RobonAUT移动机器人建造大赛及教育进展

第九届国际会计师联合会控制教育进展国际自动控制联合会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012年RobonAUT自主移动机器人建造大赛Csorba的Krist'D'anielVargaG'aborTeveszIstv'anVajk匈牙利布达佩斯技术经济大学自动化和应用信息学电子邮件：{Csorba.Kristof，Varga.Daniel，Tevesz.Gabor，Vajk.Istvan} @ aut.bme.hu翻译后摘要：本文介绍了RobonAUT比赛举办的布达佩斯技术和经济大学该竞赛旨在支持控制理论，嵌入式系统设计和其他几门与构建自主移动机器人相关的课程的教育，这是一个有趣和富有启发性的团队合作项目。学生需要建立自主的四轮机器人能够沿着地面上的连续线指示的路径，并在沿途执行几项任务。这些任务包括避障、停车操作、通过斜坡和加速段。3名学生在学期中组成一个团队来构建他们的机器人，为此他们需要与控制理论，模拟和数字电路设计以及微控制器编程相关的技能。本课题利用电工学多门课程除了建立自己的机器人是有趣的激励事实，我们相信学生有机会运用他们的知识来解决现实世界的基于挑战的流行，学生们似乎也意识到了这种做法的必要性。本文旨在介绍2010年和2011年挑战赛的历史、规则和经验，以及2012年挑战赛的计划。关键词：自主移动机器人，控制器车辆，基于微机的控制，PID控制，红外探测器，超声波传感器1. 介绍RobonAUT是为布达佩斯技术与经济大学自动化与应用信息学系（电气工程与信息学院）的学生组织的自主移动机器人建造竞赛。团队由3人组成，通常是硕士，学生必须创造一个移动机器人，它可以沿着一条路径完全自主地导航。尽管路径由线标记，但它包含各种障碍物和附加任务，例如不连续性、较短的替代路线或用于停车子任务的车库。这使得比赛成为一项复杂而具有挑战性的任务，需要团队的许多技能和大量的开发时间。比赛是我们“机器人控制系统”课程的一部分表现最好的团队的成员可以选择参加课程考试的加分，或者让这个开发任务被接受为每个学生在学习期间必须进行的强制实习。论文中报告的工作得到了匈牙利科学院控制研究基金的支持，并在项目“BME科学研讨会人才培养”项目的框架内开发这个项目由集团TA′MOP-4.2.2.B-10/1-2010-0009支持。利用机器人竞赛来激励研究和教育并不是一个新概念。RoboCup机器人足球赛和语义机器人视觉挑战赛是两个经典的比赛，前者侧重于自主机器人的构造、团队协调和策略制定，后者侧重于自主机器人的计算机视觉和物体识别。进一步的例子是欧洲机器人挑战赛或年度IEEE国际会议的竞赛，关于实用机器人应用技术。匈牙利的一个例子是匈牙利人在火星上的比赛，自2006年以来由一所中学组织，现在是匈牙利著名的机器人比赛。第一届RobonAUT竞赛于2009-2010年秋季学期举办。基本的想法来自国际竞赛Eurobot是我们部门发送它的团队几年，见吻等。由于为Eurobot创建的机器人的演示在学生中一直很成功，这导致了在较小规模上创建类似比赛的想法。从那时起，这似乎是一个非常成功的事件，无论是在学生和国家媒体。比赛的主要目标是一方面通过给学生创造自己的自主机器人的机会和支持来激励他们。另一方面，我们相信这对他们来说是一个非常好的实践，他们需要整合几门课的材料© 2012 IFAC 360 10.3182/20120619-3-RU-2024.000312012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会361和实验室的研究。所需技能如下：对于机器人的电源和电机控制，他们需要模拟电子设计技能和控制理论。大多数机器人使用PID控制器进行独立的速度和转向控制。机器人的传感器需要各种模拟和数字接口，如AD转换器、SPI和I2C通信的电压测量机器人的控制由ARM Cortex M3微控制器执行，该微控制器需要适当的接口和编程。固件通常用C语言编写，有时用内联汇编进行扩展，以实现时间要求严格的操作。该软件必须包含传感器数据处理，电机控制和机器人的更高智能水平，执行路径跟踪，避障和各种特殊子任务，如停车到车库。最后但并非最不重要的是，成员必须表现出真正的团队合作精神，因为任务的复杂性太高，一个人无法按时完成。将任务划分为子任务和详细的接口定义是必不可少的。除了RobonAUT是一个比赛，它也是一个游戏：建造机器人四处移动，避开障碍物，收集球或停在象征车库的框架中也很有趣。当然，在开始时，会出现故障，例如机器人在远离测试路线的部门中巡航，车库框架被推开，或碰撞将传感器阵列从机器人上撕裂。但随着学期的推移，特别是在最后几天和几夜之后，故障得到了纠正，在比赛中，绝大多数机器人表现良好。论文的其余部分组织如下：第2节总结了比赛的规则。它主要关注2012年比赛的要素，但也提到了早期挑战的差异第三部分总结了大赛组织的具体情况和经验。第4节描述了任务中最困难的部分和团队最后，第五部分对本文进行了总结。2. 规则2012年1月14日举行的比赛最重要的规则如下所述。每个有资格参加比赛的机器人都必须完全自主。球队有马克斯。3分钟准备机器人之后，一名队员可以留在那里，通过从机器人上拔出一根电线来启动机器人。之后，机器人只能移动负积分，最多5次：如果它迷路了，它可以放在最后完成的检查点上即使在这些运动中，机器人也不允许以任何方式操纵，只能移动。