基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人競(jìng)賽裁判系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 旭，王洪陽(yáng)

（1.北京科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心，北京 100083；2.北京深藍(lán)智能機(jī)器人研究院，北京 100083）

0 引言

近年來(lái)，各類(lèi)機(jī)器人競(jìng)賽層出不窮。機(jī)器人的比賽形式大致分為兩種：任務(wù)型和競(jìng)技型。其中競(jìng)技型賽事因其高綜合性的機(jī)器人技術(shù)、豐富的機(jī)器人類(lèi)型、激烈的對(duì)抗形式、多變的比賽場(chǎng)景吸引了越來(lái)越多的高校參與其中，參賽學(xué)生需要在技術(shù)實(shí)現(xiàn)、策略配合和團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方面進(jìn)行綜合競(jìng)技。

為增加競(jìng)技賽的趣味性，競(jìng)技賽規(guī)則的得分形式多采用電子競(jìng)技游戲中“攻擊減血”模式，比賽中通過(guò)有效擊打?qū)Ψ綑C(jī)器人實(shí)現(xiàn)減血功能。場(chǎng)上比賽機(jī)器人數(shù)量多，得分點(diǎn)分散，需要一個(gè)自動(dòng)裁判系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)感知場(chǎng)上所有機(jī)器人的狀態(tài)、位置信息，并同時(shí)記錄、統(tǒng)計(jì)、顯示雙方機(jī)器人的得分情況，以減少人工裁判的誤判、漏判現(xiàn)象，更好地實(shí)現(xiàn)比賽的公平性與觀賞性。

1 功能分析

裁判系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求基于全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽ROBOTAC比賽。比賽規(guī)則要求參賽雙方的輪式機(jī)器人、高地上的堡壘安裝有擊打感知模塊，具有“被攻擊減血”“擊毀斷電”功能；所有機(jī)器人裝有全場(chǎng)定位模塊，用于機(jī)器人之間、機(jī)器人與場(chǎng)地道具之間的位置檢測(cè)；同時(shí)要求機(jī)器人和場(chǎng)地道具的所處狀態(tài)、比賽時(shí)間、得分情況能夠?qū)崟r(shí)顯示在比賽現(xiàn)場(chǎng)的大屏幕和直播畫(huà)面上?；谝陨弦?，所設(shè)計(jì)的競(jìng)賽裁判系統(tǒng)分為：擊打感知、全場(chǎng)定位、數(shù)據(jù)傳輸和裁判系統(tǒng)上位機(jī)等模塊。

擊打感知模塊：安裝在輪式機(jī)器人及堡壘上，用以有效檢測(cè)機(jī)器人或堡壘受到的擊打，擊打感知范圍在5～16g（g=9.8 m/s2）；

全場(chǎng)定位模塊：安裝在機(jī)器人上，能夠?qū)崿F(xiàn)比賽場(chǎng)地上150 m2范圍內(nèi)平面坐標(biāo)的定位，通過(guò)檢測(cè)機(jī)器人之間或機(jī)器人與場(chǎng)地道具間的相對(duì)距離，根據(jù)規(guī)則賦予機(jī)器人具有特殊功能，定位精度要求在15 cm以?xún)?nèi)；

數(shù)據(jù)傳輸模塊：將場(chǎng)上機(jī)器人和堡壘的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，以無(wú)線(xiàn)方式傳輸給裁判系統(tǒng)，要求通訊穩(wěn)定、采樣周期小于10 ms，延遲時(shí)間小于200 ms；

裁判系統(tǒng)上位機(jī)：收集場(chǎng)上各單元狀態(tài)信息，客戶(hù)端實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)計(jì)時(shí)、自動(dòng)判定比賽勝負(fù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 擊打感知

測(cè)量擊打力，一般選用壓力傳感器或加速度傳感器兩種方案，通過(guò)預(yù)先設(shè)置閾值，提取有效擊打力產(chǎn)生的電信號(hào)，判斷是否受到有效打擊。由于ROBOTAC比賽中機(jī)器人的對(duì)抗是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接物理接觸，需要檢測(cè)機(jī)器人整體受到的擊打力，因此選用加速度傳感器方案來(lái)檢測(cè)擊打力。

2017年，我國(guó)甘薯總產(chǎn)量7 057.1萬(wàn)t,按照55%的加工比例和20%的產(chǎn)品原料比,當(dāng)年我國(guó)甘薯加工品產(chǎn)量約為780萬(wàn)t．戴起偉等[5]估算結(jié)果顯示,當(dāng)前我國(guó)國(guó)內(nèi)甘薯加工產(chǎn)品消費(fèi)量約在500萬(wàn)t以上,因此，粗略估算,我國(guó)甘薯加工品的年出口水平應(yīng)在200～280萬(wàn)t之間．

