能力風(fēng)暴機(jī)器人用于滅火比賽的策略開(kāi)發(fā)概要

1、收稿日期：2002-12-26作者簡(jiǎn)介：李春香(1965,女，遼寧沈陽(yáng)人，碩士，副教授，主要從事自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)教學(xué)和科研工作，主要 研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制技術(shù)和人工智能控制技術(shù)。文章編號(hào)：1000-8829(2003 06-0051-04能力風(fēng)暴機(jī)器人用于滅火比賽的策略開(kāi)發(fā)Strategy Development of Putting Out a Fire for Ability Storm Robot成名學(xué)院，鄒文輝,鐘碧良摘要：C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)機(jī)器人滅火比賽等項(xiàng)目。重點(diǎn)分析研究能力風(fēng)暴 機(jī)器人進(jìn)行灰火比賽”的策略。關(guān)鍵詞：能力風(fēng)暴機(jī)器人；硬件；滅火比賽；控制策略中圖分類(lèi)號(hào)：TP399文獻(xiàn) 標(biāo)

2、識(shí)碼：AAbstract :Firstly , the significance of the development and the functions of ability storm robot are explained. Then ,the hardware control system and the principle of ability storm robot are introduced. Finally , some func 2tions of ability storm robot for the game of putting out a fire based on

3、 developing environment of J C are devel 2oped. To analyze and study the strategy of the game of putting out a fire is the emphases of this paper.K ey w ords :ability storm robot ; hardware ; game ofputting out a fire ;control strategy自從人類(lèi)創(chuàng)造了第一臺(tái)機(jī)器人以后，機(jī)器人就顯 示出它極大的生命力，在 幾十年間，機(jī)器人技術(shù)得到迅 速發(fā)展1。能力風(fēng)暴機(jī)器人（以下簡(jiǎn)稱(chēng)

4、機(jī)器人 是能夠自主運(yùn) 行的智能機(jī)器人，它有自己的 運(yùn)行環(huán)境交互式C語(yǔ)言（簡(jiǎn)稱(chēng)J C ,該語(yǔ)言具有出色的交互式功能2,3。利用這個(gè)環(huán)境，機(jī)器人可以與外界環(huán)境進(jìn)行交流，即通過(guò)這個(gè)交互式平臺(tái)實(shí)現(xiàn)人類(lèi) 賦予它的某些智能行為的 能力，如觀(guān)察、行走、避障、說(shuō)話(huà)、聽(tīng)話(huà)、跟隨 等。機(jī)器人是融合了光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、人工智能等多學(xué)科知識(shí)的 成果。開(kāi)發(fā)本機(jī)器人項(xiàng)目具有三方面的意義：它采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以從中了解并掌握光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等 學(xué)科知識(shí)；它提供強(qiáng)大的交互式C語(yǔ)言（J C ,便于學(xué)習(xí)和 進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)；它運(yùn)用開(kāi)放式接口 ，可以從各方面擴(kuò)展它的功 能，使它能夠完成多種極具挑 戰(zhàn)性的任務(wù)。本文用機(jī)器

5、人開(kāi)發(fā)滅火比賽項(xiàng)目，賦予它滅火的功能。1 機(jī)器人的硬件人們對(duì)周?chē)h(huán)境反映的主要過(guò)程是：感覺(jué)一大腦思考一作出反映4。機(jī)器人信息控制處理流程也是如此。這個(gè)信息控制處理流程的3個(gè)階段分 別由傳感器、微控制器和驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而構(gòu)成了機(jī)器人控制系統(tǒng)的三要素。 1.1 傳感器感知環(huán)境的能力是產(chǎn)生智能行為的前提。機(jī)器人有多種傳感器，可根據(jù)需要 進(jìn)一步擴(kuò)展其他傳感器，使它擁有多種感知環(huán)境的手段，再配合它的先進(jìn)大腦（微 控制器，就能在實(shí)際環(huán)境中完成一些特定任務(wù)，產(chǎn)生豐富的智能行為。1. 1. 1碰 撞傳感器碰撞傳感器是使機(jī)器人具有感知碰撞環(huán)上的碰撞信息能力的傳感器。在機(jī)器人的左前、右前、左后、右后4個(gè)方向各設(shè)

