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(jìng)賽三要素,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行駛算法場(chǎng)地策略,搬運(yùn)競(jìng)賽三要素,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——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(chǎng)地策略——決定能不能取得好名次,一、場(chǎng)地與策略,每次搬運(yùn)1個(gè)物料,1.單次完成度高2.總體完成度低3.時(shí)間長(zhǎng)4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單5.程序設(shè)計(jì)復(fù)雜,每次搬運(yùn)2個(gè)物料,1.單次完成度較高2.總體完成度一般3.時(shí)間較長(zhǎng)

2、4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單5.程序設(shè)計(jì)復(fù)雜,每次搬運(yùn)3個(gè)物料,1.單次完成度一般2.總體完成度較高3.時(shí)間較短4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般5.程序設(shè)計(jì)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(shí)間短4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難5.程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,二、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn),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(jiǎn)單，特殊地形為障礙物擋板和一個(gè)斜坡窄橋。對(duì)底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較低，對(duì)車身尺寸和整個(gè)車身的重心設(shè)計(jì)要求高

3、。,底盤機(jī)構(gòu),,移動(dòng)速度快運(yùn)動(dòng)性能穩(wěn)定攀爬穩(wěn)定性一般,移動(dòng)速度慢運(yùn)動(dòng)性能穩(wěn)定攀爬穩(wěn)定性一般,,移動(dòng)速度慢運(yùn)動(dòng)性能穩(wěn)定攀爬穩(wěn)定強(qiáng),移動(dòng)速度快運(yùn)動(dòng)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(gè)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)共用一個(gè)自由度，翻轉(zhuǎn)一個(gè)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(jiǎn)單組裝即可。結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)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(jiǎn)單組裝即可。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)距

5、近紅外：觸發(fā)范圍正常光線下30cm左右，識(shí)別距離不可調(diào)，根據(jù)延遲調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向。超聲測(cè)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(dòng)力，我們可以增加電機(jī)來做到動(dòng)力的提升。或設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使每個(gè)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(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減小

6、傳動(dòng)比。（4）調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使重心靠前?；蛟O(shè)計(jì)一個(gè)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?yàn)檩喬ピ诳臻g上的不對(duì)稱導(dǎo)致各個(gè)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?yàn)槊總€(gè)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?yàn)檩喬サ拇笮〔灰恢?，?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(zhǎng)久導(dǎo)致零件磨損變形的

7、零件、豎直方向不對(duì)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(shí)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(shí)，直接接的VIN電壓，也就是電池實(shí)時(shí)電壓，基本是當(dāng)時(shí)的最大電壓；而用模擬量控制時(shí)，電壓值只是在255時(shí)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(zhǎng)（前后輪之間的距離），或轉(zhuǎn)彎時(shí)

8、阻力較大，則在轉(zhuǎn)向時(shí)就會(huì)需要一個(gè)較大的扭矩。如果同時(shí)你模擬值給的比較小，就會(huì)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(dòng)時(shí)，用的是較低的那個(gè)電壓，加速度不足，造成啟動(dòng)也比較慢，甚至啟動(dòng)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(shí)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(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，會(huì)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(shí)物料容易掉,分析問題——5、運(yùn)輸時(shí)物料容易掉,1.車在行進(jìn)過程中難免抖動(dòng)，所以原本放置好的物料可能會(huì)產(chǎn)生位置便宜，甚至物料丟失。2.放置物料時(shí)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(shí)物料容易掉,1.選用箱體載物臺(tái)2.增加限位裝置:在載物臺(tái)周圍用探索者機(jī)械零件裝一個(gè)矮的邊框，或

10、者在載物臺(tái)周圍裝螺絲。,三、電路與程序設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn),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(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，在每個(gè)狀態(tài)上判斷事件。由于有限狀態(tài)機(jī)有有限個(gè)狀態(tài)，因此可以在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)。有限狀態(tài)機(jī)可以廣泛的應(yīng)用于機(jī)器人多個(gè)傳感器觸發(fā)組合狀態(tài)的判斷，大大提高檢測(cè)效率。,有限狀態(tài)機(jī)一般是用Switch語句來實(shí)現(xiàn)。如：switch(s){case1:{動(dòng)作1;}break;case2:{動(dòng)作2;}break;case3:{動(dòng)作3;}break;case4:Act_Stop();break;default:;break

