足球機器人系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陳鵬 邱曉榮 胡天睿

摘要：隨著人工智能和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，足球機器人已經(jīng)受到越來越多的科研人員和電子發(fā)燒友的廣泛關(guān)注。該文致力于基于Arduino開發(fā)平臺的足球機器人設(shè)計與實現(xiàn)，通過藍牙實現(xiàn)足球機器人的遠程遙控，通過光電傳感器實現(xiàn)進球數(shù)的統(tǒng)計。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)相關(guān)功能，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和實用性。

關(guān)鍵字：足球；機器人；Arduino；藍牙

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）23-0096-02

Abstract：With the development of artificial Intelligence and science and technology， soccer robot has been paid more and more attentions by plenty of researchers and electronic enthusiasts. This paper is devoted to the design and implementation of soccer robot based on Arduino development platform. The remote control of soccer robot is realized by bluetooth， and the number of goals is achieved through photoelectric sensor. The experimental results show that the system can achieve relevant functions better， and the system has better stability and practicability.

Key words：Soccer； Robot； Arduino； Bluetooth

1 前言

目前，足球機器人作為機器人學(xué)科與人工智能研究的載體和對抗平臺，已受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛普遍關(guān)注。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，以足球為載體的足球機器人已廣泛涉及傳感信息、精密儀器、自動控制、人工智能、計算機視覺等眾多學(xué)科的研究創(chuàng)新，相關(guān)研究成果能夠反映出一個國家的綜合國力和科技水平，并可廣泛應(yīng)用于軍事、工農(nóng)業(yè)、信息技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域。

2 開發(fā)平臺簡介

自2005年首臺Arduino出現(xiàn)以來，Arduino以其便捷靈活、方便上手的開源電子原型吸引了全世界眾多的電子發(fā)燒友。目前Arduino開發(fā)平臺由硬件開發(fā)板（各系列型號如表1所示）和軟件Arduino IDE兩部分組成。Arduino的特點主要有：

1） 跨平臺：Arduino集成開發(fā)環(huán)境可以部署在Windows、Linux和Macintosh OS X三大主流操作系統(tǒng)，而其他大多數(shù)單片機開發(fā)只限于Windows平臺；

2） 簡單易用：對于眾多電子發(fā)燒友來說，Arduino靈活簡單、極易上手，它不需要太多單片機基礎(chǔ)和程序設(shè)計基礎(chǔ)，能夠激發(fā)廣大初學(xué)者的興趣；

3） 自由開源：Arduino的硬件電路圖、原理圖、集成開發(fā)軟件以及核心庫等文件都是開源的，用戶可以在開源協(xié)議范圍內(nèi)任意修改相關(guān)設(shè)計和源碼。

因此，Arduino已是世界最流行的開源硬件開發(fā)平臺，更代表著主流硬件開發(fā)的潮流和趨勢。它簡單易學(xué)的開發(fā)方式能夠大幅降低學(xué)習(xí)的成本，使創(chuàng)客更關(guān)注創(chuàng)意與實現(xiàn)，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 任務(wù)簡介

本項目的主要任務(wù)是設(shè)計并實現(xiàn)一種足球機器人。該足球機器人基于Arduino開發(fā)平臺，基于藍牙技術(shù)進行主從設(shè)備間的相關(guān)通信，實現(xiàn)藍牙手柄對足球機器人的遠程控制。

足球機器人主體的部件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，原理圖如圖2所示，主要結(jié)合智能小車的相關(guān)功能，通過控制無刷電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)機器人的前進和轉(zhuǎn)向。并通過光電傳感器及顯示屏模塊實現(xiàn)進球計數(shù)。

研究的主要內(nèi)容包括：

1） 運用藍牙技術(shù)進行設(shè)備連接，實現(xiàn)手柄對機器人進行控制，此處在3.2中會做詳細介紹。

2） 編寫程序，控制電機轉(zhuǎn)速。機器人兩側(cè)電機控制轉(zhuǎn)向，下方電機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)鏟球操作。其中，機器人的運動主要基于差分驅(qū)動方式，通過設(shè)置左右兩個電機的運轉(zhuǎn)速度來控制足球機器人的運動方式。當(dāng)左右電機轉(zhuǎn)速一樣時，足球機器人走直線；當(dāng)左右電機轉(zhuǎn)速不一樣時，足球機器人轉(zhuǎn)彎。

3） 機器人轉(zhuǎn)向及前進后退結(jié)合鏟球?qū)崿F(xiàn)運球操作，進球時觸發(fā)球門處的光電傳感器，上方顯示屏進行計數(shù)。

3.2 重點難點

在項目設(shè)計與實現(xiàn)的過程中，重點和難點主要集中在利用藍牙手柄連接足球機器人，并通過手柄控制足球機器人做相關(guān)的運動和操作。這里可以選用兼容SONY PS2數(shù)傳協(xié)議的藍牙手柄及相關(guān)的接收器，然后基于第三方類庫PS2X_lib進行開發(fā)。

3.3 研究方法

1） 文獻研究法：分類閱讀相關(guān)技術(shù)文檔，發(fā)現(xiàn)問題，總結(jié)問題，找出項目創(chuàng)新的思路；

2） 實驗研究法：制定研究科學(xué)嚴謹?shù)膶嶒灧桨福òㄏ到y(tǒng)規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備選型、軟件實現(xiàn)、集成調(diào)試、系統(tǒng)部署等等），實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)；

3） 觀察研究法：結(jié)合實驗操作和文獻閱讀，了解各類傳感器設(shè)備的接口類型、主要功能和實施方法，進一步明確項目的設(shè)計與實現(xiàn)；

4） 經(jīng)驗總結(jié)法：通過項目的前期系統(tǒng)設(shè)計、中期軟硬件實現(xiàn)以及后期的集成調(diào)試、系統(tǒng)部署等工作，形成一套行之有效系統(tǒng)開發(fā)流程和創(chuàng)新實踐方法。

4 結(jié)束語

機器人技術(shù)是近年來新技術(shù)革命中迅速發(fā)展并逐漸成熟的一項高技術(shù)，并已在眾多的科研領(lǐng)域和工業(yè)部門中得到了廣泛的應(yīng)用，并顯示出了強大的生命力和發(fā)展前景。本文以足球競技這一場景為目標，設(shè)計并實現(xiàn)了一款基于Arduino開發(fā)平臺的足球機器人，其中的主要難點有藍牙控制、電機控制、光電傳感器感應(yīng)計數(shù)等相關(guān)內(nèi)容。實驗結(jié)果表明，本足球機器人系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)相關(guān)功能，具有較好的穩(wěn)定性和實用性。

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【通聯(lián)編輯：梁書】