2017搬運(yùn)賽技術(shù)培訓(xùn)

1、機(jī)器人自主搬運(yùn)賽技術(shù)培訓(xùn)2017.10,搬運(yùn)競賽三要素,結(jié)構(gòu)設(shè)計行駛算法場地策略,搬運(yùn)競賽三要素,結(jié)構(gòu)設(shè)計——決定能不能通過障礙，完成規(guī)定任務(wù)行駛算法——決定能不能順利通過障礙并順利完成任務(wù)場地策略——決定能不能取得好名次,一、場地與策略,每次搬運(yùn)1個物料,1.單次完成度高2.總體完成度低3.時間長4.結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單5.程序設(shè)計復(fù)雜,每次搬運(yùn)2個物料,1.單次完成度較高2.總體完成度一般3.時間較長

2、4.結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單5.程序設(shè)計復(fù)雜,每次搬運(yùn)3個物料,1.單次完成度一般2.總體完成度較高3.時間較短4.結(jié)構(gòu)設(shè)計一般5.程序設(shè)計一般,一次全部搬運(yùn)完成,1.單次完成度低2.總體完成度較高3.時間短4.結(jié)構(gòu)設(shè)計難5.程序設(shè)計簡單,二、機(jī)構(gòu)設(shè)計技術(shù)要點,底盤機(jī)構(gòu)夾持機(jī)構(gòu)裝載機(jī)構(gòu),地形分析,地形簡單，特殊地形為障礙物擋板和一個斜坡窄橋。對底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計要求較低，對車身尺寸和整個車身的重心設(shè)計要求高

3、。,底盤機(jī)構(gòu),,移動速度快運(yùn)動性能穩(wěn)定攀爬穩(wěn)定性一般,移動速度慢運(yùn)動性能穩(wěn)定攀爬穩(wěn)定性一般,,移動速度慢運(yùn)動性能穩(wěn)定攀爬穩(wěn)定強(qiáng),移動速度快運(yùn)動性能穩(wěn)定攀爬穩(wěn)定性強(qiáng),夾持機(jī)構(gòu),,齒輪組夾持器連桿組夾持器齒輪連桿組夾持器,自由度分析,成功搬運(yùn)物料：前伸（后退），夾取，拿起（放下），翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)移5自由度：每個動作都依靠機(jī)械臂執(zhí)行。4自由度：前伸（后退）通過底盤執(zhí)行，其他動作通過機(jī)械臂完成。3自

4、由度：前伸（后退）、轉(zhuǎn)移通過底盤執(zhí)行，其他動作通過機(jī)械臂完成。2自由度：前伸（后退）、轉(zhuǎn)移通過底盤地形，夾取和拿放的動共用一個自由度，翻轉(zhuǎn)一個自由度。,,,,,裝載機(jī)構(gòu),平板類：采用探索者圓形件與平板件簡單組裝即可。結(jié)構(gòu)非常簡單，但體積跟物料數(shù)量正相關(guān)，小車行進(jìn)過程中物料穩(wěn)定性較差。箱體類：采用探索者金屬機(jī)械零件簡單組裝即可。結(jié)構(gòu)簡單，物料運(yùn)輸過程中穩(wěn)定性較好，但所占空間大，增加車體重量。,如何避障,傳感器選擇：近紅外、超聲測距

5、近紅外：觸發(fā)范圍正常光線下30cm左右，識別距離不可調(diào)，根據(jù)延遲調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向。超聲測距：觸發(fā)范圍<3m左右，觸發(fā)距離可調(diào)，根據(jù)距離或者延遲調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向。,問題——1、爬不上去,（1）比賽為EVA材質(zhì)的障礙，打滑問題基本不存在。（2）提高小車動力，我們可以增加電機(jī)來做到動力的提升?；蛟O(shè)計傳動機(jī)構(gòu)使每個輪子都能輸出轉(zhuǎn)矩。（3）提高小車的速度，我們可以增加輪胎的直徑來提高速度，比如用履帶纏繞輪胎或者使用大履帶輪胎?；蛟O(shè)計傳動機(jī)構(gòu)減小

6、傳動比。（4）調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計，使重心靠前。或設(shè)計一個能夠改變重心位置的機(jī)構(gòu)。,分析問題——2、走不直,觀察：（1）是不是因為輪胎在空間上的不對稱導(dǎo)致各個輪胎的旋轉(zhuǎn)中心軸交叉以至于小車不能走直線？（2）是不是因為每個電機(jī)的轉(zhuǎn)速不一致，導(dǎo)致小車不能走直線？（3）是不是因為輪胎的大小不一致，導(dǎo)致小車不能走直線？,解決問題——2、走不直,解決方案：（1）調(diào)整結(jié)構(gòu)：支架組裝擰緊、聯(lián)軸器和圓周舵機(jī)的輸出頭擰緊、更換使用長久導(dǎo)致零件磨損變形的

