2013年RobonAUT机器人建造大赛及IFAC研讨会控制教育进展

2013年8月28日至30日，国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会控制教育进展。英国谢菲尔德2013年RobonAUT机器人建造大赛Tam“asG”aborKISSL“aszl”oCsabaBURKODIP“eterKARKUSD”anielVARGAIstv“anVAJK†布达佩斯技术与经济大学电气工程与信息学院自动化与应用信息学系，Mag yarTud'osokküoru'tja2.，匈牙利布达佩斯电子邮件：Kiss.Tamas@aut.bme.hu电子邮件：Burkodi.Laszlo@aut.bme.hu电子邮件：Karkus. aut.bme.hu电子邮件：Varga. aut.bme.hu†电子邮件：Vajk. aut.bme.hu摘要：本文介绍了机器人建造比赛称为RobonAUT，其中三个团队必须设计和相互竞争使用他们的机器人。在比赛过程中，学生可以学习如何做一个自主移动机器人的机械，电子和编程。比赛在两个场地进行。第一个是机器人必须在不到五分钟的时间内完成特定阶段的比赛。在第二个领域的速度是必不可少的，单位必须加快得分。他们必须用传感器系统检测不同的障碍物，这些传感器系统连接到某种类型的机器人套件。2013年，该领域遇到了更困难的障碍，例如完成，这是一个水平表面，但现在它是一个斜坡，机器人必须停下来。避障是指物体的一面为绳状，另一面为光滑的障碍物，机器人需要检测到障碍物上的图案关键词：自主移动机器人，机器人学，机器人控制，教育，基于微机的系统，自主控制1. 介绍RobonAUT是一个机器人建造比赛，拥有自主机器人的团队可以参加。 自2010年以来，该活动由布达佩斯技术经济大学自动化和应用信息学参加比赛的团队通常由3名学生组成，但2人团队也可以申请。比赛可以连接到一个名为机器人控制架构的课程比赛的主要目标是让学生在课程的理论材料之外获得经验。参与是完全可选的，但非常建议，因为这里收集的除此之外，得分超过一定水平的团队可以将其兑换为奖品。还有其他机器人比赛，比如RoboCup。比赛的组织过程如下：(1) 在学期的第一周，学生们必须组成自己的团队并申请参加比赛，与此同时，比赛的规则也将公布。(2) 每年最基本的任务是能够遵循路线，因为这个导航问题很容易解决，而且学生也必须参加他们的学习。(3) 其他一些子任务包括：(a) 避障(b) 停车(c) 壁面跟踪(d) 等(4) 完成这些步骤后，团队可以使用以下项目：(a) 机器人平台(b) ARM微控制器套件(c) MEMS单元（蓝牙、陀螺仪、加速度计）(d) 财政支持在这之后，真正的乐趣才开始。这项任务对团队来说具有多种挑战性。他们必须根据规则使用平台来制作机器人的机械。接下来，他们必须设计电子系统。在这里，他们必须能够估计他们需要什么类型的传感器来完成任务，将这些部件连接到微控制器套件。团队通常需要两到三张卡片来实现这一点。最后他们必须制作和测试机器人的软件。去年，该部门为参加比赛的学生举办了为期两天的速成班，在那里他们可以熟悉硬件设计和套件编程。这对大多数球队来说都很重要。2013年，机械工程师首次参加© IFAC 186 10.3182/20130828-3-UK-2039.00072第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲187在比赛中，他们使用了以前部门不知道的力学解决方案。团队成员必须适当地分配彼此之间的任务，这意味着他们的额外任务。在剩下的时间里，他们可以并行地进行机械、编程和硬件设计。参赛的要求是合格并完成所有任务。这种资格认证方法于2012年首次举行，其意义在于让团队注意到设计中的错误并加以纠正。该活动在考试结束时举行球队被分为两个班，一个是初级班，那里是那些还没有参加过的球队，一个是高级班，那里是老将队。