3 軸ADXL345 數(shù)字加速計(jì)，具有尺寸?。? mm×5 mm×1 mm，LGA封裝）、分辨率高（最高13 bit）、量程可變、靈敏度高（最高3.9 mg/LSB）且內(nèi)部有多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)和靈活的中斷方式等特性，支持標(biāo)準(zhǔn)的I2C或SPI 數(shù)字接口，自帶32 級(jí)FIFO 存儲(chǔ)。選用STM32F103C8T6 嵌入式微控制器作為主控芯片進(jìn)行信號(hào)的采集和處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷是否滿(mǎn)足被有效擊打條件。

設(shè)計(jì)電路原理如圖1 所示。

圖1 ADXL345數(shù)字加速度計(jì)和微控制器電路原理圖

機(jī)器人受到有效擊打后的所處狀態(tài)，通過(guò)可編程控制的LED燈組顯示，在受到3 次有效擊打后通過(guò)控制大功率MOS 管控制機(jī)器人的電源通斷。由于采用3.3 V低電壓信號(hào)控制12 V電源信號(hào)，所以控制信號(hào)使用光耦器件隔離，并在LED驅(qū)動(dòng)端用三極管做開(kāi)關(guān)來(lái)控制LED驅(qū)動(dòng)電流的通斷電。LED 燈和電源控制電路原理圖如圖2 所示。

圖2 LED燈和MOS管控制電路原理圖

2.2 全場(chǎng)定位

室內(nèi)定位技術(shù)涉及陀螺儀+碼盤(pán)、激光雷達(dá)、視覺(jué)、到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival，TDOA）等。結(jié)合本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需求，采用基于TDOA 原理的超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)方案。UWB技術(shù)具有系統(tǒng)復(fù)雜度低，對(duì)信道衰落不敏感，定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于室內(nèi)場(chǎng)景的高速無(wú)線(xiàn)接入。

通過(guò)3 個(gè)基站可檢查到兩組TDOA，即可確定被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。由于比賽場(chǎng)地是室內(nèi)正方形區(qū)域，并且高度變化可以忽略不計(jì)，采用二維定位的方式在場(chǎng)地的4 個(gè)角落放置各放置一個(gè)基站，即可測(cè)得場(chǎng)地內(nèi)機(jī)器人精確的位置信息?；赥DOA的定位原理如圖3所示。

本方案UWB定位模塊基于DWM1000 芯片開(kāi)發(fā)，DW1000 芯片集成了天線(xiàn)，尺寸小巧，定位精度為10 cm，數(shù)據(jù)傳輸速率6.8 Mb/s，通信距離300 m，在20 m半徑內(nèi)，標(biāo)簽的密度可以有1.1 ×104個(gè)。

圖3 基于TDOA的定位原理示意圖

數(shù)據(jù)處理與交換選用STM32F103C8T6 微控制器，距離測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)串口和擊打感應(yīng)裝置進(jìn)行通信。定位模塊電路原理如圖4 所示。

圖4 基于DWM1000的全場(chǎng)定位模塊電路原理圖

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸采用無(wú)線(xiàn)通信方式，常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)通信方式有WiFi，藍(lán)牙和Zigbee。表1 為3種無(wú)線(xiàn)方式的特性對(duì)比。

表1 無(wú)線(xiàn)通信方式特性對(duì)比表

設(shè)計(jì)采用了超小尺寸的USR-C215 超低功耗串口轉(zhuǎn)WiFi模塊，該WiFi 模塊硬件上集成了MAC、基頻芯片、射頻收發(fā)單元以及功率放大器；支持WiFi協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)UART設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)功能。數(shù)據(jù)傳輸模塊電路原理如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸模塊電路原理圖

由于比賽中每次的傳輸數(shù)據(jù)量較小，要求低延時(shí)，因此采用用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。UDP 發(fā)送數(shù)據(jù)前不需要建立連接，提供最大努力的交付，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)中的擁塞不會(huì)影響主機(jī)的發(fā)送速率。本設(shè)計(jì)UDP 數(shù)據(jù)格式包含了幀頭、幀尾、設(shè)備號(hào)、紅藍(lán)分組等13 個(gè)Byte，具體信息如表2 所示。

表2 裁判系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸U(kuò)DP協(xié)議數(shù)據(jù)格式

