jī)器人是基于特定的比賽場地與比賽規(guī)則設(shè)計(jì)的，比賽場地為一個(gè)正方形的區(qū)域，場地內(nèi)隨機(jī)擺放若干橡膠錐，用來模擬現(xiàn)實(shí)中的障礙物例如柱子、墻等，場地內(nèi)還設(shè)有禁區(qū)，禁區(qū)采用矩形黑膠帶貼貼在場地上，禁區(qū)用來模擬現(xiàn)實(shí)中的不可通過的區(qū)域例如地板上的洞、不安全的地方等，被搜救的對象采用一個(gè)閃爍的白熾燈，白熾燈用來模擬一個(gè)待救援的人間隔的發(fā)出求救信號。比賽中機(jī)器人不能離開正方區(qū)域，不得碰撞橡膠錐，不得整體通過禁區(qū)，最終需要在最短時(shí)間內(nèi)找到白熾燈。一種比賽用搜救機(jī)器人的設(shè)計(jì)為現(xiàn)實(shí)中設(shè)計(jì)大型搜救機(jī)器人奠定了理論基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實(shí)用新型的目的在于提供一種比賽用搜救機(jī)器人，使得在比賽中不觸犯規(guī)則的情況下用盡量短的時(shí)間找到閃爍的白熾燈并停在其面前，通過比賽的仿真實(shí)驗(yàn)為現(xiàn)實(shí)中設(shè)計(jì)高效率高精準(zhǔn)的搜救機(jī)器人奠定基礎(chǔ)。
[0004]本實(shí)用新型是這樣來實(shí)現(xiàn)的，一種比賽用搜救機(jī)器人，包括用于尋找白熾燈光源信號、獲取車體與障礙物之間的距離參數(shù)以及獲取車體底部灰度值的環(huán)境信息采集模塊；用于接收中央控制器輸出的數(shù)字控制量并驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行的電機(jī)驅(qū)動模塊；用于接收復(fù)眼傳感器、PSD距離傳感器和灰度傳感器獲取的環(huán)境模擬量參數(shù)并通過A/D轉(zhuǎn)換再經(jīng)特定的算法處理后輸出控制電機(jī)驅(qū)動模塊運(yùn)作的數(shù)字控制量同時(shí)為環(huán)境采集模塊供電的中央控制器；用于為中央控制器和電機(jī)驅(qū)動模塊供電的電源模塊；用于搭載各個(gè)物理設(shè)備的機(jī)器人車體；用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)；中央控制模塊與環(huán)境信息米集模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊和電源模塊連接。
[0005]所述環(huán)境信息采集模塊由復(fù)眼傳感器、PSD位置傳感器及灰度傳感器構(gòu)成，所述電源模塊由兩組LiPo電池構(gòu)成。
[0006]所述中央控制器采用的是未來伙伴機(jī)器人公司的AS-MFlO控制器，所述復(fù)眼傳感器采用的是MFlO紅外傳感器，所述PSD位置傳感器采用夏普公司的GP2Y0A21YK0F型號，所述灰度傳感器采用Arduino平臺的DFR0022型號，所述兩組LiPo電池分別采用7.4V和14.8V輸出的電池組。
[0007]所述AS-MFlO控制器的核心器件是基于ARMCortex_M3內(nèi)核的STM32F103VE微處理器，同時(shí)集成了 EEPROM、SRAMU2位A/D轉(zhuǎn)換器、相關(guān)通信接口等資源，所述MFlO紅外傳感器是由14個(gè)紅外接收管所構(gòu)成，每2個(gè)并聯(lián)且指向同一個(gè)方向，一共有7個(gè)方向。
[0008]所述機(jī)器人車體在前后兩個(gè)方向各安裝了一個(gè)復(fù)眼傳感器，使其覆蓋360度范圍，并在每個(gè)復(fù)眼傳感器的上方安裝一個(gè)上面為黑色下面為白色的紙片，整體架于車體的
第三層上。
[0009]所述機(jī)器人車體在前方安裝五個(gè)PSD傳感器，方向分別為正前方、前偏左、前偏右、前正左和前正右，在機(jī)器人車體的后方安裝兩個(gè)PSD傳感器，方向分別為后正左和后正右，置于在車體的第二層。
[0010]所述機(jī)器人車體的第二層固定中央控制器和電機(jī)驅(qū)動模塊。
[0011]所述機(jī)器人車體安裝有三個(gè)灰度傳感器，位置分別為前方最左、前方最右和后方中間，固定于車體的最底層。