那些有兴趣参加机器人比赛的学生这是一个全国性的比赛，自1998年以来每年举行一次，欢迎来自欧洲国家的团队参加。这是一个更严肃的比赛，电气工程师与机电一体化工程师和机电一体化 工 程 师 一 起 工 作 实 际 的 Eurobot 团 队 被 称 为Robute，它在2007年首次参加比赛，从那时起每年都参加比赛（Kiss et al.2008年）。我们的团队正在稳步发展，它已经有15名成员，并在2011年的比赛中 表 现 非 常 出 色 ， 在 41 个 比 赛 中 获 得 第 13 名（Varga等人。2. 规范考虑到早期的比赛，该部门得出结论，这将是实际的，使两个领域，因为团队优化他们的机器人做子任务缓慢，因为游客的兴奋没有实现。因此，在2013年，制造了一个不包含速度部件的领域。在这里，团队可以专注于在五分钟的时间窗口内完成任务。一个专门的领域，以速度也作出了，在那里的球队可以得分在一级方程式1式的方式。评分系统见表1。2.1 比赛规则机器人必须完成两个领域，一个是团队在完成任务时得分的领域，另一个是速度至关重要的领域。第一个场地上的障碍物的属性是已知的，但它们的位置是未知的。这个字段是一个类似于开始-结束的构造。第二个领域的外观是已知的。这个字段由一个封闭的黑线循环，如图所示二、机器人最重要的任务是沿着黑线走。为了帮助机器人穿过场地，在线路附近设置了额外的墙壁。有时只能从墙的位置该轨道的元素在图中列出2比9这些字段被划分为多个阶段，并由检查点包围检查点由垂直于主要黑线的白色条纹表示检查点事件（第一个字段）评分事件（第二字段）评分变道+4完成一圈+5生产线清场+4速度加成避障+6一线队+25平行停车+10二队+18整理+6三队+15更换-2四队+12观众奖金五队+10首位+3六队+8二名+2七行动小组+6三名+1个八队+4九小队+2第十队+1个表1. 评分团队必须制造自主机器人，从他们的机器人上分离所有无线通信形式，例如蓝牙模块，他们用于测试该单元。比赛期间禁止交流。图1.一、第二个字段：这是第二个字段的顶视图正如人们所看到的，这是一个闭环，除了速度部分之外没有任务，速度部分被标记为黄色项目。机器人可以从起点或之前开始比赛的这一部分。在机器人通过之后就能通过在一个检查点被清除后，球队得分。如有必要，团队可以更换机器人如果机器人偏离主线或撞上一个障碍。在这种情况下，团队中的一名成员可以替换该单元。机器人可以在下一个和最后一个检查点之间更换，因为这样团队就不能重新启动车辆，他们可以跳过他们无法完成的阶段。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲188图二.障碍物：障碍物是一个长方体为基础的对象，其中一方是绳索，其他是顺利的。机器人必须转向绳索一侧，因为另一条路通向环形交叉路口。在一轮比赛中，每支球队都有5次机会更换他们的机器人，但每一次之后他们都会得到负分。如果机器人撞上了可移动的场地障碍物并移动了它，那么根据位移的程度，裁判可以命令更换。在这种情况下，裁判将障碍物放回原处，一名队员 替 换 机 器 人 。 在 这 个 负 分 被 团 队 拿 走 之 后（RobonAUT 2013）。2.2 字段规范第一场比赛使用的障碍物是：(1) 连接舞台的线。(2) 开始：开始阶段由一条规则的黑线和两条平行于第一条线的条纹组成。机器人必须放在两条线之间。(3) 激光门：这是感应到机器人经过的两个单元之一。这个单元直接连接到为计算机服务的系统。(4) 激光扫描仪：该装置放置在第二场的正门，该装置直接连接到计算机。(5) 闪烁器：这是一个使用RGB LED构建的分数表，它直接连接到总线。(6) 连接：连接导致机器人回到障碍，转向错误的方式。2.3 野外采集设备负责现场监测的电子系统是由我部设计和建造该系统由多个子系统组成。在第一个领域有检查站，可以感觉到机器人的存在，并且有一个单一的主单元来命令这些单元。