6、置一個(gè)碰撞開(kāi)關(guān)（常開(kāi)，它們與碰 撞環(huán)共同構(gòu)成了碰撞傳感器。1.1.2 紅外傳感器在機(jī)器人上，由兩只紅外發(fā)射管（970nm和一只紅外接收模塊構(gòu)成紅外傳感系 統(tǒng)。主要用于檢測(cè)前 方、左前方和右前方的障礙，檢測(cè)范圍為1080cm o 1. 1. 3 光敏傳感器機(jī)器人上有兩只光敏傳感器，可以檢測(cè)到光線(xiàn)強(qiáng)弱。光敏傳感器其實(shí)是一個(gè) 光敏電阻，它的阻值受照射在它上面的光線(xiàn)強(qiáng)弱的影響。如果改變照射在光敏電 阻上的光線(xiàn)強(qiáng)弱，可觀(guān)察到讀數(shù)值的變化。光線(xiàn)越15?能力風(fēng)暴機(jī)器人用于滅火比賽的策略開(kāi)發(fā)暗，數(shù)值越大；光線(xiàn)越強(qiáng)，數(shù)值越小。1 . 1.4 光電編碼器光電編碼器是一種能夠傳遞位置信息的傳感器 ，由光電編碼模塊和

7、碼盤(pán)組成， 靠發(fā)射與接收紅外光來(lái)工作。在能力風(fēng)暴機(jī)器人上有兩只光電編碼器，通過(guò)它們 可知道機(jī)器人行走的距離和轉(zhuǎn)彎角度 。2 .1.5 麥克風(fēng)機(jī)器人上的麥克風(fēng)（microphone是能夠識(shí)別聲強(qiáng)大小的傳感器。1.2 機(jī)器人的控制單元1.2. 1 微控制器控制器，即Motorola PLCC封裝形式的52條引 腳的方形MC68HC11A1芯片 5,6。這樣就以極少的 周邊芯片獲得了齊全的功能。68HC11是增強(qiáng)型的8位機(jī)， 有8個(gè)模擬口，5個(gè)輸入捕捉，3個(gè)PWM輸出，16位地址，8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)，串口 ,以及 4個(gè)通用I/O 口。1.2. 2 外部存儲(chǔ)器機(jī)器人擴(kuò)展了 32K B的靜態(tài)不揮發(fā)RAM ,其

8、優(yōu)點(diǎn)是既有靜態(tài)RAM的速度和 方便（70ns ,又有E 2PROM或Flash ROM的掉電不丟失性，從而能令程序和數(shù)據(jù)合 用一個(gè)芯片。AS62256寫(xiě)入的數(shù)據(jù)可保存10年以上，同時(shí)具有可靠的上電、掉電、強(qiáng)靜電等數(shù)據(jù)保護(hù)功能。1.2. 3通信機(jī)器人采用MAX232串口驅(qū)動(dòng)芯片，有2路輸入輸出，PC發(fā)過(guò)來(lái)的信號(hào)再經(jīng) 過(guò)一路輸入去驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，當(dāng)PC傳送數(shù)據(jù)給機(jī)器人時(shí)，它上面的黃色發(fā)光二 極管會(huì)閃動(dòng)。1.2. 4 復(fù)位系統(tǒng)和電源計(jì)算機(jī)有多種復(fù)位方式：上電自動(dòng)復(fù)位、外部RE 2 SET復(fù)位、看門(mén)狗復(fù)位 （軟件工作不正常時(shí)、時(shí)鐘監(jiān)視復(fù)位。機(jī)器人采用前兩種復(fù)位方式。1.3 驅(qū)動(dòng)器機(jī)器人作用于環(huán)境的驅(qū)動(dòng)