[0012]所述7.4V電池組固定于機(jī)器人車體的第三層，所述14.8V電池組固定于機(jī)器人車體的最底層。
[0013]所述STM32F103VE微處理器載入速比校正算法、禁區(qū)算法、避障算法、趨光擺正算法與近燈算法。
[0014]速比校正算法方案:
[0015]電機(jī)驅(qū)動模塊輸出兩路信號到4個(gè)主動輪(一側(cè)2個(gè)主動輪采用同一路信號)，由于電機(jī)的機(jī)械特性及其他因素會導(dǎo)致當(dāng)直行時(shí)左右主動輪之間的速度產(chǎn)生差值從而直行時(shí)線路會有所偏差，為了調(diào)整速比消除偏差，必須將左右側(cè)電機(jī)進(jìn)行速度修正，使其在直行時(shí)行走直線。
[0016]禁區(qū)算法方案:
[0017]將賽場上的禁區(qū)分為無障礙物的禁區(qū)和有障礙物的禁區(qū)，并且根據(jù)搜救機(jī)器人退出禁區(qū)時(shí)白熾燈是否點(diǎn)亮(以下簡稱有光無光)的兩種情況進(jìn)行說明。
[0018]1.搜救機(jī)器人前行時(shí)遇到了周圍沒有障礙物的禁區(qū)時(shí)，若機(jī)器人正對禁區(qū)時(shí)，該機(jī)器人將會后退出禁區(qū)隨后向右轉(zhuǎn)向，若機(jī)器人斜左側(cè)進(jìn)入禁區(qū)時(shí)，該機(jī)器人將會后退出禁區(qū)隨后向左轉(zhuǎn)向，若機(jī)器人斜右側(cè)進(jìn)入禁區(qū)時(shí)，該機(jī)器人將會后退出禁區(qū)隨后向右轉(zhuǎn)向。
[0019]2.搜救機(jī)器人前行時(shí)遇到了周圍有障礙物的禁區(qū)時(shí)，分障礙物在禁區(qū)左邊和右邊說明。禁區(qū)的左邊有障礙物時(shí)，無論機(jī)器人正對、斜左側(cè)還是斜右側(cè)進(jìn)入禁區(qū)，該機(jī)器人將會一直后退到可以左轉(zhuǎn)的位置，若此時(shí)有光則向有光的方向轉(zhuǎn)向并前行，若無光則向右轉(zhuǎn)向并前行，等待下一次有光的時(shí)刻再判斷，若禁區(qū)的右邊有障礙物時(shí)，機(jī)器人后退到可以右轉(zhuǎn)的位置，若此時(shí)有光則向有光的方向轉(zhuǎn)向并前行，若無光則向右轉(zhuǎn)向并前行，等待下一次有光的時(shí)刻再判斷，若禁區(qū)的左邊和右邊均有障礙時(shí)，機(jī)器人將會后退到可以左右轉(zhuǎn)的位置，若此時(shí)有光則向有光的方向轉(zhuǎn)向并前行，若無光則向右轉(zhuǎn)向并前行，等待下一次有光的時(shí)刻再判斷。
[0020]避障算法方案:
[0021]搜救機(jī)器人前行時(shí)可能會遇到單獨(dú)的障礙物，在避障的時(shí)候我們將各種障礙物可能的擺放位置和遇到障礙物時(shí)是否有光的情況分別作以下幾點(diǎn)說明。
[0022]1.機(jī)器人的右前方有障礙物時(shí)，無論是否有光，該機(jī)器人都會左轉(zhuǎn)繞開障礙物；若左前方有障礙時(shí)，無論是否有光，該機(jī)器人都會右轉(zhuǎn)繞開障礙物。
[0023]2.機(jī)器人的左前方和右前方均有障礙物時(shí)，無論是否有光，該機(jī)器人都會右轉(zhuǎn)避開兩個(gè)障礙物。
[0024]3.機(jī)器人的左前方和正前方均有障礙物時(shí)，若無光，該機(jī)器人會右轉(zhuǎn)繞開障礙物，若有光，貝1J向有光的方向轉(zhuǎn)向；右前方和正前方均有障礙物時(shí)，若無光，該機(jī)器人會左轉(zhuǎn)繞過障礙物，若有光，貝1J向有光的方向轉(zhuǎn)向。
[0025]4.機(jī)器人的正前方有障礙物時(shí)。若無光，該機(jī)器人將會右轉(zhuǎn)，有光時(shí)，則向有光的地方轉(zhuǎn)向。
[0026]5.機(jī)器人的正前方、左前方和右前方均有障礙物時(shí),無光時(shí)該機(jī)器人將會后退一段距離再右轉(zhuǎn)，有光時(shí)該機(jī)器人將會后退一段距離再向有光的方向轉(zhuǎn)向。
[0027]趨光擺正算法方案:
[0028]搜救機(jī)器人在沒有遇到任何障礙物和禁區(qū)的情況下，將執(zhí)行趨光擺正算法。調(diào)用趨光函數(shù)，首先識別復(fù)眼傳感器紅外接收管中接收光值最大的那一對，再進(jìn)行擺正使復(fù)眼傳感器最中間的一對紅外接收管的接收光值最大即可使該機(jī)器人的行進(jìn)路線總趨向于光源。
[0029]近燈算法方案:
[0030]在機(jī)器人接近光源的時(shí)，調(diào)用停車函數(shù)在離燈約2cm處使機(jī)器人停止前行并發(fā)出
蜂鳴聲。
[0031]本實(shí)用新型的技術(shù)效果是:通過模仿本比賽用搜救機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，可以在現(xiàn)實(shí)中設(shè)計(jì)出大型實(shí)用的搜救機(jī)器人，根據(jù)需求添加相關(guān)的輔助模塊，使得在遇到特定突發(fā)事件時(shí)能較精準(zhǔn)迅速的找到求救人員，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)本設(shè)計(jì)在各類大型比賽中均取得良好成績。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為本實(shí)用新型的示意圖
[0033]圖2為本實(shí)用新型的模擬賽場布置圖。
[0034]圖3為本實(shí)用新型的PSD距離傳感器放置分布圖。
[0035]圖4為本實(shí)用新型的灰度傳感器放置分布圖。
[0036]圖5為本實(shí)用新型的俯視圖。
[0037]圖6為本實(shí)用新型的左視圖。
[0038]圖7為本實(shí)用新型的前視圖。
[0039]圖8為本實(shí)用新型的立體圖。
[0040]圖9為本實(shí)用新型的算法流程圖。
[0041]在圖中1、中央控制器；2、電源模塊；3、電機(jī)；4、電機(jī)驅(qū)動模塊；5、環(huán)境信息采集模塊；6、復(fù)眼傳感器；7、PSD位置傳感器；8、灰度傳感器；9、機(jī)器人車體；R、機(jī)器人；B、光源；EM、紅外接收管接收的最大一組光值數(shù)據(jù)；fl、無燈時(shí)的環(huán)境光值數(shù)據(jù)；f2、有燈且離燈較近的光值數(shù)據(jù)；f3、有燈且接近燈的光值數(shù)據(jù)。
【具體實(shí)施方式】
[0042]如圖1、圖5、圖6、圖7和圖8所示，本實(shí)用新型包括中央控制器1、環(huán)境信息采集模塊5、電機(jī)驅(qū)動模塊4、電源模塊2、電機(jī)3和機(jī)器人車體9，其特征是機(jī)器人車體9上安裝中央控制器1、環(huán)境信息采集模塊5、電機(jī)驅(qū)動模塊4、電源模塊2和電機(jī)3，所述中央控制器I與環(huán)境信息采集模塊5和電機(jī)驅(qū)動模塊4連接，所述環(huán)境信息采集模塊5由復(fù)眼傳感器6、PSD位置傳感器7及灰度傳感器8構(gòu)成，電源模塊2連接中央控制器I和電機(jī)驅(qū)動模塊4，電機(jī)驅(qū)動模塊4連接電機(jī)3，所述電源模塊2由兩組LiPo電池構(gòu)成。
[0043]所述中央控制器I采用的是未來伙伴機(jī)器人公司的AS-MFlO控制器，所述復(fù)眼傳感器6采用的是MFlO紅外傳感器，所述PSD位置傳感器7采用夏普公司的GP2Y0A21YK0F型號，所述灰度傳感器8采用Arduino平臺的DFR0022型號,所述兩組LiPo電池分別采用
7.4V和14.8V輸出的電池組。所述AS-MFlO控制器的核心器件是基于ARMCortex_M3內(nèi)核的STM32F103VE微處理器，同時(shí)集成了 EEPROM、SRAMU2位A/D轉(zhuǎn)換器、相關(guān)通信接口等資源，所述MFlO紅外傳感器是由14個(gè)紅外接收管所構(gòu)成，每2個(gè)并聯(lián)且指向同一個(gè)方向，一共有7個(gè)方向。如圖5所示，所述機(jī)器人車體9在前后兩個(gè)方向各安裝了一個(gè)復(fù)眼傳感器6，使其覆蓋360度范圍，并在每個(gè)復(fù)眼傳感器6的上方安裝一個(gè)上面為黑色下面為白色的紙片，整體架于車體的第三層上。如圖3和圖5所示，所述機(jī)器人車體9在前方安裝五個(gè)PSD傳感器7，方向分別為正前方、前偏左、前偏右、前正左和前正右，在機(jī)器人車體9的后方放置兩個(gè)PSD傳感器7，方向分別為后正左和后正右，置于在車體的第二層。所述機(jī)器人車體9的第二層放置中央控制器I和電機(jī)驅(qū)動模塊4。圖4和圖7所示，所述機(jī)器人車體9安裝有三個(gè)灰度傳感器8，位置分別為前方最左、前方最右和后方中間，置于車體的最底層。所述7.4V電池組放置于機(jī)器人車體9的第三層，所述14.8V電池組放置于機(jī)器人車體9的最底層。所述STM32F103VE微處理器載入速比校正算法、禁區(qū)算法、避障算法、趨光擺正算法與近燈算法。
