亚太机器人大赛冠军技术解读

托马斯小火车

前段时间，亚太机器人大赛（Robocon）的冠军队东北大学火了，这也是我的母校，所以我还是非常骄傲的。视频我也看到了，不得不说，确实很厉害。
Robocon比赛我读研那时候就听说过，不过我那时候不怎么关注。我是从去年开始看的，去年比赛的主题是机器人打羽毛球，当时看了很震撼。之后我就关注了几个有关的微博，正好前段时间今年的比赛开始了，我就一场一场基本上全都看了。今年的主题和去年不一样，今年的主题是什么清洁能源，总之就是个套话，扯淡的。说白了，就是两个机器人，一个在桥上，一个在地上，地上的先跑，驱动桥上的跑，跑的过程中，要保证桥上的机器人不掉下来，然后到达风力发电机下面，其实就是一个柱子，桥上的机器人带着一个风力螺旋桨，之后地上的机器人拿到桥上机器人的螺旋桨，爬上柱子，把风力螺旋桨扣到柱子顶端，这样比赛就算完成。其实比的就是速度和准度，首先要保证在机器人能够准确平稳的到达柱子上，然后就是看谁更快。文笔不好，也描述不太清楚，来段视频，大家一看就明白。
http://v.youku.com/v_show/id_XMT ... tml?from=s1.8-1-1.2
同样身为搞控制的，还是我的母校，我对他们的技术也非常感兴趣，所以我就研究了一下他们的技术，但毕竟个人水平有限，我也只能看出个大概，车的机械机构很复杂，很多地方我也看不明白。所以我就简单的谈一谈个人的理解。

首先是大车，上面这个是大车的照片，从网上截图下来的，不太清晰。大车在下面跑时路线是固定好的，这就要求他们的定位必须非常精准。定位系统没有装在外面的三个大轮子上，如果我没猜错的话，定位系统应该装在大车的底座的中间。至于外面的三个大轮子，这个我在淘宝看到过，叫做全向轮，每个轮子上面安装了数个可以横向移动的小轮子，这样就可以保证车不仅能前后移动，也可以左右移动，保证了车的灵活性。大车上的几个塑料瓶是气动装置，用气动装置可以保证他们的速度更快。这个我没有尝试过，不过好多大赛在比速度的时候都是用的气动装置，理论上来说应该比电机要快。大车前面有一个能吹风的装置，这个装置叫什么我不知道，这个装置能感受到小车的位置，并对着它吹风，这样就可以提供小车的动力。至于它是如何感受到小车的位置的，我认为可能是靠红外线，也可能是靠摄像头，也可能是靠激光，但小车前面有两个大灯，特别亮，所以我感觉应该是摄像头。至于大车中间的横梁，是爬柱子的时候用的，大车前面有一个像夹子一样的东西，当大车小车交接的时候，这个夹子把螺旋桨夹住，然后大车抱住柱子，向上一冲，这样就能螺旋桨扣在柱子上面。至于说大车是怎么冲上去的，这个我认为主要是机械结构的设计问题，最开始应该有一个冲压，给大车一个向上的力，但这样并不能让大车继续向上并且停住，所以我感觉大车上肯定还有电机。这个电机是提供大车继续向上的动力装置，这样大车才能保证继续向上直到停在上面把螺旋桨扣在柱子上。
至于小车，小车的上面是一个帆，大车时刻识别小车的位置，向小车吹风，这样小车就能被吹着前进。桥是各种颜色合成的，但中间是一道白线，所以小车上有一个激光寻白线的传感器，这样小车就能保证沿着白线走，不掉下去。
毕竟没有亲眼看过实物，所以我也只能分析出这样一个大概，今天我打算重点剖析一下东大这次比赛的定位技术。过段时间我也需要用到定位技术，所以想提前学习一下。正好我看到他们在淘宝上出售自己的定位系统，所以我就买了一个，上图。

这个就是东大的定位系统，在比赛的时候，这个定位系统应该是放在了大车的中间。定位系统，说白了就是用陀螺仪和编码器来确定当前位置和角度，但它这个明显是把陀螺仪和编码器集成到了一起，做出了这样一个定位系统。不得不说，这样一来，一方面可以把它做成产品，再一方面，以后比赛的时候，可以直接把它放在车上使用。
下面我一步一步来解读一下这个定位集成系统。

