Robocon概述

密级：NANCHANGUNIVERSITY设计报告Designreport（2014—2015年）题目竞赛机器人制作学院：信息工程学院系通信系专业班级：通信工程121班学生姓名：刘鑫学号：6100212028指导教师：刘国平职称：起讫日期：I目录第一章Robocon概述.................................................1第二章2015年全国大学生机器人大赛规则..............................1第三章机器人设计制作的主要过程....................................2第四章羽毛球机器人设计方案........................................34.1设计要求....................................................34.2机器人设计总体构想..........................................34.3设计方案.....................................................3第一章Robocan概述&第二章2015年全国大学生机器人大赛规则1第一章Robocon概述全国大学生机器人电视大赛（Robocon）是由中央电视台主办，科技部高新技术发展及产业司、国家“十五”863计划机器人主题、中国自动化学会机器人竞赛工作委员会协办的全国大学生科技活动，自2002年开始每年一届，为“亚广联亚太地区大学生机器人电视大赛”选拔中国大学生的优秀代表队，到目前为止已成功举办十届，每届一个主题。该项大赛的目的是培养和开发全国大学生的聪明才智与创新精神，展示当代大学生机器人制作能力与高新技术水平。2013年央视正式退出该项比赛，中国失去参与国际赛资格。2014年团中央成为该项赛事主办方。该项亦称“全国大学生机器人大赛”。参与该项赛事的学校均已有了较深厚的技术积累，每年不断有新兴血液加入，国内赛的技术水平也证明中国能够在国际赛上继续斩获冠军，国内各校均希望能够重新获得支持参与国际赛，以重振我国之威。第二章2015年全国大学生机器人大赛规则本次全国大学生机器人大赛的主题是“羽毛球双打”。每支参赛队由3名学生和1名指导教师作为参赛队员，另可配备若干协助队员。队员全部来自一所大学或学院，不允许研究生参赛。只允许三名参赛队员和最多三名协助队员。比赛中将会有6个羽毛球，比赛前在裁判示意后有一分钟的设置时间完成准备工作。比赛开始后，两个队轮流发球，裁判吹哨后机器人必须在五秒钟之内将球发出。任意一台都可以发球，发球的机器人必须有一部分与自己的右侧发球区（含边线）接触。发球时，羽毛球必须垂直落地，位置必须本队右侧发球区上方，球拍必须击打羽毛球底部，只能击打一次羽毛球且必须过网并落在对方发球区,发球必须在发球线之后。4.5.1在满足4.4.1～4.4.9所述的条件下，羽毛球落在对方的发球落球区（含边线）内或羽毛球与对方机器人（如果通过电缆操作，还包括电缆和操作手）接触，发球的队得分。如果发球队没有满足发球所述的条件，发球因失误而结束，对方得分。除发球外，如果球拍击打的羽毛球落在对方球场）内，或与对方的机器人（如果通过电缆操作，还包括电缆和操作手）接触，则击球队得分。如果用球拍击回的羽毛球没有落在对方球场内，对方得分。如果同一台机器人连续击球两次，则对方得分。如果同一参赛队的机器人A和机器人B连续击球，对方得分。确认前一得分后，如果发球方不能在裁判吹哨后15秒钟内发出下一球，对方得分。在这15秒钟内，允许参赛队员进入比赛场地和接触自己的机器人。如果参赛队有本规则所述的犯规动作，对方得分。先得五分获胜，当时4:4时先得两分的获胜，当6:6时，则再次发球得分或以最后一击得分第三章机器人设计制作主要过程2的参赛队获胜。每场比赛中，每支参赛队只能暂停一次。暂停的时间为30秒。正在发球或确认得分时，参赛队不能叫暂停。只有在参赛队向裁判说“暂停”并得到裁判批准时方可暂停。暂停期间，两队均可进入场地并接触自己的机器人。暂停结束后裁判吹哨，发球队应在5秒钟内发球。以下动作为犯规，对方将获得1分。发球后、定分前，参赛队员或机器人（含球拍）进入对方场地及其上方。参赛队员或机器人（含球拍）接触对方的机器人。机器人（含球拍）接触球网或支杆。以下行为将导致取消比赛资格，对方以5分的得分获胜。重复9.1.1的动作两次。球拍从机器人上脱离。损坏了比赛场地。参赛队或与参赛队有关的人实施无线电波干扰。有意改变羽毛球的形状。有悖公平竞争精神的行为。从这次的比赛来看，本次比赛是机器人羽毛球大赛，比赛双方各有两个机器人，机器人在规定的比赛规则下完成机器人羽毛球对打，完成规定分数的队伍获胜。本次机器人设计的难点：1.对于羽毛球落点的把握以及时间的控制2.对于移动速度的把握以及机器人移动过程中球拍控制3.能否把球击打出去且过网第三章机器人设计制作的主要过程1.任务分析;了解应用的场合和需要完成的任务；根据应用场合和任务进行结构和策略规划（外形，结构，传感方式，能源系统，完成任务的方法等)2.结构设计:设计行走机构（腿），操作机构（手），框架和外形（容貌），轮廓尺寸（个头大小），电池传感器主板等部分（心脏脑袋眼睛耳朵）的安装位置及造型；考虑问题：完成任务？电池够用？传感器单片机接口够用？外形和动作协调简单？结构件和连接件是型材和标准件？重量和尺寸超标？3.机械动作设计：行走方式和路线规划；结构承受能力；执行机构动作编排4.电路设计：单片机选择；电路的设计5.硬件制作和组装：结构画图和制作；电路画图和电子元件焊接；主装结构件和电路板；安装传感器6.程序编写7.调试修改8.机器人能力评价：智能（感觉知觉：记忆运算比较鉴别判断决策学习逻辑推理等）；机能（变通性通用性或空间占有性等）；物理能（指力速度连续运行能力可靠性连用性和寿命）第三章机器人设计制作主要过程3第四章羽毛球机器人设计方案4.1设计要求设计一具有发球、击球、移动等功能的羽毛球机器人4.2机器人设计总体构想通过比赛规则的要求，机器人的设计主要解决的问题有三点：1.