[0044]本實(shí)用新型的原理如下:
[0045]如圖2和圖9所示，機(jī)器人在沒有遇到障礙物和禁區(qū)時(shí)，兩個(gè)復(fù)眼傳感器6 —共14對紅外接收管實(shí)時(shí)獲取白熾燈發(fā)出的光值參數(shù)，將光值模擬量數(shù)據(jù)傳回至中央控制器1，中央控制器I確認(rèn)獲取光值數(shù)據(jù)最大的一對紅外接收管隨后調(diào)用趨光擺正算法使得獲取光值最大的一對紅外接收管正對光源，并不斷修正數(shù)據(jù)，使得機(jī)器人總是朝著白熾燈發(fā)光的方向行走。PSD位置傳感器7實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人車體9與周圍障礙物之間的距離參數(shù)，并將距離模擬量參數(shù)傳回至中央控制器1，中央控制器I通過7個(gè)PSD位置傳感器7傳回的參數(shù)判斷機(jī)器人不改變現(xiàn)有姿態(tài)的情況下是否會撞上障礙物，若判斷為真則調(diào)用避障算法使得機(jī)器人通過后退或轉(zhuǎn)向動作避免撞上障礙物?；叶葌鞲衅?實(shí)時(shí)獲取地面灰度數(shù)據(jù)，并將灰度模擬量參數(shù)傳回至中央控制器1，中央控制器I通過灰度值判斷機(jī)器人是否即將進(jìn)入禁區(qū)，同時(shí)通過PSD位置傳感器7參數(shù)判斷禁區(qū)周圍是否有障礙物，并通過判斷結(jié)果決定是否調(diào)用禁區(qū)算法，通過禁區(qū)算法使得機(jī)器人通過后退或轉(zhuǎn)向動作避免進(jìn)入禁區(qū)同時(shí)也不會撞上障礙物。
[0046]中央控制器I通過以上判斷后最終輸出數(shù)字量控制電機(jī)驅(qū)動模塊4，電機(jī)驅(qū)動模塊4再輸出能改變電機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)的電壓信號使機(jī)器人按照設(shè)定的方式動作。
[0047]電源模塊2為兩組LiPo電池組，為中央控制器I供電的電壓較小，則采用7.4V電壓供電，同時(shí)中央控制器I還可以為環(huán)境信息采集模塊5內(nèi)的各類傳感器裝置供電。由于電機(jī)驅(qū)動模塊4的供電電壓較大，則采用14.8V電壓供電，保證了電機(jī)驅(qū)動模塊4的正常作用。[0048]為保障復(fù)眼傳感器6能無死角的獲取白熾燈發(fā)出的光值參數(shù)，則設(shè)置兩個(gè)復(fù)眼傳感器6架在最高層保證了清晰的視野。為保障機(jī)器人能全方位控制車體與障礙物之間的距離，則通過前方安裝五個(gè)、后方安裝兩個(gè)PSD位置傳感器7并放置在車體的第二層，該放置方法能在前方視野中提供無死區(qū)視角，在機(jī)器人倒行中避免碰撞橡膠錐，同時(shí)使傳感器的數(shù)量最小化。為保障機(jī)器人能在前行和后退中避免進(jìn)入禁區(qū)，則在前方安裝兩個(gè)后方安裝一個(gè)灰度傳感器8，該放置方法能使在遇到單獨(dú)禁區(qū)和有障禁區(qū)任意擺放情況下保證本搜救機(jī)器人不會進(jìn)入禁區(qū)。
[0049]根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)與理論力學(xué)相關(guān)原理，將大電壓輸出電池組固定在機(jī)器人車體9的最底層，小電壓輸出電池組固定在機(jī)器人車體9的第三層，中央控制器I和電機(jī)驅(qū)動模塊4固定在機(jī)器人車體9的第二層，保證了機(jī)器人車體9的力學(xué)結(jié)構(gòu)平穩(wěn)。
[0050]本實(shí)用新型通過以上的操作，實(shí)現(xiàn)了不觸犯比賽規(guī)則并使用盡量少的時(shí)間完成比賽。