此外，它还将总线和个人计算机之间的桥梁表示为它将来自用户的命令转换成差分信号。可以在战场上设置额外的检查站，最多三十二个，但我们只需要六个。这些检查点可以通过驻留在计算机上的客户端进行控制图三.线清除：在这个阶段，原来的线消失，而出现一堵墙。这面墙被打破，机器人必须使用墙和单元之间的距离作为其控制器的输入数据。见图4。换道：在这里，机器人必须找到一条与原始线平行的线，这条线在那里结束。靠近原始线的一堵墙标志着这个阶段。图五.平行停车：在这个阶段，机器人必须完成汽车平行停车的经典问题。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲189见图6。完成：这个阶段包括一个陡峭的斜坡，机器人必须停在与原始线平行的线上方。在第二阶段，组织者没有使用那么多阶段。其中只有三个被使用。见图7。速度段开始：这是第二场速度段的开始。见图8。速度段结束：这是第二场速度阶段的结束。在第二个领域有一个激光扫描仪是从德国Leutze公司购买的。它的LSB是2 mm，我们称之为一个单位。它直接连接到计算机，由用户通过客户端进行控制。我们想让这部分多余的，因为它是重要的是能够得到信号，如果一个机器人通过，即使一个见图9。第二场主门：这是放置激光扫描器和激光门的门。在大门的顶部也可以看到闪光灯。单元停止应答。因此，在常规检查站之外设计了额外的激光门。该子系统由调制电路和接收电路两部分组成.它们并不直接相连，因为机器人必须穿过它们。理想情况下，用户在机器人通过大门后会收到两条消息。他或她可以选择合适的时机。3. 结果有第四届RobonAUT比赛由该部门举行。在这期间，我们经历了很多。百分之八十的球队通过了资格赛，百分之六十五的球队能够越过最低分数限制。这是由于团队的调度问题，因为他们无法充分测试他们的机器人。因此，组织者制定了一个推荐的时间表，这可以帮助球队。场地的照明被证明是球队的一个问题。大多数团队在封闭的空间中测试他们的机器人，唯一的光源来自上方。在奥拉举行的比赛中，自然光照亮了机器人，这是天气的作用。直线检测主要通过在机器人上应用红外传感器来实现如果比较水平是静态的或不够鲁棒，则线的检测被证明是一个问题。一些团队使用自适应方法来纠正这个问题。团队使用了两种类型的距离传感器。其中一种使用基于超声波的定位，另一种使用红外光来获得距离数据。在这里，团队必须决定使用哪种传感器，因为超声波传感器往往比红外传感器便宜，但后者测量距离更好。对于团队来说，找到合适的机械，电子和编程第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲190任务有不止一个团队重建了非常好的平台，他们的设计也非常好，但他们的最终得分很低，因为缺乏时间来编程和测试他们的单元。有一个团队使用乐高积木来制作汽车的前部，因此在第一次碰撞中，汽车无法使用。2010年举行的第一届比赛的场地大约有五六平方米大。今年的比赛在电气工程师主楼的奥拉举行，鉴于这一点和参观人数，下一在欧拉中，除了负责直线跟踪的控制之外，机器人还需要速度反馈。4. 经验参加比赛的队伍有许多聪明的想法。从机器人的电子方面来看，有一些有趣的结构。基本上每个任务都可以只用一个微控制器完成，但也有团队使用多个控制器。其中一人用它用于信号处理，还有一个团队用它来促进设计和播放录制的音乐。早些年，有一个团队使用FPGA进行信号处理，使用微控制器套件实现通信。基本上每个团队都有一个电机控制器到他们的平台 ， 但 一 些 团 队 设 计 了 他 们 自 己 的 （ Soml'o 等1997）。对于线路检测，90%的团队使用了相同类型的传感器，但使用这个单元的硬件是不同的。这一点很重要，因为如果机器人在场地上跑得很快，主要是在第二场地上，那么它可能会离开线，在这种情况下，传感器卡的构造是关键。