7、零件、豎直方向不對稱可以增加紙張、塑料帶等不超出比賽規(guī)則的薄片。（2）調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以通過程序微調(diào)。（3）如果小車始終向某側(cè)偏斜，可以嘗試調(diào)換左右兩邊的部分機(jī)構(gòu)，以平衡誤差。,解決問題——3、轉(zhuǎn)彎時直流電機(jī)卡頓,主要原因是用數(shù)字量控制直流電機(jī)時，直接接的VIN電壓，也就是電池實時電壓，基本是當(dāng)時的最大電壓；而用模擬量控制時，電壓值只是在255時才能達(dá)到最大，其余的值電壓都比較小。如果你的底盤軸距較長（前后輪之間的距離），或轉(zhuǎn)彎時

8、阻力較大，則在轉(zhuǎn)向時就會需要一個較大的扭矩。如果同時你模擬值給的比較小，就會造成電機(jī)力量不夠。這就是出現(xiàn)卡頓的原因。一旦電機(jī)堵轉(zhuǎn)，電機(jī)重新啟動時，用的是較低的那個電壓，加速度不足，造成啟動也比較慢，甚至啟動不了。所以如果要改進(jìn)，要么是用數(shù)字量，加大電壓，要么改結(jié)構(gòu)，想辦法轉(zhuǎn)彎時縮短軸距，或者減小轉(zhuǎn)彎阻力。,1.調(diào)整結(jié)構(gòu)：鉸接位置注意軸套和小墊片等零件，螺絲螺母擰緊。查看層次是否正確。2.夾持角度調(diào)整：角度過小，夾持力滿足，但是可能

9、讓舵機(jī)堵轉(zhuǎn)，舵機(jī)堵轉(zhuǎn)會產(chǎn)生抖動，會影響夾持效果。2.在夾持器上增加海綿（軟質(zhì)彈性物質(zhì)），增加摩擦和緩沖。,解決問題——4、抓取時物料容易掉,分析問題——5、運(yùn)輸時物料容易掉,1.車在行進(jìn)過程中難免抖動，所以原本放置好的物料可能會產(chǎn)生位置便宜，甚至物料丟失。2.放置物料時位置偏移較大，行進(jìn)過程中偏移掉落。,解決問題——5、運(yùn)輸時物料容易掉,1.選用箱體載物臺2.增加限位裝置:在載物臺周圍用探索者機(jī)械零件裝一個矮的邊框，或

10、者在載物臺周圍裝螺絲。,三、電路與程序設(shè)計技術(shù)要點,基本技能,數(shù)字量輸入 digitalread()數(shù)字量輸出 digitalwrite()模擬量輸入 analogread()模擬量輸出 analogwrite()條件語句條件嵌套語句有限狀態(tài)機(jī)switch語句,1、條件語句,1、條件語句窮舉,1、條件語句（例程）,void loop(){ if (( !( digitalRead(14) ) && d

11、igitalRead(16) )) { left(); } if (( digitalRead(14) && !( digitalRead(16) ) )) { right(); } if (( !( digitalRead(14) ) && !( digitalRead(16) ) )) { str(); } if (( digitalRead

12、(14) && digitalRead(16) )) { str(); }},1、條件語句窮舉（優(yōu)化）,i=digitalRead(14);j=digitalRead(16);void loop(){ if (i==1 && j==0 ) { left(); } if (i==0 && j==1 )) { right();

13、} if (i==1 && j==1 ) { str(); } if ( i==0 && j==0) { str(); }},2、條件語句嵌套,2、條件語句嵌套(寫法2),2、條件語句嵌套,void loop(){ if (( !( digitalRead(14) ) && digitalRead(16) )) { left();

14、 } else { if (( digitalRead(14) && !( digitalRead(16) ) )) { right(); } else { str(); } }},3、有限狀態(tài)機(jī),有限狀態(tài)機(jī)把復(fù)雜的控制邏

15、輯分解成有限個穩(wěn)定狀態(tài)，在每個狀態(tài)上判斷事件。由于有限狀態(tài)機(jī)有有限個狀態(tài)，因此可以在實際中實現(xiàn)。有限狀態(tài)機(jī)可以廣泛的應(yīng)用于機(jī)器人多個傳感器觸發(fā)組合狀態(tài)的判斷，大大提高檢測效率。,有限狀態(tài)機(jī)一般是用Switch語句來實現(xiàn)。如：switch(s){case1:{動作1;}break;case2:{動作2;}break;case3:{動作3;}break;case4:Act_Stop();break;default:;break

