郑增辉，刘 聪，刘 艳

（浙江大学城市学院，信息与电气工程学院，杭州 310015）

0 引言

为普及机器人科学技术，培育学生创新实践能力，促进机器人技术的发展，国内外相继出现了一系列的机器人竞赛活动。机器人竞赛是一种高技术对抗活动[1]，它涉及人工智能，智能控制、通信、传感器、博弈论等多个领域前沿研究和技术，集技术性、娱乐性和竞技性于一体，引起了社会的广泛关注和极大兴趣。

国际机器人赛事有始于1994年的国际机器人灭火比赛；始于1998年的国际机器人奥林匹克竞赛、FLL机器人世锦赛等。国内机器人竞赛有始于1997年的中国RoboCup比赛，始于2000年的广茂达杯中国智能机器人大赛；始于2004年的“江苏大学生机器人大赛”；2016年开始的“浙江省大学生机器人竞赛”。

机器人竞赛催生了竞赛用机器人的研究与生产，国内外机器人企业很多，如国内未来伙伴设计[2]的ASMF2010足球机器人，采用Cortex系列芯片，主频可达72MHz，价格为1万人民币。上海英集斯自动化技术有限公司[3]生产的Buddy Robot机器人，以STM32系列单片机为控制器，价格有9千多人民币。美国生产的Sruveyor[4]公司生产的SRV-1履带式移动机器人。该机器人的价格2万多人民币。

国内许多高校也开展了竞赛用机器人的研究，电子科技大学万永伦[5]介绍了一种竞赛用全自动机器人，用于参加首届全国大学生机器人电视大赛“抢滩珠峰”比赛项目。兰州理工大学王少峰[6]介绍了用于“飞思卡尔”杯智能车竞赛的机器人。电子科技大学喻洪平[7]以ARM嵌入式处理器为核心，设计了参加亚太大学生机器人大赛国内选拔赛的机器人。合肥工业大学赵汝海[8]设计了基于凌阳16位单片机的机器人，参加CCTV机器人但是大赛“修建双子塔”的比赛项目。贺龙豹[9]设计了一种用于“中国机器人大赛”的搬运机器人，该竞赛用机器人选用STC12C5A60S2 单片机作为微控制器，采用直流减速电机作为运动机构，采取舵机带动机械手运动的方法来实现物料的夹取。

还有一些设计针对运输的，如光电传感的移动搬运机器人的设计与实现[9]。

机器人竞赛的目的是提高大学生多学科专业知识交叉、知行合一、创新创业创造和团队协作能力，已有的这些机器人都是针对某一赛事而设计的，具有局限性；生产厂家设计的机器人都是已经设计好的，对学生的动手能力起不到锻炼作用，不能达到机器人竞赛自主创新的主旨，而且价格也都偏高；已有的机器人侧重于搬运功能的实现，没有体现出比赛中对抗的实现；随着性能高价格低廉的器件的产生，针对以上问题，本文给出了适用于浙江省大学生机器人竞赛创新组运输对抗赛机器人的设计与实现硬件和软件方案。该设计能在成本较低的情况下能实现机器人运输对抗的功能。

1 系统硬件设计

运输对抗机器人的硬件系统由Arduino微控制器模块、电源及降压模块、巡线模块、L298N电机驱动模块、拨码开关等。根据比赛要求车体正投影不能超过出发区的30cm×30cm的方框。系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构框图

1.1 Arduino控制模块

处理器采用Arduino Mega2560 R3开发板。Arduino Mega是一块以ATmega2560为核心的微控制器开发板，本身具有54组数字I/O口input/output端（其中14组可做PWM输出），16组模拟比输入端，4组UART（hardware serial ports），使用16MHz crystal oscillator。Arduino Mega的供电系统有两种选择，USB直接供电或外部供电，电源供电将会自动切换。此开发板的极限电压范围为6V～12V，但倘若提供的电压小于6V，I/O口可能无法提供到5V电压，因此会不稳定；倘若提供的电压大于12V，稳压装置则会有可能发生过热保护更有可能损坏Arduino Mega。

