一种比赛用搜救机器人的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种比赛用搜救机器人，它包括中央控制器、环境信息采集模块、电机驱动模块、电源模块、电机和机器人车体，中央处理模块与环境信息采集模块、电机驱动模块和电源模块连接，电源模块为中央控制器和电机驱动模块供电，机器人车体用以搭载各个物理设备。它能在基于特定的比赛场地与比赛规则提供最优化的硬件与软件设计，同时为现实中设计大型搜救机器人提供理论与实验依据。
【专利说明】一种比赛用搜救机器人
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种机器人，尤其涉及一种比赛用搜救机器人。
【背景技术】
[0002]随着现代科技的迅速发展，机器人技术越来越成熟，拆弹机器人高效率高精准的拆除炸弹，灭火机器人能够独立寻找火源并扑灭火源，搜救机器人能在复杂的环境下找到需要帮助的对象并施以援助，这些机器人为我们的工作提供了极大的方便。同时机器人技术涉及到多学科的知识，技术含量高，对未来高科技社会能做出很大影响，现在机器人技术被很多国家所重视。一种比赛用搜救机器人是基于特定的比赛场地与比赛规则设计的，比赛场地为一个正方形的区域，场地内随机摆放若干橡胶锥，用来模拟现实中的障碍物例如柱子、墙等，场地内还设有禁区，禁区采用矩形黑胶带贴贴在场地上，禁区用来模拟现实中的不可通过的区域例如地板上的洞、不安全的地方等，被搜救的对象采用一个闪烁的白炽灯，白炽灯用来模拟一个待救援的人间隔的发出求救信号。比赛中机器人不能离开正方区域，不得碰撞橡胶锥，不得整体通过禁区，最终需要在最短时间内找到白炽灯。一种比赛用搜救机器人的设计为现实中设计大型搜救机器人奠定了理论基础。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的在于提供一种比赛用搜救机器人，使得在比赛中不触犯规则的情况下用尽量短的时间找到闪烁的白炽灯并停在其面前，通过比赛的仿真实验为现实中设计高效率高精准的搜救机器人奠定基础。
[0004]本实用新型是这样来实现的，一种比赛用搜救机器人，包括用于寻找白炽灯光源信号、获取车体与障碍物之间的距离参数以及获取车体底部灰度值的环境信息采集模块；用于接收中央控制器输出的数字控制量并驱动电机运行的电机驱动模块；用于接收复眼传感器、PSD距离传感器和灰度传感器获取的环境模拟量参数并通过A/D转换再经特定的算法处理后输出控制电机驱动模块运作的数字控制量同时为环境采集模块供电的中央控制器；用于为中央控制器和电机驱动模块供电的电源模块；用于搭载各个物理设备的机器人车体；用于执行机构的电机；中央控制模块与环境信息米集模块、电机驱动模块和电源模块连接。
[0005]所述环境信息采集模块由复眼传感器、PSD位置传感器及灰度传感器构成，所述电源模块由两组LiPo电池构成。
[0006]所述中央控制器采用的是未来伙伴机器人公司的AS-MFlO控制器，所述复眼传感器采用的是MFlO红外传感器，所述PSD位置传感器采用夏普公司的GP2Y0A21YK0F型号，所述灰度传感器采用Arduino平台的DFR0022型号，所述两组LiPo电池分别采用7.4V和14.8V输出的电池组。
[0007]所述AS-MFlO控制器的核心器件是基于ARMCortex_M3内核的STM32F103VE微处理器，同时集成了 EEPROM、SRAMU2位A/D转换器、相关通信接口等资源，所述MFlO红外传感器是由14个红外接收管所构成，每2个并联且指向同一个方向，一共有7个方向。
[0008]所述机器人车体在前后两个方向各安装了一个复眼传感器，使其覆盖360度范围，并在每个复眼传感器的上方安装一个上面为黑色下面为白色的纸片，整体架于车体的
第三层上。
[0009]所述机器人车体在前方安装五个PSD传感器，方向分别为正前方、前偏左、前偏右、前正左和前正右，在机器人车体的后方安装两个PSD传感器，方向分别为后正左和后正右，置于在车体的第二层。
