一种基于无线传感器网络的智能机器人竞速计分系统的制作方法

背景技术：

近年来，智能机器人竞速比赛(半尺寸电脑鼠、古典电脑鼠、循迹自走车等)日趋火热，参赛的机器人也越来越小型化、高速化。其中半尺寸电脑鼠的竞赛迷宫墙面只有84mm长、30mm高，6mm厚，要在狭小的一块迷宫板内塞入探测、无线收发电路，以及供电用的电池。某些新型的机器人移动速度可达8m/s，对探测传感器有极高的要求。随着竞赛规模的扩大，要求计分系统能够在多场地无冲突运行，系统续航时间也要足够长。由于场地规格、参赛机器人设计的限制，计分系统不能影响竞赛场地的外观、不能干扰参数机器人的传感器，而计分系统要能抵抗环境中的干扰。

计分系统应至少能探测机器人何时穿过起点和终点，按照竞赛规则设定的计分公式计算成绩，整个过程应自动完成，不需操作人员干预。现有技术中多采用超声波模组探测机器人的是否穿过起点终点，对竞赛用墙面影响较大，曾出现过机器人将计分系统传感器判断为迷宫开口的问题；超声波传感器体积较大，不能安装进半尺寸电脑鼠迷宫内；其检测精度不佳，对新型的古典电脑鼠无法做出有效检测。无线传输环节也因环境电磁干扰等问题发现过触发信号未能有效传输等问题。为解决竞赛计时计分的问题，需要一套稳定、可靠、精准、易用的智能机器人竞速计分系统。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种精度及可靠性满足智能机器人竞速竞赛需求的计分系统方案，对该项竞赛计分工作进行保障，具体包括如下部分：

1.硬件部分包含一个usb-无线网关模块与2对激光发射模块、激光接收模块，各模块组成如下：

(1)激光发射模块、激光接收模块、usb-无线网关模块均以射频片上系统为核心。

(2)激光发射模块、激光接收模块使用锂电池供电。

(3)usb-无线网关模块使用usb供电及传输信息。

(4)激光发射模块使用半导体激光器产生激光；激光接收模块使用pin管接收激光，使用窄带滤光片滤除干扰。

2.通过如下软件手段提高精度与可靠性：

(1)上位机软件程序可实时显示当前计时成绩，可以远程关闭部分激光收发模块以降低功耗。

(2)各模块以2.4ghz私有协议进行组网通信，多组计分系统可占用不同信道同时运行，互不干扰。

(3)各激光接收模块触发后发送本地时间戳，传输失败后重传不会影响计时准确性。

(4)usb-无线网关模块定时广播心跳帧，检测各激光收发模块状态，同步各模块的本地时间。

【本发明的优点和积极效果】

与现有技术相比，本发明具有如下优点和积极效果：

第一，消除了计分系统对机器人运行的干扰。

第二，计时的精准度和可靠性有所提升。

第三，压缩系统体积同时提高了续航时间。

【附图说明】

图1系统组成示意图。

图2为激光发射模块结构框图。

图3为激光接收模块结构框图。

图4为usb-无线网关模块结构框图。

【具体实施方式】

本发明提供一种一种基于无线传感器网络的智能机器人竞速计分系统，系统硬件设计如下：

激光发射模块结构如图2，激光接收模块如图3，二者成对布设在起点、终点。二者均以聚合物锂电池供电，并需要小型化、低功耗设计以压缩体积，放入一块半尺寸电脑鼠竞赛场地用迷宫板内。

二者大部分电路相同，可以复用。以低功耗、小尺寸的低功耗射频片上系统为核心，其包含2.4ghz收发系统、+4dbm功放和一个微控制器核心。由于采用锂电池供电，需要配备相应的锂电池保护芯片与dc-dc降压稳压芯片，为系统提供适当的电源电压。激光发射模块的激光发射电路、激光接收模块的接收及放大电路功耗较高，应当在上位机的控制下适当的关闭，因此为其配备了负载开关，可由微控制器控制切断供电以降低功耗。