1.2 电源及降压模块

采用15V锂电池进行供电。根据电机驱动、Arduino开发板、舵机、QTI传感器的供电需求，需要提供12V、7V和5V三个档位的电压，12V电压、7V电压和5V电压分别通过3个降压模块进行降压输出获得的。

1.3 L298N电机驱动模块

小车车体的驱动采用伺服电机完成。利用脉冲宽度调节波（Pulse Width Modulation，PWM）来控制输入信号的极性，实现电机正反转，同时可以控制输出电压的有效值大小，实现电机转动角度以及快慢的问题。

采用欧鹏科技专为机器人优化的L298专用芯片实现上述控制要求，该芯片设计稳定，并且能同时驱动两个电机，硬件实现也相对简单。把Arduino开发板的数字I/O口3和4分别连接L298N的IN1和IN2的引脚，可以控制一路电机（右电机）的正反转，当3口为高电平，右电机反转，当4口为高电平，右电机正转；数字I/O口5和6分别连接L298N的IN3、IN4的引脚，控制另一路电机（左电机）正反转，当5口为高电平，左电机正转，当6口为高电平，左电机反转；数字I/O口2和7分别连接电机的使能端ENA、ENB，控制电机的停转。L298N电机驱动芯片可以同时驱动两个电机，其内部集成了4通道逻辑驱动电路。L298N输出电流峰值可达2.5A。

1.4 传感器模块

1块传感器模块可连接4路传感器，每路有正极端、共地端、信号输出端和TTL指示LED。1路连接Arduino开发板上的数字I/O口8；2路连接数字I/O口9；3路连接数字I/O口10；4路连接数字I/O口11。再用1块传感器模块单独连接第5个传感器，并与Arduino开发板上的数字I/O口12相连。每路都有调节传感器灵敏度的电位器。

1.5 QTI巡线传感器

QTI巡线传感器是一种红外发射器/接收器，能够区分低红外反射的黑暗表面和高红外反射率的光亮表面。内嵌日光过滤器，防止日光干扰。采用5个QTI传感器，分别连接至传感器模块的GVS引脚，通过检测信号来不断调整小车的巡线运动。

1.6 其他模块

拨码开关模块采用直插式拨码开关，采用0/1的二进制编码原理。该模块主要用于控制对抗赛过程中对抗方案的选择。手抓模块用于放置双倍砖（出发时带在车体上），在比赛过程中，通过设计合适的路径将双倍砖放置到场地的圆盘上相应的区域。钩子模块用于获取圆盘中间一个方砖。释放模块用于将固定在车上的障碍纸片放置到场地中的某个位置以实现阻碍对方运输的模块。

2 软件设计

整个系统的软件设计包括：主程序、巡线程序以及各种对抗策略程序设计。主程序流程如图2所示。运输对抗机器人开机后，根据拨码开关状态决定要执行哪一套运输对抗的方案。

图2 主程序流程图

2.1 巡线程序设计

运输对抗机器人巡线程序流程如图3所示。

图3 一氧化碳浓度报警检测任务处理程序流程图

2.2 排名赛策略

排名赛单独路线，拿到三绿三黄加双倍共7个物块，运行时间21s，得分为23×2=46，比赛路线示意图如图4所示。

图4 排名赛策略示意图

2.3 对抗赛策略

设计两套基本路线，在基本路线一基础上设计了两套对抗策略，在基本路线二基础上设计了一套对抗策略；分别针对对方领先和子母机情况设计了两套对抗策略。

基本路线一为抢到圆盘绿块，三绿加一黄加双倍，路线如图5(a)所示；第一套策略以基本路线一为前提，出发沿路线拿到两黄，总计为三绿三黄（完胜），得分为23×2=46，路线如图5(b)所示；若在基本路线一上没有抢到圆盘绿色，采取第二套策略，出发并沿路线到对方HOME区，偷取里面的物块并运回本方HOME区，分数以实际情况为准，路线如图5(c)所示。