2.4 裁判系統(tǒng)上位機(jī)

裁判系統(tǒng)的上位機(jī)具有3 個(gè)功能：通信配置、比賽控制、屏幕顯示。

（1）通信配置。在通信配置界面可以配置WiFi通訊的方式UDP通信，通信的IP地址和端口號(hào)（見(jiàn)圖6）。

（2）比賽控制。比賽控制界面可以實(shí)現(xiàn)比賽類(lèi)型和手動(dòng)加減分、選擇配置學(xué)校名稱(chēng)、選擇道具的組別、控制投影顯示等功能，如圖7 所示。

（3）屏幕顯示。比賽現(xiàn)場(chǎng)大屏幕顯示比賽信息，包括比賽時(shí)間、隊(duì)伍名稱(chēng)、比賽得分、對(duì)陣雙方的機(jī)器人的擊打感應(yīng)裝置的受打擊次數(shù)等信息，如圖8 所示。

圖6 上位機(jī)通信配置界面

圖7 比賽控制界面

3 系統(tǒng)功能與分析

3.1 擊打感知模塊

比賽中使用的機(jī)器人傳感單元電路集成了擊打感知、全場(chǎng)定位、數(shù)據(jù)傳輸3 個(gè)模塊，控制電路板實(shí)物如圖8 所示。

圖8 機(jī)器人傳感單元控制電路板

為在比賽中快速換裝不同場(chǎng)次的機(jī)器人傳感單元，外殼設(shè)計(jì)有快速拆卸的接口和底座。電源接口采用了XT60，裝置主機(jī)和從機(jī)之間的互聯(lián)接口采用了10 pin 牛角座。機(jī)器人傳感單元外殼設(shè)計(jì)圖如圖9所示。

圖9 機(jī)器人傳感單元外殼設(shè)計(jì)圖

3.2 擊打感知信號(hào)處理算法

機(jī)器人正常運(yùn)動(dòng)和受到擊打時(shí)產(chǎn)生不同的加速信號(hào)，可以通過(guò)采集信號(hào)變化判斷機(jī)器人是否受到有效擊打。

信號(hào)處理算法流程圖如圖10 所示。

圖10 基礎(chǔ)信號(hào)提取流程圖

這種算法可以有效檢測(cè)到擊打但是容易在機(jī)器人快速加減速或碰撞場(chǎng)地圍欄等狀態(tài)下做出誤判。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)正常被打擊時(shí)，ERR 變化的斜率很大，而且回復(fù)速度很快。當(dāng)機(jī)器人掉下場(chǎng)地中的高地或撞到場(chǎng)地固定道具時(shí)，ERR變化的斜率較緩，且會(huì)持續(xù)震蕩，回復(fù)速度較慢。根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象修改了信號(hào)的提取算法流程圖如圖11。

圖11 改進(jìn)后信號(hào)提取流程圖

改進(jìn)后的算法可以明顯過(guò)濾掉機(jī)器人在場(chǎng)地上跌落和撞擊場(chǎng)地道具產(chǎn)生的誤判，提高了比賽中的擊打有效檢測(cè)識(shí)別率。

不同狀態(tài)下的加速計(jì)信號(hào)如圖12 所示。

圖12 不同狀態(tài)下加速計(jì)信號(hào)圖

通過(guò)信號(hào)分析可見(jiàn)，基本信號(hào)特征的提取算法只包含縱軸的幅值特征，設(shè)定幅值的閾值大小之后在撞擊圍欄、臺(tái)階跌落這兩種不應(yīng)觸發(fā)有效打擊的狀態(tài)下，也會(huì)因?yàn)樗惴ㄅ卸橛行Т驌?。?duì)基礎(chǔ)信號(hào)特征提取算法進(jìn)行改進(jìn)，加入對(duì)縱軸時(shí)間的判斷，設(shè)定時(shí)間閾值范圍。這樣就可以剔除撞擊圍欄和臺(tái)階跌落的長(zhǎng)時(shí)間回復(fù)信號(hào)，同時(shí)剔除信號(hào)跳變?cè)斐傻膫€(gè)別異常數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

該裁判系統(tǒng)滿(mǎn)足了當(dāng)前競(jìng)技型機(jī)器人比賽的裁判使用需求，實(shí)現(xiàn)了比賽中各機(jī)器人和比賽道具狀態(tài)通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式與裁判系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信，具有顯示比分和自動(dòng)判罰的功能，減少人工裁判的誤判、漏判現(xiàn)象，有效提高比賽的公平性與觀賞性。