激光收、发模块的不同之处为：发射端使用一个5mw650nm半导体激光器，激光二极管与pin光敏二极管集成封装，通过恒功率控制电路可以实现在不同温度下恒定5mw的发射功率。由于体积限制，激光器为垂直于底面放置，光束经一45°放置平面镜反射后平行于底面从侧壁射出；接收端为解决对准问题，使用大靶面pin光敏二极管接收激光束，光点打在5×5mm靶面内均可有效检测。为解决环境光干扰问题，使用了一片650nm窄带滤光片作为pin管的窗口，以滤除太阳光、环境灯光、机器人传感器发出的红外光的影响。

usb-无线网关模块结构如图4所示。采用usb接口供电及传输数据，因此装有usb收发芯片和5v转3.3v降压稳压器。采用与激光收发模块相同的射频片上系统以进行组网通信，但关闭了片内功放，采用一片额外的射频放大器来提高输出功率和接收灵敏度，并使用高增益天线，以提升系统的通信可靠性。将4组锂电池充电管理电路也放在usb-无线网关模块内，在使用后可同时为4个收、发模块的锂电池充电，使本计分系统更加简单易用。

在微控制器与上位机软件中使用了一些软件方法来提升本计分系统的易用性、可靠性和可管理性。

根据竞赛规则，机器人会在起点-终点间往返，从起点出发后未到达终点、再次返回起点不构成有效触发，因此可在起点被触发后关闭起点的传感器以降低功耗，仅打开终点的传感器等待机器人触发；同理，机器人触发终点传感器后，关闭终点传感器，打开起点的传感器。该操作能够有效降低一半的系统功耗，延长单次充电后系统的使用时间。

随着智能设备的不断普及，2.4ghz频段无线设备越来越多，对系统计时信息的无线传输带来了更大的挑战。各模块之间通信可能因其他设备干扰而造成单次发送失败，若计分系统无丢包重传机制，则触发信息不能被有效记录，计时失败；若计分系统存在丢包重传机制，以usb-无线网关模块接收到触发信息的时间为准，则一旦出现重传，就会引入较大的误差，计时不准确。以上两种方案都是对竞赛的公平性不利的。这里采取每次激光接收模块被触发时该模块内计时为准，记录后进行发送，发生重传内容不会改变。

但这种方法需要同步各激光接收模块的时钟，为此需要usb-无线网关模块每10秒发送心跳帧，引导所有激光收发模块进行一次时钟同步，各将各晶振频偏对计时的影响降至1ms之内。此过程会一并采集各个模块的剩余电量，显示在上位机软件中，电量过低则会进行提示。时间同步过程失败1到2次，晶振频偏±10ppm对计时的影响也不会超过1ms，而3次以上同步失败，usb-无线网关会判定该模块脱网，发出警报提醒操作人员检查各模块工作状态。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于无线传感器网络的智能机器人竞速计分系统。本发明所述系统硬件包括激光发射模块、激光接收模块USB‑无线网关模块。激光接收、发射模块成对布置于路径的起点、终点。各模块以射频片上系统为控制核心。USB‑无线网关模块使用USB接口与计算机连接，在计算机上位机软件中显示计时数据，可根据当前状态选择性关闭激光收发模块以降低功耗。激光收发模块以电池供电，使用激光对射传感器检测机器人穿过一对激光发射、接收模块触发计时。激光接收模块向USB‑无线网关发送本地时间戳，以提高计时准确性。本发明适用于半尺寸电脑鼠、古典电脑鼠、循迹自走车等新兴智能机器人竞赛计分中，缩小系统体积，解决了计时可靠性问题。

技术研发人员：孙桂玲;王若斌;郑博文;周帆;张有容
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：2019.03.15
技术公布日：2019.06.28