如果机器人上有两条传感器线，那么可以在它们上面 安 装 一 条 线 ， 并 可 以 估 计 这 部 分 场 的 性 质（Canny 1988）。团队实施的机械解决方案差异很大。机电工程师团队还能顺利完成，其他人却吃了大亏。传感器必须紧密放置才能正常工作这个结构必须是坚固的，因为在测试的早期阶段，与附近结构的碰撞发生了。在碰撞过程中，不太健壮的解决方案会被破坏，因此团队会致力于构建更健壮的解决方案。在软件系统中出现了不同的解决方案大多数团队使用C语言，但有一个团队使用C++。在规划阶段对操作系统的使用进行了权衡。为了使编程更容易，设计了团队使用LED进行调试或使用终端软件与机器人进行通信有些人甚至用.NET C Sharp在他们的计算机上编写客户端。后者最耗时，但效率也最高参赛队提出的巧妙设计方案赢得观众大奖。家庭带着他们的孩子参加比赛，赢得他们的喜欢是至关重要的。比赛从第一个场地开始，之后家庭可以投票选出最好看的机器人。有趣的是，家庭投票给得分最高的机器人。见图10。因为它很有趣！关于比赛的团队的一个重要观察是，尽管他们是敌人，他们还是互相帮助。因此，实验室里出现了一种非常好的气氛。该部门举行了小组会议，以帮助信息流通。在这里，团队可以交换信息，并可以展示他们的机器人。5. 结论团队必须学会使用给定的平台设计和构建自己的系统。他们还必须计划和分配彼此之间的任务，以便能够在真正的比赛开始之前完成机器人。两种类型的字段。第一个是为了让团队能够集中精力正确完成任务。第二个是为高速而建造的。机器人必须沿着黑线走，这是最重要的参赛队伍可以在取消资格前更换机器人5次。第一个领域由较小的子系统组成，可以发出机器人通过的信号，第二个领域由可以感知机器人并向用户发送标记的单元组成。在比赛中，照明是一个问题，因为团队无法在自然光下测试他们的机器人，但除此之外，他们可以很好地穿过田野。确认这项工作得到了欧洲联盟和欧洲社会基金通过Fu项 目 -turICT.hu （ 批 准 号 ： TAMOP-4.2.2.C-11/1/KONV-2012-0013）由维京人兹尔特巴拉顿弗雷德组织。引用约翰·坎尼机器人运动规划的复杂性MA：MIT Press，1988.克里斯特的乔尔巴，达尼尔瓦加，多莫克奥斯吻，和G'ab或特维斯。自主移动机器人建造大赛。IFACSymposiumonAdvancesinControlEducation，2012。Miguel Hernando ， Ramon Galan ， Inaki Navarro ， andDiego Rodriguez-Losada.十年的网络技术：斗牛机器人的教育效益。教育，IEEE Transactions on ，54（4）：5692011年。ISSN 0018-9359. doi：10.1109/TE.2010.2095014。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲191Domo kosKiss，D'anielVarga，D'avidV'eko ny和G'ab或Tevesz。用势函数精确的机器人导航：一些拓扑考虑。2008年EUROBOT会议论文集，第144-156页，2008年。RobonAUT。RobonAUT规则和条例，2013年。URLhttp://www.http://robonaut.hu/网站。J'anosSoml'o，B'elaLa ntos和PhamT huongCat。 先进的机器人控制。电子学系列进展A ka d'emiaiK iad'o，1997.ISBN9789630573504。 网址http://books.google.com/books?id=UDdSAAAAMAAJ。D'anielVarga，Cs或b a的Krist'，D'avidSzal'oki，Zolt'anBe ck和G'ab或Te vesz。 从设计机器人参加欧洲机器人竞赛的角度看。国际会计师联合会议事录控制教育进展研讨会，2012年。