9、器有 3種：直流電機(jī)、喇叭和LCD。1.4 硬件擴(kuò)展1.4. 1滅火風(fēng)扇為使機(jī)器人具備完好的滅火能力，筆者在機(jī)器人上擴(kuò)展了滅火風(fēng)扇裝置。此 裝置用于吹滅蠟燭火焰，由支架、直流電機(jī)、扇葉、導(dǎo)線(xiàn)及螺釘?shù)冉M成，是一個(gè) 簡(jiǎn)單易用的擴(kuò)展裝置。1.4. 2火焰?zhèn)鞲衅饕M(jìn)行滅火項(xiàng)目，必須讓機(jī)器人對(duì) 火”具有敏感性。若只利用機(jī)器人上的光 敏傳感器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此又?jǐn)U展了一對(duì)火焰?zhèn)鞲衅鳎ㄟh(yuǎn)紅外火焰探頭，利用它 可以探測(cè)火源或其他一些波長(zhǎng)在 7001000nm范圍內(nèi)的熱源4。2 開(kāi)發(fā)機(jī)器人滅火比賽項(xiàng)目機(jī)器人的硬件系統(tǒng)和硬件執(zhí)行機(jī)構(gòu)決定機(jī)器人的極限潛能，。開(kāi)發(fā)機(jī)器人用的是基于C語(yǔ)言（J C。:有4個(gè)形狀、大小一樣

10、的房間一讓機(jī)器人像消防隊(duì)員一 樣，自己能找到火源（蠟燭并完成一系列滅火動(dòng)作。這個(gè)比賽項(xiàng)目由3部分組成，即避障、找火、滅 火。2. 1. 1'避障”機(jī)器人在行走過(guò)程中必須能避開(kāi)障礙物，所以在考慮 彳亍走”時(shí)必須分兩種情 況：正常行走（無(wú)障礙物和避障行走（有障礙物。對(duì)于第一種情況，可以調(diào)用drive （int trans ,int rot函數(shù)。為了避免左右輪的速度 偏差,也可調(diào)用driveb （int trans ,int rot函數(shù)，必要時(shí) 配合sleep （float i函數(shù)。通過(guò)取用不同的trans值、rot值和i值, 來(lái)確定行走方向和速度。當(dāng)遇到第二種情 況時(shí)，利用紅外傳感器來(lái)檢測(cè)

11、前方 1080cm距離內(nèi)的障礙物，再結(jié)合碰撞傳感系統(tǒng)，就可以較好地避開(kāi)障 礙物。碰 撞環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)，調(diào)用庫(kù)函數(shù)bumper （;紅外線(xiàn)傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，調(diào)用庫(kù)函數(shù)ir -detect （來(lái)檢測(cè)障礙，調(diào)用一次，紅外探測(cè)系統(tǒng)就開(kāi)啟一次2. 1.2'找火為了找到火源，必須有探測(cè)火源的裝置。筆者選用火焰?zhèn)鞲衅鳎ɑ鹧嫣筋^在尋找火源時(shí)，可以不用光敏傳感器，而在機(jī)器人的左前、右前、左后、右后4 個(gè)方向各裝上一個(gè)火焰探頭，以提高探火效率。其中前 方的火焰探頭裝在原來(lái)光 敏傳感器的位置，后方的探 頭通過(guò)擴(kuò)展，即在PE6、PE7 口分別擴(kuò)展了右后方和左 后方的火焰探頭。找火”分成3部分：一是確定機(jī)器人感應(yīng)到火