[0010]所述机器人车体的第二层固定中央控制器和电机驱动模块。
[0011]所述机器人车体安装有三个灰度传感器，位置分别为前方最左、前方最右和后方中间，固定于车体的最底层。
[0012]所述7.4V电池组固定于机器人车体的第三层，所述14.8V电池组固定于机器人车体的最底层。
[0013]所述STM32F103VE微处理器载入速比校正算法、禁区算法、避障算法、趋光摆正算法与近灯算法。
[0014]速比校正算法方案:
[0015]电机驱动模块输出两路信号到4个主动轮(一侧2个主动轮采用同一路信号)，由于电机的机械特性及其他因素会导致当直行时左右主动轮之间的速度产生差值从而直行时线路会有所偏差，为了调整速比消除偏差，必须将左右侧电机进行速度修正，使其在直行时行走直线。
[0016]禁区算法方案:
[0017]将赛场上的禁区分为无障碍物的禁区和有障碍物的禁区，并且根据搜救机器人退出禁区时白炽灯是否点亮(以下简称有光无光)的两种情况进行说明。
[0018]1.搜救机器人前行时遇到了周围没有障碍物的禁区时，若机器人正对禁区时，该机器人将会后退出禁区随后向右转向，若机器人斜左侧进入禁区时，该机器人将会后退出禁区随后向左转向，若机器人斜右侧进入禁区时，该机器人将会后退出禁区随后向右转向。
[0019]2.搜救机器人前行时遇到了周围有障碍物的禁区时，分障碍物在禁区左边和右边说明。禁区的左边有障碍物时，无论机器人正对、斜左侧还是斜右侧进入禁区，该机器人将会一直后退到可以左转的位置，若此时有光则向有光的方向转向并前行，若无光则向右转向并前行，等待下一次有光的时刻再判断，若禁区的右边有障碍物时，机器人后退到可以右转的位置，若此时有光则向有光的方向转向并前行，若无光则向右转向并前行，等待下一次有光的时刻再判断，若禁区的左边和右边均有障碍时，机器人将会后退到可以左右转的位置，若此时有光则向有光的方向转向并前行，若无光则向右转向并前行，等待下一次有光的时刻再判断。
[0020]避障算法方案:
[0021]搜救机器人前行时可能会遇到单独的障碍物，在避障的时候我们将各种障碍物可能的摆放位置和遇到障碍物时是否有光的情况分别作以下几点说明。
[0022]1.机器人的右前方有障碍物时，无论是否有光，该机器人都会左转绕开障碍物；若左前方有障碍时，无论是否有光，该机器人都会右转绕开障碍物。
[0023]2.机器人的左前方和右前方均有障碍物时，无论是否有光，该机器人都会右转避开两个障碍物。
[0024]3.机器人的左前方和正前方均有障碍物时，若无光，该机器人会右转绕开障碍物，若有光，贝1J向有光的方向转向；右前方和正前方均有障碍物时，若无光，该机器人会左转绕过障碍物，若有光，贝1J向有光的方向转向。
[0025]4.机器人的正前方有障碍物时。若无光，该机器人将会右转，有光时，则向有光的地方转向。
[0026]5.机器人的正前方、左前方和右前方均有障碍物时,无光时该机器人将会后退一段距离再右转，有光时该机器人将会后退一段距离再向有光的方向转向。
[0027]趋光摆正算法方案:
[0028]搜救机器人在没有遇到任何障碍物和禁区的情况下，将执行趋光摆正算法。调用趋光函数，首先识别复眼传感器红外接收管中接收光值最大的那一对，再进行摆正使复眼传感器最中间的一对红外接收管的接收光值最大即可使该机器人的行进路线总趋向于光源。
[0029]近灯算法方案:
[0030]在机器人接近光源的时，调用停车函数在离灯约2cm处使机器人停止前行并发出
蜂鸣声。
[0031]本实用新型的技术效果是:通过模仿本比赛用搜救机器人的硬件设计和软件设计，可以在现实中设计出大型实用的搜救机器人，根据需求添加相关的辅助模块，使得在遇到特定突发事件时能较精准迅速的找到求救人员，具有较大的现实意义。同时本设计在各类大型比赛中均取得良好成绩。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为本实用新型的示意图
[0033]图2为本实用新型的模拟赛场布置图。
[0034]图3为本实用新型的PSD距离传感器放置分布图。