[0051]上面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，但是本實(shí)用新型并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本實(shí)用新型宗旨的前提下作出各種變化。
【權(quán)利要求】
1.一種比賽用搜救機(jī)器人,包括中央控制器、環(huán)境信息米集模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電源模塊、電機(jī)和機(jī)器人車體，機(jī)器人車體上安裝中央控制器、環(huán)境信息采集模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電源模塊和電機(jī)，其特征是所述中央控制器與環(huán)境信息采集模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊連接，所述環(huán)境信息采集模塊由復(fù)眼傳感器、PSD位置傳感器及灰度傳感器構(gòu)成，電源模塊連接中央控制器和電機(jī)驅(qū)動模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊連接電機(jī)，所述電源模塊由兩組LiPo電池構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種比賽用搜救機(jī)器人，其特征是所述中央控制器采用的是未來伙伴機(jī)器人公司的AS-MFlO控制器，所述復(fù)眼傳感器采用的是MFlO紅外傳感器，所述PSD位置傳感器采用夏普公司的GP2Y0A2IYKOF型號，所述灰度傳感器采用Arduino平臺的DFR0022型號，所述兩組LiPo電池分別采用7.4V和14.8V輸出的電池組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種比賽用搜救機(jī)器人，其特征是所述機(jī)器人車體在前后兩個(gè)方向各安裝了一個(gè)復(fù)眼傳感器，使其覆蓋360度范圍，并在每個(gè)復(fù)眼傳感器的上方安裝一個(gè)上面為黑色下面為白色的紙片，整體架于車體的第三層上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種比賽用搜救機(jī)器人，其特征是所述機(jī)器人車體在前方安裝五個(gè)PSD傳感器，方向分別為正前方、前偏左、前偏右、前正左和前正右，在機(jī)器人車體的后方安裝兩個(gè)PSD傳感器，方向分別為后正左和后正右，置于在車體的第二層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種比賽用搜救機(jī)器人，其特征是所述機(jī)器人車體安裝有三個(gè)灰度傳感器，位置分別為前方最左、前方最右和后方中間，固定于車體的最底層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種比賽用搜救機(jī)器人，其特征是所述機(jī)器人車體的第二層放置中央控制器和電機(jī)驅(qū)動模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種比賽用搜救機(jī)器人，其特征是所述AS-MFlO控制器的核心器件是基于ARMCortex-M3內(nèi)核的STM32F103VE微處理器，同時(shí)集成了 EEPROM、SRAMU2位A/D轉(zhuǎn)換器、相關(guān)通信接口等資源，所述MFlO紅外傳感器是由14個(gè)紅外接收管所構(gòu)成，每2個(gè)并聯(lián)且指向同一個(gè)方向，一共有7個(gè)方向。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種比賽用搜救機(jī)器人，其特征是所述7.4V電池組固定于機(jī)器人車體的第三層，所述14.8V電池組固定于機(jī)器人車體的最底層。
【文檔編號】G05D1/02GK203825465SQ201420213730
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】帥晨, 余晶, 張超 申請人:南昌航空大學(xué)