16、;}這段語句實現(xiàn)的關(guān)鍵，就是把傳感器的觸發(fā)狀態(tài)與case對應(yīng)起來，即能夠把幾個傳感器的觸發(fā)狀態(tài)用數(shù)字表示出來。,方法并不難，下面，我們把每組傳感器返回值看成一個二進(jìn)制數(shù)值,,3、有限狀態(tài)機(jī),于是，只要我們知道了傳感器們的觸發(fā)狀態(tài)，也就知道了序號；知道了序號，也就知道了傳感器們的觸發(fā)狀態(tài)。用這個序號去寫switch語句，再合適不過了。下面我們要做的是，用一種算法，讓機(jī)器人能夠返回自己接收到的傳感器組合值的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。,3、有限狀態(tài)

17、機(jī),我們可以使用以下算法來實現(xiàn)：,首先設(shè)置一個變量s，這個s的結(jié)果，將是傳感器組的二進(jìn)制狀態(tài)序號。我們還需要用到一個重要的運(yùn)算符“<<”，這個運(yùn)算符的意義是：左移如：1<<n，意思是1向左移動n位，空出來的數(shù)位用0填補(bǔ)。如：1<<1，結(jié)果就是10；1<<2，結(jié)果就是100；101<<1，結(jié)果就是1010只要讓機(jī)器人依次返回各個傳感器的狀態(tài)數(shù)值，最早獲取的，放

18、在最右；第二獲得的，左移1位，第三獲得的，左移2位，……，以此類推。如兩個傳感器均觸發(fā)：先獲得1號的數(shù)值（真）并左移零位，得再獲得2號的數(shù)值（真）并左移一位，得兩數(shù)值取“或”，即可得11,數(shù)學(xué)問題解決了，很容易就可以轉(zhuǎn)化為程序語句：s=0;for(i=0;i<2;i++) //設(shè)此例中有2個傳感器{s=s|(傳感器i的采值<<i);//獲得傳感器值，移位，或運(yùn)算},于是switch語句可以

19、寫為：switch(s) {case 0x00 : {動作0;}break; //序號也可以寫作16進(jìn)制數(shù)值case 0x01 : {動作1;}break;case 0x02 : {動作2;}break;case 0x03 : {動作3;}break;default:;break;},下面我們以一個”三傳感器循跡小車”程序為例，再來鞏固一遍：,右,左,,傳感器觸發(fā)情況、小車行駛狀態(tài)、對應(yīng)行為策略表：,偽碼如下：s=0

20、;for(i=0;i<3;i++){s=s|(Input(i+1,1)<<i);}switch(s) {case 0x00 : 停;break;case 0x01 : {R;}break;case 0x02 : {F;}break;case 0x03 : {R;}break;case 0x04 : {L;}break;case 0x06 : {L;}break;case 0x07 : {F

21、;}break;default:;break;},循跡相關(guān)問題,現(xiàn)象1：程序沒有問題，但小車無視黑線，完全沒有循線。分析問題：小車無視黑線，可能原因是：①傳感器壞了；②傳感器安裝位置不合適，導(dǎo)致傳感器沒有觸發(fā)；③程序中直行時delay時間太長導(dǎo)致沒能及時檢測到傳感器狀態(tài)；,解決辦法：（1）我們可以先單獨測試一下傳感器是否損壞，用串口測值或點亮LED的方法進(jìn)行測試，如果確認(rèn)傳感器壞了，更換新傳感器。（2）如果傳感器

22、是好的那么可能是傳感器的安裝位置不合適，先不要將傳感器固定在機(jī)器人身上，而用手持的方法，利用用串口測值或點亮LED的方法進(jìn)行測試，找到合適的安裝位置，再進(jìn)行安裝。（3）縮短delay()時長，提高檢測頻率。,循跡相關(guān)問題,現(xiàn)象2：循線時，傳感器檢測到黑線，但小車發(fā)生“蛇行”；或緊接著識別黑線不靈。分析問題：（1）可能是小車兩側(cè)輪子差速過大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎半徑太小，從而“蛇行”；（2）可能是轉(zhuǎn)彎動作delay時間過長，導(dǎo)致下次識別不

23、靈。（3）可能是小車速度太快，外加程序執(zhí)行效率不高，導(dǎo)致未能識別到黑線。解決辦法：（1）轉(zhuǎn)彎時減小電機(jī)轉(zhuǎn)動差速，或用轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)替代差速轉(zhuǎn)向；（2）縮短delay時間，或不使用delay；（3）更換轉(zhuǎn)速慢的電機(jī)或提高程序執(zhí)行效率。,循跡相關(guān)問題,現(xiàn)象3：小車通過斜坡障礙時，傳感器誤觸發(fā)。分析問題：誤觸發(fā)的原因可能是：（1）遇到障礙，輪子被抬起，車身傾斜，傳感器與地面間的距離變化，導(dǎo)致傳感器誤觸發(fā)。解決辦法：（1）調(diào)