[0035]图4为本实用新型的灰度传感器放置分布图。
[0036]图5为本实用新型的俯视图。
[0037]图6为本实用新型的左视图。
[0038]图7为本实用新型的前视图。
[0039]图8为本实用新型的立体图。
[0040]图9为本实用新型的算法流程图。
[0041]在图中1、中央控制器；2、电源模块；3、电机；4、电机驱动模块；5、环境信息采集模块；6、复眼传感器；7、PSD位置传感器；8、灰度传感器；9、机器人车体；R、机器人；B、光源；EM、红外接收管接收的最大一组光值数据；fl、无灯时的环境光值数据；f2、有灯且离灯较近的光值数据；f3、有灯且接近灯的光值数据。
【具体实施方式】
[0042]如图1、图5、图6、图7和图8所示，本实用新型包括中央控制器1、环境信息采集模块5、电机驱动模块4、电源模块2、电机3和机器人车体9，其特征是机器人车体9上安装中央控制器1、环境信息采集模块5、电机驱动模块4、电源模块2和电机3，所述中央控制器I与环境信息采集模块5和电机驱动模块4连接，所述环境信息采集模块5由复眼传感器6、PSD位置传感器7及灰度传感器8构成，电源模块2连接中央控制器I和电机驱动模块4，电机驱动模块4连接电机3，所述电源模块2由两组LiPo电池构成。
[0043]所述中央控制器I采用的是未来伙伴机器人公司的AS-MFlO控制器，所述复眼传感器6采用的是MFlO红外传感器，所述PSD位置传感器7采用夏普公司的GP2Y0A21YK0F型号，所述灰度传感器8采用Arduino平台的DFR0022型号,所述两组LiPo电池分别采用
7.4V和14.8V输出的电池组。所述AS-MFlO控制器的核心器件是基于ARMCortex_M3内核的STM32F103VE微处理器，同时集成了 EEPROM、SRAMU2位A/D转换器、相关通信接口等资源，所述MFlO红外传感器是由14个红外接收管所构成，每2个并联且指向同一个方向，一共有7个方向。如图5所示，所述机器人车体9在前后两个方向各安装了一个复眼传感器6，使其覆盖360度范围，并在每个复眼传感器6的上方安装一个上面为黑色下面为白色的纸片，整体架于车体的第三层上。如图3和图5所示，所述机器人车体9在前方安装五个PSD传感器7，方向分别为正前方、前偏左、前偏右、前正左和前正右，在机器人车体9的后方放置两个PSD传感器7，方向分别为后正左和后正右，置于在车体的第二层。所述机器人车体9的第二层放置中央控制器I和电机驱动模块4。图4和图7所示，所述机器人车体9安装有三个灰度传感器8，位置分别为前方最左、前方最右和后方中间，置于车体的最底层。所述7.4V电池组放置于机器人车体9的第三层，所述14.8V电池组放置于机器人车体9的最底层。所述STM32F103VE微处理器载入速比校正算法、禁区算法、避障算法、趋光摆正算法与近灯算法。
[0044]本实用新型的原理如下:
[0045]如图2和图9所示，机器人在没有遇到障碍物和禁区时，两个复眼传感器6 —共14对红外接收管实时获取白炽灯发出的光值参数，将光值模拟量数据传回至中央控制器1，中央控制器I确认获取光值数据最大的一对红外接收管随后调用趋光摆正算法使得获取光值最大的一对红外接收管正对光源，并不断修正数据，使得机器人总是朝着白炽灯发光的方向行走。PSD位置传感器7实时获取机器人车体9与周围障碍物之间的距离参数，并将距离模拟量参数传回至中央控制器1，中央控制器I通过7个PSD位置传感器7传回的参数判断机器人不改变现有姿态的情况下是否会撞上障碍物，若判断为真则调用避障算法使得机器人通过后退或转向动作避免撞上障碍物。灰度传感器8实时获取地面灰度数据，并将灰度模拟量参数传回至中央控制器1，中央控制器I通过灰度值判断机器人是否即将进入禁区，同时通过PSD位置传感器7参数判断禁区周围是否有障碍物，并通过判断结果决定是否调用禁区算法，通过禁区算法使得机器人通过后退或转向动作避免进入禁区同时也不会撞上障碍物。
[0046]中央控制器I通过以上判断后最终输出数字量控制电机驱动模块4，电机驱动模块4再输出能改变电机转速和正反转的电压信号使机器人按照设定的方式动作。