12、”時(shí)的光強(qiáng)臨 界值，包括感覺(jué)到或找到火 光的臨界值和機(jī)器人處在合適滅火位置的臨界值；二是收集探測(cè)數(shù)據(jù)，包括碰撞檢測(cè)數(shù)據(jù)和光強(qiáng)檢測(cè)數(shù)據(jù)；三是對(duì)收集的數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)值 進(jìn)行比較，從而控制機(jī)器人的找火行為和滅火行為。在進(jìn)行項(xiàng)目之前，必須根據(jù)實(shí)地情況確定3個(gè)光強(qiáng)臨界值：即感應(yīng)到或找到火 光的臨界值、機(jī)器人處在 合適滅火位置的臨界值和 無(wú)火”蠟燭熄滅 的臨界 值。對(duì)這3個(gè)值,可以先編制一個(gè)簡(jiǎn)單的光強(qiáng)檢測(cè)程 序,在不同環(huán)境下取多次測(cè) 量的平均值來(lái)確定?；鶞?zhǔn)值的合適與否將最終決定整個(gè)找火”過(guò)程乃至 灰火”過(guò)程的成敗。因此，對(duì)這3個(gè)數(shù)據(jù)必須進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)量。為得到在不同外界環(huán)境下 的臨界值，測(cè)量了白天（分關(guān)25?測(cè)控

13、技術(shù)2003年第22卷第6期窗和不關(guān)窗兩種情況和晚上（分關(guān)燈和不關(guān)燈兩種情況時(shí)的臨界值。測(cè)量步驟如下：在房間內(nèi)合適的位置點(diǎn)燃蠟燭，下載并運(yùn)行光 強(qiáng)檢測(cè)程序;把機(jī)器人放在剛好使蠟燭光強(qiáng)數(shù)據(jù)與蠟燭周邊其他光強(qiáng)數(shù)據(jù)形成區(qū)別的位置；觀(guān)察火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測(cè)值,并將這些值不斷地 記錄下來(lái),記完后熄滅蠟燭, 并停止運(yùn)行程序(注意控制蠟燭的高度，高度也會(huì)影響測(cè)量值的大?。粚y(cè)得的值進(jìn)行平均,光”的臨界值;(如離蠟燭10cm ,重復(fù)步驟能夠滅火”的臨界值;熄滅蠟燭后,再運(yùn)行 檢測(cè)程序,按照步驟以確定無(wú)火”臨界值。通過(guò)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)前方左右兩個(gè)探頭在同一位置相 同光強(qiáng)下，左邊返回值一般比 右邊大。所以,對(duì)于 戰(zhàn)火“臨界

14、值和滅火”臨界值必須分別確定左右兩個(gè)值 才 行。對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)的收集，可利用左前、右前、左后、右后的4個(gè)火焰探頭探測(cè) 并通過(guò)調(diào)用庫(kù)函數(shù) analog (0、analog (1、analog (6、analog (7來(lái)獲得這4個(gè)方向 的火光測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)函數(shù)返回值的變化來(lái)判斷紅外光線(xiàn)的強(qiáng)弱和火源的遠(yuǎn)近， 從而控制機(jī)器人的 找火”行為?？刂品椒ú襟E如下：在前方的探測(cè)值都小于戰(zhàn)火”臨界值，但兩個(gè)值之差的絕對(duì)值大于10(暫 時(shí)確定10的情況下，若左邊探測(cè)值大，則向右轉(zhuǎn)一定角度(初步確定轉(zhuǎn)15左右， 調(diào)用drive (0,60和sleep (0. 05，里面的函數(shù)值根 據(jù)不同地面而作相應(yīng)調(diào)整；反之， 則向左

15、轉(zhuǎn)一定角度。當(dāng)后方的任何一個(gè)火焰探頭探測(cè)值小于找火”臨界值時(shí)， 則向后轉(zhuǎn)，然后再根據(jù)前方探頭的探測(cè)值決定是左 轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)。如果前方火焰探頭的探測(cè)值都小于找火”臨界值,并且前方兩個(gè)探測(cè)值之差的絕對(duì)值小于10,則向前方緩慢行走。如果前方兩個(gè)探測(cè)值都小于火火”臨界值,那么機(jī)器人停止 行走”。(4如果后方火焰探頭的探測(cè)值小于灰火”臨界值,則機(jī)器人向后轉(zhuǎn),再根據(jù)步驟的方法為機(jī)器人定位。2.1. 3 次火”在機(jī)器人能很好地行走”、找火"之后，要解決的 問(wèn)題就是怎樣去 滅火”了。要想滅火，就得采用合適 的滅火方法。滅火方法有很多種，可以噴水或用化學(xué) 物質(zhì)滅火，也可以用風(fēng)扇來(lái) 滅火。由于風(fēng)扇在使用上