图5 基本路线一及以其为基础的对抗赛策略示意图

若考虑到对方车速度快，采取基本路线二，直接运行至对方HOME区前的十字路口，放置障碍纸片，当对方车移动到纸片上，扰乱其巡线。之后到圆盘左侧放置双倍块，若途经的物块和圆盘中间绿块还存在便得到其分数，运回HOME区，路线如图6(a)所示。以基本路线二为前提的第三套对抗策略如图6(b)所示，出发沿路线拿到一绿两黄。

若车遇到障碍或巡线错误，马上申请重启，考虑到对方拿到较多分数，而己方落后的情况下，这时候采取第四套策略，从出发区出发并沿路线到对方HOME区，偷取里面的物块并运回本方HOME区，分数以实际情况为准，路线如图7所示。

图7 第四套策略

若对方为子母机，采用第五套策略，以最快速度抢到圆盘绿块并直接回HOME区，然后去对方HOME区偷出物块并停在第一个十字路口，阻碍其子机的搬运，路线如图8所示。

图8 第五套方案示意图

3 设计结果

设计完成的运输对抗机器人实物如图9所示，机器人规格为：28×28，符合比赛规格要求。应用此机器人参加浙江省大学生机器人竞赛并获得了运输对抗赛的三等奖。

图9 运输对抗机器人实物示意图

4 结束语

针对“浙江省大学生机器人竞赛”的创新机器人中运输对抗机器人项目设计了一款满足比赛要求的机器人，提出了运输对抗机器人的总体设计，围绕运输对抗比赛要求，确定了以Arduino开发板为核心的运输对抗机器人的总体设计方案，给出了运输对抗机器人得到硬件设计方案及多种对抗策略。该机器人成本低、易于推广普及、可以与单片机课程教学相结合，有助于学生学习嵌入式系统设计与开发。

比赛过程中出现的问题分析如下：一是场地适应性。由于学校所采用的场地是喷绘地图，而真正比赛场地是用哑光漆刷涂的场地，这需要长时间的适应场地的调试；二是临场应对策略。要根据比赛中对手的运输对抗策略及时调整，这需要队员对机器人硬件和软件的设

【】【】计了如指掌；三是速度有待提高。换用更大的电机和硬度更高的车轮；四是针对比赛过程中机器人碰撞问题，可以考虑计避障模块以解决此问题。

[1]陈巍.基于机器人竞赛的大学生创新能力的培养模型[J].实验室研究与探索,2012,31(7)：309-312.

[2]未来伙伴[EB/OL].[2017-05-6]. http：//www.partnerx.cn/.

[3]上海英集斯自动化技术有限公司[EB/OL].[2017-05-6].https：//ingenious.cn.china.cn/.

[4]Surveyor.[EB/OL].[2017-05-6].http：//thinknext.net/.

[5]万永伦.一种竞赛机器人的研究与实现[D].电子科技大学,2003.

[6]王少峰.竞赛用智能汽车的研究与实现[D].兰州：兰州理工大学,2008.

[7]喻洪平.基于ARM的嵌入式系统在竞赛机器人中的应用研究[D].成都：电子科技大学,2007.

[8]赵汝海.基于16位单片机的比赛机器人控制技术的研究[D].合肥：合肥工业大学,2007.

[9]贺龙豹.竞赛用搬运机器人设计与实现[D].南京财经大学,2013.

[10]王斌,李忧,陶成健,王赫妍,高庆忠.基于ARM的遥控搬运机器人系统的研究与设计[J].沈阳工程学院学报(自然科学版),2016,12(2)：143-147.

[11]苏品刚,尚丽,胡志峰.基于单片机的智能分拣搬运机器人的设计与实现[J].苏州市职业大学学报,2016,27(3)：16-20.

[12]陶重犇,刘状宇,孙云飞.基于嵌入式系统的搬运机器人设计与路径规划研究[J].计算机测量与控制,2016,24(8)：215-217.