24、整delay的時間長度，盡量降低誤觸發(fā)引起的動作影響。（2）通過對橫線計數(shù)，為窄橋和樓梯分別安排合適的delay時長。,循跡直角轉(zhuǎn)彎問題,在直角位置轉(zhuǎn)彎時，一般的轉(zhuǎn)彎動作容易偏離。需要左右反轉(zhuǎn)，原地轉(zhuǎn)向。但循跡時原地轉(zhuǎn)向的動作會造成行進(jìn)速度變慢，因此，最好是遇到路口再觸發(fā)一個短暫的原地轉(zhuǎn)向動作。,傳感器觸發(fā)實時監(jiān)測問題,機(jī)器人在工作過程中出現(xiàn)異常，傳感器是否正常觸發(fā)了？這是困擾許多參賽隊的問題。我們平時學(xué)習(xí)和做實驗時，往往利用串口

25、監(jiān)視器監(jiān)測傳感器的觸發(fā)情況，但是這總是離不開電腦，如何更方便的在機(jī)器人工作過程中監(jiān)測呢？其實利用LED點陣上的亮點即可監(jiān)測。,如何增加傳感器接口？,ARM7主控板，Bigfish擴(kuò)展板都只有4個傳感器接口，對于一些參賽隊來說，這個數(shù)量可能不夠。那么怎么增加傳感器接口呢？對于ARM7主控板來說，只有一個辦法，就是把兩個ARM7主控板通過串口串聯(lián)在一起，做成主從結(jié)構(gòu)，從而增加傳感器口。但是這種方法傳輸數(shù)據(jù)速度較慢，使用時需要注意。,如何增

26、加傳感器接口？,對于Bigfish擴(kuò)展板來說，首先可以利用背后的跳線帽，將舵機(jī)接口更改為數(shù)字傳感器接口。,如何增加傳感器接口？,還有能擴(kuò)展出更多傳感器口的方法。Basra主控板總共有20個I/O口，理論上能同時連接的傳感器上限是20個。,驅(qū)動數(shù)字量傳感器和簡單的模擬量傳感器，只需要3根針：GND、VCC、信號針（D口或A口）。因此我們可以把紅色接口的兩個信號針，用杜邦線單獨引出來用?；蛘邚陌遄由舷碌臋M排座塢引出；或者從下

27、方的兩個2×5座塢引出。這種靈活的做法，可以最大限度的利用針腳，并且盡量減少對舵機(jī)數(shù)量的影響。,如何使用更強(qiáng)大的電子模塊？,本次比賽場地的安排，為更先進(jìn)的檢測模塊的使留出了可能，如物料的色塊可供灰度識別、顏色識別、視覺識別使用等等。于是很多參賽隊開始考慮是否使用更強(qiáng)大的傳感器，如顏色識別、攝像頭等，類似的還有陀螺儀、電子羅盤、編碼器等等。首先，本次比賽場地設(shè)計的原則是：簡單有簡單的辦法，復(fù)雜有復(fù)雜的機(jī)會。參賽隊自由選擇

28、的空間很大。但是，強(qiáng)大的傳感器意味著使用難度的增加。參賽隊要根據(jù)自己的技術(shù)水平，慎重選擇。,如何使用更強(qiáng)大的電子模塊？,顏色識別：優(yōu)點是可以利用物料色塊準(zhǔn)確定位，缺點是受環(huán)境光線影響較大，如果要準(zhǔn)確識別，需要時間。如例程中一個測量周期為4秒，水平高的同學(xué)可以縮短測量周期，但是周期越短，測量準(zhǔn)確度越低。編碼器：優(yōu)點是可以監(jiān)測電機(jī)轉(zhuǎn)動情況，從而在轉(zhuǎn)彎、過障礙時更加準(zhǔn)確。缺點是獲得準(zhǔn)確檢測數(shù)據(jù)的難度較大，且無法避免電機(jī)空轉(zhuǎn)干擾，新手往往

29、不知道如何處理。陀螺儀：陀螺儀的Z軸可以識別相對方向，X、Y軸可以識別是否登上障礙。陀螺儀+隨動輪編碼器技術(shù)是全場定位利器，缺點是新手使用難度較大。電子羅盤：電子羅盤可以識別絕對方向，對于場地導(dǎo)航很有用。缺點是新手使用難度大，很難處理“漂移”問題。攝像頭：利用攝像頭可以實現(xiàn)視覺導(dǎo)航，優(yōu)點是一個攝像頭可以取代其他所有傳感器。缺點是一般主控板無法驅(qū)動，需要使用探索者的ARM CortexA8主控板，該主控板無法驅(qū)動電機(jī)，需要自己焊接電