16、 比水和化學(xué)物質(zhì)更方便，因此，采用風(fēng)扇裝置滅火。在 硬件部分已經(jīng)擴(kuò)展了該裝置，通過(guò)調(diào)用dcmotor3(1和dcmotor3(0函數(shù),就可以控制 滅火裝置的開(kāi)和關(guān)。在找火”過(guò)程中，完成了機(jī)器人滅火的合適定位。當(dāng)前方 火焰探頭或者后方火焰探頭檢測(cè)的數(shù)據(jù)都近似于滅火定位的基準(zhǔn)值時(shí)，調(diào)用(1函 數(shù)，開(kāi)啟滅火裝置。一邊開(kāi)風(fēng)扇，,調(diào)用dc 2 , o,。機(jī)器人在四室一廳的房間中，遇到不同環(huán)境時(shí)能走出合適的路徑(也就是 如何控制轉(zhuǎn)向 問(wèn)題。所以在項(xiàng)目實(shí)施時(shí),必須認(rèn)真考慮drive (和sleep (函數(shù)的參 數(shù)設(shè)置問(wèn)題。本項(xiàng)目以多進(jìn)程來(lái)實(shí) 施，具體實(shí)施時(shí)進(jìn)程問(wèn)是同步并行的，但有些資 源不允 許同時(shí)使用，所

17、以進(jìn)程間還是有優(yōu)先級(jí)的。優(yōu)先級(jí)由 高到低為：避障、滅 火、找火、路徑規(guī)劃。只有這樣，才能保證機(jī)器人找到火源并把火熄滅。2. 2 軟件開(kāi)發(fā)鑒于 灰火項(xiàng)目”的復(fù)雜性，實(shí)施 滅火”的關(guān)鍵點(diǎn) 往往交叉存在，充分利用J C開(kāi)發(fā)環(huán)境的多任務(wù)和庫(kù)函 數(shù)齊全的特點(diǎn)，采用多進(jìn)程編程方法?，F(xiàn)給出主模塊 程序:void main ( /3 主函數(shù) 3/ int -motors (;start -process (sensing (,1 ; /3 環(huán)境檢測(cè)模塊 3/start -process (run (,1 ; /3 電機(jī)運(yùn)行模塊 3/start -process (avoid (,1 ;start -proce

18、ss (escape (,1 ; /3 碰撞避障模塊 3/start -process (fireseek (,1 ; /3 找火模塊 3/start -process (fight (,1 ;start -process (ctrl -drive ( ;/3行走速度控制模塊 3/3碰撞避障模塊3/int escape -trans ,escape -rot ;int escape -flag ;void escape (while (1if (bmp =0b0011 escape -flag =1;/3 激活避障行為 3/escape -trans =-70;escape -rot =0;s

19、leep (0. 1 ;/3后退一定距離3/escape -trans =0;escape -rot =803direction ; /3 隨機(jī)轉(zhuǎn)向 3/ sleep (0. 1 ;else if (bmp =0b0010 escape -flag =1;escape -trans =0;? 35?能力風(fēng)暴機(jī)器人用于滅火比賽的策略開(kāi)發(fā)escape -rot =-80; /3 右轉(zhuǎn) 3/ sleep (0. 1 ;else if (bmp =0b0001/3 右前方碰撞 3/ escape -flag =1;escape -trans =0;escape -rot =80; /3 左轉(zhuǎn)一定角度

20、3/sleep (0. 1 ;else if (bmp =0b1100/3 后方碰撞 3/ escape -flag =1;escape -trans =80;escape -rot =0;sleep (0. ; 33/escape -0escape -rot =3; /3 隨機(jī)轉(zhuǎn)一定角度 3/ sleep (0. 1 ;elseescape -flag =0;3 調(diào)試運(yùn)行筆者按照滅火比賽規(guī)則規(guī)定的場(chǎng)地制作一個(gè)模擬賽場(chǎng)，將編好的應(yīng)用程序下載到機(jī)器人上。調(diào)試過(guò)程和步驟如下：按照比賽規(guī)定，在場(chǎng)地的任一 房間”里放置一根足夠高的蠟燭，并點(diǎn)燃；掌握好當(dāng)時(shí)環(huán)境的三個(gè)臨界值”置機(jī)器人于 賽場(chǎng)指定的位置；按