首先是这两个轮子，这是我把它倒过来时候的样子，这个轮子和大赛时候外面的主动轮是一样，都是全向轮，这样能保证它能以任何角度行走，现在这种全向轮的应用范围已经越来越广。
这两个轮子本身没什么好说的，重点在于轮子上的编码器，大家看下面的图，这两个印着标志的东西里面就是编码器。

这个编码器和我印象中的是不太一样的，我原来见过的编码器基本上都是安装在主动轮上的，而这个定位系统上面并没有驱动装置，这上面的两个轮子全部都是从动轮，也就是说，这个定位系统的编码器并不是安装在主动轮上面的，而是安装在从动轮上面的。这倒是一个很创新的地方。当时我买的时候就问过客服，客服说这是他们的一大优势，当时我认为它们做成产品向外销售的话，只能采取这种方式，毕竟这是一个产品的话，只能跟着我的东西跑，不能让它主动跑，所以不得已做成从动轮的。
后来看了一下说明，感觉做成从动轮也是有道理的，毕竟如果是主动轮刹车的话难免会由于惯性而有打滑现象，而编码器的原理是只要轮子转，编码器就会计数，所以这样就会造成误差，而在从动轮上加上编码器，确实可以很好的解决这个问题。
至于编码器的原理，这里我就不详谈了，总之它是一个可以数出轮子转的圈数的芯片。这样的话，我们知道了轮子转了多少圈，我们还知道轮子的周长，又可以通过陀螺仪来判断现在和起始位置差了多少角度，就可以推算出此刻车的位置。
拿这个定位系统来看，这个定位系统的两个轮子是正交的，假定一个轮子的方向设定为X轴，另一个轮子的方向设定为Y轴，这样我们就可以通过编码器确定车在X轴上走了多少距离，车在Y轴上走了多少距离，而陀螺仪可以知道此刻车离平面起始的正中心转过了多少角度，这样一来我们就可以知道车的位置。
而这个定位系统正上方的芯片就是陀螺仪，磁力计，加速度计的集成芯片。每个传感器都有X，Y，Z三个轴。这个东西很复杂，具体的原理以及制作方法我也不知道，我只知道它可以通过感应地球磁场，时刻检测车的角速度，再通过积分，变成角度。
集成芯片的下面是一个电路板，这个电路板把陀螺仪和编码器连接起来，上面有四个引脚，分别是电源，地，输入和输出。输入输出接一个串口，这样就可以输出数据了。这个电路板的功能是把陀螺仪和编码器的信号转化成数字信号，之后输出。
这边是悬挂装置，如图，类似于一个减震装置，这个设计算是一个机械的范畴。悬挂装置能够保证在凹凸不平的地面上从动轮时刻与地面接触，这样就不会因为地面不平而造成轮子悬空，从而导致定位不精确。

基本上这个定位系统就是由这几部分组成，本人能力有限，只能解读到这个地步，至于说里面的电路板和定位系统的程序，就不得而知了，不过对于我而言，收益还是很大的。可以说，这个定位系统是很成功的，不愧是亚太机器人大赛的冠军队。
至于东大机器人的其他部分，我也没有具体研究过，所以只能说个大概。不过现在我做的就是机器人有关的项目，很多东西早晚用得上。等有机会回自己的母校看看，拜访一下这个传说中的action团队，学习一下他们的技术，到时把了解到的其他方面再更新出来。
希望这篇帖子能够给大家提供一些帮助。

cyberkyg

mark        

ztxfhl

看了一下视频,应该说两个学校的硬件技术软件技术不相上下,而东北大学策略上胜一筹.
两个学校的B机器人总运动时间（即速度）差不多，只不过东北大学的B机器人先电子大学启动几秒。
东北大学B机器人先启动的原因是：B机器人启动前受风板（风帆）不是垂直跑道线的，有一定的倾角；而电子大学的受风板是与跑道线垂直的。