[0047]电源模块2为两组LiPo电池组，为中央控制器I供电的电压较小，则采用7.4V电压供电，同时中央控制器I还可以为环境信息采集模块5内的各类传感器装置供电。由于电机驱动模块4的供电电压较大，则采用14.8V电压供电，保证了电机驱动模块4的正常作用。[0048]为保障复眼传感器6能无死角的获取白炽灯发出的光值参数，则设置两个复眼传感器6架在最高层保证了清晰的视野。为保障机器人能全方位控制车体与障碍物之间的距离，则通过前方安装五个、后方安装两个PSD位置传感器7并放置在车体的第二层，该放置方法能在前方视野中提供无死区视角，在机器人倒行中避免碰撞橡胶锥，同时使传感器的数量最小化。为保障机器人能在前行和后退中避免进入禁区，则在前方安装两个后方安装一个灰度传感器8，该放置方法能使在遇到单独禁区和有障禁区任意摆放情况下保证本搜救机器人不会进入禁区。
[0049]根据结构力学与理论力学相关原理，将大电压输出电池组固定在机器人车体9的最底层，小电压输出电池组固定在机器人车体9的第三层，中央控制器I和电机驱动模块4固定在机器人车体9的第二层，保证了机器人车体9的力学结构平稳。
[0050]本实用新型通过以上的操作，实现了不触犯比赛规则并使用尽量少的时间完成比赛。
[0051]上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
【权利要求】
1.一种比赛用搜救机器人,包括中央控制器、环境信息米集模块、电机驱动模块、电源模块、电机和机器人车体，机器人车体上安装中央控制器、环境信息采集模块、电机驱动模块、电源模块和电机，其特征是所述中央控制器与环境信息采集模块和电机驱动模块连接，所述环境信息采集模块由复眼传感器、PSD位置传感器及灰度传感器构成，电源模块连接中央控制器和电机驱动模块，电机驱动模块连接电机，所述电源模块由两组LiPo电池构成。
2.根据权利要求1所述的一种比赛用搜救机器人，其特征是所述中央控制器采用的是未来伙伴机器人公司的AS-MFlO控制器，所述复眼传感器采用的是MFlO红外传感器，所述PSD位置传感器采用夏普公司的GP2Y0A2IYKOF型号，所述灰度传感器采用Arduino平台的DFR0022型号，所述两组LiPo电池分别采用7.4V和14.8V输出的电池组。
3.根据权利要求1所述的一种比赛用搜救机器人，其特征是所述机器人车体在前后两个方向各安装了一个复眼传感器，使其覆盖360度范围，并在每个复眼传感器的上方安装一个上面为黑色下面为白色的纸片，整体架于车体的第三层上。
4.根据权利要求1所述的一种比赛用搜救机器人，其特征是所述机器人车体在前方安装五个PSD传感器，方向分别为正前方、前偏左、前偏右、前正左和前正右，在机器人车体的后方安装两个PSD传感器，方向分别为后正左和后正右，置于在车体的第二层。
5.根据权利要求1所述的一种比赛用搜救机器人，其特征是所述机器人车体安装有三个灰度传感器，位置分别为前方最左、前方最右和后方中间，固定于车体的最底层。
6.根据权利要求1所述的一种比赛用搜救机器人，其特征是所述机器人车体的第二层放置中央控制器和电机驱动模块。
7.根据权利要求2所述的一种比赛用搜救机器人，其特征是所述AS-MFlO控制器的核心器件是基于ARMCortex-M3内核的STM32F103VE微处理器，同时集成了 EEPROM、SRAMU2位A/D转换器、相关通信接口等资源，所述MFlO红外传感器是由14个红外接收管所构成，每2个并联且指向同一个方向，一共有7个方向。
8.根据权利要求2所述的一种比赛用搜救机器人，其特征是所述7.4V电池组固定于机器人车体的第三层，所述14.8V电池组固定于机器人车体的最底层。
【文档编号】G05D1/02GK203825465SQ201420213730
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】帅晨, 余晶, 张超 申请人:南昌航空大学