机器人能否在规定的时间内把球按规定的要求发出去；2.机器人能否准确判断羽毛球的落点并且准确的移动到落点的地点；3.机器人能否将球击打出去。机器人必须在短时间内做出判断。因为场地是没有障碍物为了使机器人可以灵活快速的移动，机器人下部将会采取履带式的移动。其次，机器人的手臂有两只，一只用来固定球，一只用来握拍。打羽毛球时一个很重要的因素就是落点，如何才能让机器人准确的判断击打过来羽毛球的落点是比赛的关键点所在。在羽毛球比赛过程中，我们要先判断来球的路线，然后在判断来球的落点通过人为的控制来移动机器人到达指定位置进行有效击球。通过摄像头对羽毛球的运行线路进行分析，运用无线蓝牙传输技术将计算出来的击球力度传送到机器人的“大脑”。4.3设计方案51单片机51单片机是机器人的核心，51单片机把红外遥控的接收器、继电器、步进电机等器件连接起来，通过对红外遥控的编码使得远程控制得以实施。遥控部分一般采用HT6221芯片，然后编解码程序，每一个按键都有一个唯一的解码，用AVR单片机完成解码的工作后，就可以用遥控器自由的控制单片机的IO了。通过C语言可以对单片机进行编程控制，来控制步进马达的正反转，进一步控制机器人的前进与后退，控制机械手的各种动作。51单片机对于步进马达的控制,由于单片机所能提供的电源电压有限，所以必须提供外部电源。我们可以利用步进电机驱动器来弥补这个缺陷，从而对步进电机进行控制。步进电机驱动器的输入信号共有三路，他们是：步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE。单片机通过P1口引脚P1.0，P1.1，P1.2发出步进脉冲信号、方向电平信号、脱机信号等控制信号。在向驱动器发出步进脉冲时，直需按工作频率将P1.0引脚电平置高和置低即可，这样单片机就可以控制步进电机工作。P1.2引脚为高电平时，步进电机顺时针旋转；P1.2为低电平时步进电机逆时针旋转。P1.3引脚为高电平时步进电机为锁紧状态，只有发发送步进脉冲步进电机才可以转动；P1.3引脚为低电平时步进电机为脱机状态，这时步进电机可以自由转动。51单片机的NOP指令周期为1us。在发送脉冲时第三章机器人设计制作主要过程4只需要加入若干个NOP语句就可以达到对脉冲的频率和占空比进行调整的目的。对步进电机转速的控制实际上是控制系统发出时钟脉冲的频率或换向的周期，即：在升速过程中，使脉冲的输出频率逐渐增加；在减速过程中，使脉冲的输出频率逐渐减少。脉冲信号的频率可以通过硬件中断来确定。可编程的硬件定时器直接对系统时钟脉冲或某一固定频率的时钟脉冲进行计数，计数值则有编程确定。当计数到预定的脉冲数时，产生中断信号，得到所需的延时时间或定时间隔。由于计数的初始值由编程决定，因而在不改动硬件的情况下，只通过程序的变化即可满足不同的定时和计数要求，因此使用很方便。对于步进电机的正向、反向控制，我们可以这实施：步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内再换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个cP脉冲前发出。对于cP脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度(一般不小于5p,a)、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含，降速—换向一升速三个过程。对于四相单四拍这种工作方式而言，正向运动只需利用指针把状态表中的内容按照地址OOH～03H的顺序依次反复送出I／O口，步进电机的各相通电顺序为A—B—C—D一，反复循环就实现步进电机的正向运动。反向运动时，送出状态表中状态字的顺序与正向运动相反，即步进电机的各相通电顺序为D—C—B—A一，实现步进电机的反向运动。将正向运行程序模块、反向运行程序模块作为中断服务程序，需要实现怎样的运动，主程序便调用相应的服务程序，从而实现正、反向运动的控制。步进电机选择步进电机作为执行元件，我们可以通过步进电机将电脉冲信号转变为角位移或线位移。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就会驱动步进电机按设定方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的,对于比赛中的穿越障碍物最终登上梯形台可以迎刃而解了。采用51单片机对四相六线制步进电机（内阻33欧，步进1.8度，额定电压12V）进行控制。通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。通过ULN2003构成步进电机的驱动电路，AVR的25-28口接第三章机器人设计制作主要过程5ULN2003的1-4输入端。另外，用红外遥控对电机的状态进行控制，红外遥控的接收器与51单片机相连接。红外遥控系统通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成，应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作，如图1所示。发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。在遥控电路中，主要控制器件为遥控芯片HT6221。它将红外码调制成38kHz的脉冲信号通过红外发射二极管发出红外编码。当有按键按下时按键指示灯点亮。HT6221的编码规则是：当一个键按下超过36ms，振荡器使芯片激活，如果这个键按下且延迟大约108ms，这个108ms发射代码有一个起始码（9ms）、一个结果码（4.5ms)、低8位地址码（9~18ms）、高8位地址码（9~18ms）、8位数据码（9~18