16、;}這段語句實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，就是把傳感器的觸發(fā)狀態(tài)與case對(duì)應(yīng)起來，即能夠把幾個(gè)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(gè)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(hào)；知道了序號(hào)，也就知道了傳感器們的觸發(fā)狀態(tài)。用這個(gè)序號(hào)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(shí)現(xiàn)：,首先設(shè)置一個(gè)變量s，這個(gè)s的結(jié)果，將是傳感器組的二進(jìn)制狀態(tài)序號(hào)。我們還需要用到一個(gè)重要的運(yùn)算符“<<”，這個(gè)運(yùn)算符的意義是：左移如：1<<n，意思是1向左移動(dòng)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(gè)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(gè)傳感器均觸發(fā)：先獲得1號(hào)的數(shù)值（真）并左移零位，得再獲得2號(hào)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(gè)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(dòng)作0;}break; //序號(hào)也可以寫作16進(jìn)制數(shù)值case 0x01 : {動(dòng)作1;}break;case 0x02 : {動(dòng)作2;}break;case 0x03 : {動(dòng)作3;}break;default:;break;},下面我們以一個(gè)”三傳感器循跡小車”程序?yàn)槔?，再來鞏固一遍?右,左,,傳感器觸發(fā)情況、小車行駛狀態(tài)、對(duì)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(shí)delay時(shí)間太長(zhǎng)導(dǎo)致沒能及時(shí)檢測(cè)到傳感器狀態(tài)；,解決辦法：（1）我們可以先單獨(dú)測(cè)試一下傳感器是否損壞，用串口測(cè)值或點(diǎn)亮LED的方法進(jìn)行測(cè)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(cè)值或點(diǎn)亮LED的方法進(jìn)行測(cè)試，找到合適的安裝位置，再進(jìn)行安裝。（3）縮短delay()時(shí)長(zhǎng)，提高檢測(cè)頻率。,循跡相關(guān)問題,現(xiàn)象2：循線時(shí)，傳感器檢測(cè)到黑線，但小車發(fā)生“蛇行”；或緊接著識(shí)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(dòng)作delay時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致下次識(shí)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(shí)別到黑線。解決辦法：（1）轉(zhuǎn)彎時(shí)減小電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)差速，或用轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)替代差速轉(zhuǎn)向；（2）縮短delay時(shí)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(shí)，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(shí)間長(zhǎng)度，盡量降低誤觸發(fā)引起的動(dòng)作影響。（2）通過對(duì)橫線計(jì)數(shù)，為窄橋和樓梯分別安排合適的delay時(shí)長(zhǎng)。,循跡直角轉(zhuǎn)彎問題,在直角位置轉(zhuǎn)彎時(shí)，一般的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作容易偏離。需要左右反轉(zhuǎn)，原地轉(zhuǎn)向。但循跡時(shí)原地轉(zhuǎn)向的動(dòng)作會(huì)造成行進(jìn)速度變慢，因此，最好是遇到路口再觸發(fā)一個(gè)短暫的原地轉(zhuǎn)向動(dòng)作。,傳感器觸發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)的問題。我們平時(shí)學(xué)習(xí)和做實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往利用串口

25、監(jiān)視器監(jiān)測(cè)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(cè)呢？其實(shí)利用LED點(diǎn)陣上的亮點(diǎn)即可監(jiān)測(cè)。,如何增加傳感器接口？,ARM7主控板，Bigfish擴(kuò)展板都只有4個(gè)傳感器接口，對(duì)于一些參賽隊(duì)來說，這個(gè)數(shù)量可能不夠。那么怎么增加傳感器接口呢？對(duì)于ARM7主控板來說，只有一個(gè)辦法，就是把兩個(gè)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(shí)需要注意。,如何增

26、加傳感器接口？,對(duì)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(gè)I/O口，理論上能同時(shí)連接的傳感器上限是20個(gè)。,驅(qū)動(dòng)數(shù)字量傳感器和簡(jiǎn)單的模擬量傳感器，只需要3根針：GND、VCC、信號(hào)針（D口或A口）。因此我們可以把紅色接口的兩個(gè)信號(hào)針，用杜邦線單獨(dú)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(gè)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(duì)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(chǎng)地的安排，為更先進(jìn)的檢測(cè)模塊的使留出了可能，如物料的色塊可供灰度識(shí)別、顏色識(shí)別、視覺識(shí)別使用等等。于是很多參賽隊(duì)開始考慮是否使用更強(qiáng)大的傳感器，如顏色識(shí)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(chǎng)地設(shè)計(jì)的原則是：簡(jiǎn)單有簡(jiǎn)單的辦法，復(fù)雜有復(fù)雜的機(jī)會(huì)。參賽隊(duì)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(duì)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(shí)別：優(yōu)點(diǎn)是可以利用物料色塊準(zhǔn)確定位，缺點(diǎn)是受環(huán)境光線影響較大，如果要準(zhǔn)確識(shí)別，需要時(shí)間。如例程中一個(gè)測(cè)量周期為4秒，水平高的同學(xué)可以縮短測(cè)量周期，但是周期越短，測(cè)量準(zhǔn)確度越低。編碼器：優(yōu)點(diǎn)是可以監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況，從而在轉(zhuǎn)彎、過障礙時(shí)更加準(zhǔn)確。缺點(diǎn)是獲得準(zhǔn)確檢測(cè)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(shí)別相對(duì)方向，X、Y軸可以識(shí)別是否登上障礙。陀螺儀+隨動(dòng)輪編碼器技術(shù)是全場(chǎng)定位利器，缺點(diǎn)是新手使用難度較大。電子羅盤：電子羅盤可以識(shí)別絕對(duì)方向，對(duì)于場(chǎng)地導(dǎo)航很有用。缺點(diǎn)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(shí)現(xiàn)視覺導(dǎo)航，優(yōu)點(diǎn)是一個(gè)攝像頭可以取代其他所有傳感器。缺點(diǎn)是一般主控板無法驅(qū)動(dòng)，需要使用探索者的ARM CortexA8主控板，該主控板無法驅(qū)動(dòng)電機(jī)，需要自己焊接電