艾克申机器人

机器人大赛奖项具有很高的含金量，目前多数队伍采用全自动方案，自主定位导航，自主避障，基本摆脱了以往对操作手高度的依赖性。今年清洁能源主题也是在世界环境污染严重，治理难的背景下产生的，这也说明机器人技术可以为很多领域提供创新动力。今年大赛涉及的技术颇多，各个院校如八仙过海各显神通，基于陀螺仪编码器原理的定位技术，基于激光雷达的导航技术，视觉识别技术，超声以及红外探测技术，这些共同构成机器人感知系统，另一方面从机器人走行控制方面，以直流伺服电机控制为基础，路径规划为核心的方案已经被运用的相当成熟，又稳又快成为很多队伍必杀绝技。在执行机构上，气动装置的作用也达到了顶峰，甚至已经将气动控制系统单独设立为独立子系统。如果我们回头看零几年的比赛，我们会发现robocon的发展是迅速的，基础技术的发展以及零部件性能的提高也为大赛提供了很好的基础。个人认为，未来robocon会朝着更加开放的方向发展，沟通共享才能真正促进机器人行业发展，为社会创造更多生产力源泉。相互学习，取长补短，那么目前俄的强者恒强的格局势必被打破，未来五年会诞生新一批强队，robocon队伍也会更加壮大。

艾克申机器人

ztxfhl 发表于 2016-7-10 00:39
看了一下视频,应该说两个学校的硬件技术软件技术不相上下,而东北大学策略上胜一筹.
两个学校的B机器人总运 ...

风帆角度设计确实一定程度上加快了前半程的速度

lvyi913

不错，请问地上的机器人与桥上的机器人之前有什么关系？

托马斯小火车

lvyi913 发表于 2016-7-10 10:10
不错，请问地上的机器人与桥上的机器人之前有什么关系？

地上的机器人给桥上的机器人提供动力，地上的机器人通过涵道向桥上的机器人吹风，桥上的机器人后面有一个风帆，被吹到就会向前跑。

sandeant

请问楼主，这种全向轮在哪儿有买？谢谢

托马斯小火车

sandeant 发表于 2016-7-10 11:35
请问楼主，这种全向轮在哪儿有买？谢谢

我当时买的是定位系统，全向轮里面带着了，没买单独的全方位轮。

sandeant

他的淘宝店在哪儿？谢谢

托马斯小火车

sandeant 发表于 2016-7-10 11:52
他的淘宝店在哪儿？谢谢

http://ewqcxz.com/h.Z6N8rt?cv=AAGYMBsE&sm=3c2576
这个就是，或者在淘宝上打全方位平面定位系统也可以。

lvyi913

托马斯小火车 发表于 2016-7-10 10:29
地上的机器人给桥上的机器人提供动力，地上的机器人通过涵道向桥上的机器人吹风，桥上的机器人后面有一个 ...

哇塞，那确实有技术含量

托马斯小火车

lvyi913 发表于 2016-7-10 15:49
哇塞，那确实有技术含量

嗯，继续学习中。

托马斯小火车

昨天尝试了一下从定位系统上接收数据，在这里谈谈我接收数据时候的体会。我把定位系统接在小车上，里面用的是stm32的板子，接上电源，地，串口。输出的先是一个自定义的头，我接收时用的是0x0d，0x0a，中间的24个字节是数据，分别为三轴角度值，两个坐标值，和一个角速度值。数据转化时我用的头是0x0a，0x0d，就像下图这样接收。


这是我写的接收程序，里面的pos_x，pos_y，xangle，yangle，zangle，w_z分别表示X轴坐标，Y轴坐标，空间中X轴上角度，Y轴上角度，Z轴上角度和角速度值。之后我验证了一下测出的位置和角度，很准确。后来我又把小车放在斜面上测了一下，也很准确。看来没白买，挺好用的。希望能给大家带来些帮助。接下来我会做些别的测试，到时候我会再更新出来。

quner

直接贴代码，贴图片几个意思

y1z2f4

mark，学习中。。。。。

艾克申机器人

这个模块配合激光雷达能够快速demo出Slam原型，对于很多项目非常适合。