21、下機(jī)器人的 運(yùn)行”鍵，觀(guān)察機(jī)器人的行走路 徑及其反應(yīng)能力。通過(guò)調(diào)試,滅火效率較高，智能性較好，4,擴(kuò)展硬件選擇適當(dāng)與否直，必須認(rèn)真考慮。比如，滅火比賽項(xiàng)目必須使用火 焰?zhèn)鞲衅鞫皇枪饷魝鞲衅?。通過(guò)開(kāi)發(fā)滅火比賽項(xiàng)目，并進(jìn)行模擬實(shí)際比賽 環(huán) 境的調(diào)試，能夠較好地完成任務(wù)，使機(jī)器人具備了較 強(qiáng)的智能性。開(kāi)發(fā)的機(jī)器人還存在性能不穩(wěn)定的問(wèn)題 ，即通用性不夠強(qiáng)。在某個(gè)環(huán)境開(kāi) 發(fā)的項(xiàng)目程序不能在別處 不同的環(huán)境下直接讓機(jī)器人完成任務(wù)，而必須重新檢測(cè), 確定某些參考值，再進(jìn)行相關(guān)調(diào)試才能達(dá)到目的。參考文獻(xiàn)：1王信義.機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)M .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994. 2廣 茂達(dá)公司.能力風(fēng)暴個(gè)人機(jī)器人操

22、作手冊(cè)Z.2001.3廣茂達(dá)公司.J C使用手冊(cè)Z.2001.4王化祥，張淑英.傳感器原理及應(yīng)用M .天津：天津大學(xué)出版社，2002.5邵貝貝，程建平.微控制器開(kāi)發(fā)技術(shù)M .北京：清華大學(xué)出版社.6Motorola. 82bit MCU applications manualZ.1996.威達(dá)電精進(jìn)創(chuàng)新SA GP 2648展翅翱翔威達(dá)電于日前針對(duì)市場(chǎng)的需求，以及為破除PICM G長(zhǎng)久以來(lái) 的限制，開(kāi) 發(fā)出新一代的PIA GP系列產(chǎn)品,透過(guò)主板上的A GP接口金手指，將A GP總線(xiàn)信 號(hào)轉(zhuǎn)換至背板上,讓背板可提供一組A GP （8X Max =2132MB/s擴(kuò)充槽,如此不必 再遷就PCI頻寬的

23、慢速限 制（Max =133MB/s ,引領(lǐng)工業(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)入高速影音多媒 體的時(shí)代。在主板部分推出SA GP 2815EV跟SA GP 2845EV后，因?yàn)槠鋬r(jià) 格與效益比， 市場(chǎng)反應(yīng)相當(dāng)良好，像韓國(guó)體鐵道局及日立計(jì)測(cè)等單 位都相繼導(dǎo)入。由于各界熱烈的支持，威達(dá)電又新推出PIA GP主版第三款成 員“ SA GP 2648E SA GP 2648E 支持 Intel P4/Celeron CPU 及 Hyper 2 Threading 技術(shù),外頻 最高可達(dá)533MHz ,采用SiS963/648芯片組,兼顧價(jià)格、彈性與效能。SA GP 2648E支持到最新的A GP 8X規(guī)格，可達(dá)2. 1G B/s的數(shù)據(jù)傳輸速度，兼容各式的高 速A GP顯示卡，同時(shí)，威達(dá)電也特別研發(fā)并推出 AV G A 2X400顯示卡來(lái)與SA GP 2648E做完美的搭配。 AV G A 2X400 采用 SiS Xabre400+SiS 301 芯片，支持 A GP 8X數(shù)據(jù)傳輸