这意味着也不能触摸任何开关。在赛道结束时，机器人必须在指定的终点区域停下来，不迟于开始后5分钟。轨道由以下元素组成，这些元素在形状、颜色和材料方面都有精确的定义，但它们的顺序和轨道的确切路线是以前未知的：路径本身：它由引导机器人的黑线指示。轨道的大部分是水平的，但也可能包含斜坡。除后述的特殊障碍物外，切向均留有1米的间隙。开始和结束标记（图1和2）：这些是轨道的开始和结束。在赛道的尽头，机器人必须在最后一条交叉线之前停下来。检查站：机器人必须通过检查站。如果机器人没有完成整个路径，则考虑检查点的数量，直到第一个未完成的图中可以看到启动后的第一个检查点。1.一、图3：如果机器人能够识别出路径一侧的墙壁，它就可以选择远离墙壁的路线，这比直行的路径要短得多。墙壁是将这条交叉路与较短和较长路径连接的位置区分开来的标记。加速段的开始和结束（图4和5）：路径包含几条曲线，但不在加速段的起点和终点之间。特殊的墙壁表明，机器人可以显著加速，只要它没有到达段的末端。由于机器人硬件可以加速到40 km/h左右，因此它们可以真正利用这些信息。障碍物（图6）：在路径的中间有一个障碍物，所以机器人必须离开线路，从障碍物旁边通过，然后返回线路。车库（图7）：一个可选的任务是进入车库，在其结束前停止而不接触框架，然后滚回并返回到原始路径。桥：图8所示的桥是2012年的一个特殊的可选任务。大赛它不仅是一个非常陡峭的斜坡，而且只有在车库停车成功的情况下才能通过，因为车库中的传感器用于触发桥梁翻转到正确的方向。桥梁不仅需要正确的定位，而且还需要良好的速度控制，因为在路径的其他区域使用的扭矩将不足以将机器人移动到斜坡上。这就是2012年竞赛的内容。在2011年，没有桥，但取而代之的是图9所示的线路中断。在这个障碍处，指示路径的线丢失了。相反，机器人必须跟随它旁边的墙为了使沿着墙走更困难，它甚至包含一个拐角，这样就不会有直线缺失的情况。2011年赛道最终图如图10所示。第一个元素是车库与停车任务，然后中断来了。有些机器人在这里迷了路，最后走上了捷径元素的较长路径。不连续之后，有一个斜坡楼上的加速段，其次是斜坡回来·············2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会362Fig. 1.赛道的起点。机器人从两条线之间启动。图二.赛道的终点。机器人必须停在第一条线之后，而不是第二条交叉线之后。图三. 1.从墙转向的路线要短得多。下来这个斜坡使一些转向控制装置产生严重的振荡，甚至与墙壁发生碰撞。最后，在捷径之后，最后一个元素就是障碍物和终点线。评分计算总结见表1。在比赛中，所有机器人都有2次尝试，并考虑较高的分数。(In早些年，允许3次尝试，但在2012年，由于见图4。加速段开始：机器人可以在这里加速，因为轨道是直的，直到结束标志。图五.加速段结束：机器人必须在这里减速，因为直到这个标志，轨道才是直的。见图6。障碍物：障碍物位于路径的中间，因此机器人必须离开线路，通过障碍物旁边，然后返回线路。团队数量）。观众奖金将给予从所有观众中获得最多选票的对于类的考试奖金，需要收集最大30+3分中的至少12分2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会363见图7。车库：机器人必须进入框架，停止而不接触墙壁，然后返回到原来的轨道。见图8。可选任务：如果机器人成功进入车库并到达虚线处，则桥会翻转，以便机器人可以选择稍后完成该任务图10. 2011年的路线图团队事先并不与2012年挑战赛规则的两个主要区别是缺少桥和存在线不连续性，机器人必须跟随轨道旁边的墙壁，甚至有一个角落。表1.分数计算原因评分开始停在完成停车在车库通过桥梁速度加成11455五四... 1（前5名）外部移动没有停止在完成- 各-2观众奖金+33. 组织图第九章2012年比赛中没有出现中断这个障碍物打断了路径，机器人必须沿着它旁边的墙走。为了使它更难，墙甚至包含一个角落。在2012年的比赛中，每支球队都会获得以下硬件：一种遥控电动模型车，来自STMicroelectronics的VL Discovery套件包含ARM Cortex M3微控制器和ST-Link在线编程器和调试器，用于支付其余硬件需求的预算，以及Atollic TrueStudio Lite开发环境可从网络上免费获得。在 2011 年 ， 微 控 制 器 是 来 自 意 法 半 导 体 的ComStix，也包含ARM Cortex M3微处理器，但其他硬件相似。在学期中，学生可以使用时间段预约系统进入实验室。在实验室中，所有必要的工具都可用于焊接和电路调试。67891013245····2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会364图十一岁一个机器人的照片合格的挑战。在前面，声纳传感器位于中间，夏普红外传感器位于正面传感器面板的两侧，光学门阵列位于最前面的LED阵列在这张照片中，机器人刚刚通过5号检查站。定期并根据要求组织协商。特别是在最后几周，对这些可能性的需求很高。作为示范，演示机器人提出的团队，这是由部门的工作人员和学生一起建造。演示车由与团队可以访问的组件完全相同的组件制成，因此学生可以提前看到工作解决方案。除了分布式硬件之外，团队还可以获得预算，以便购买其余的硬件组件。为了帮助他们选择，他们得到了一个建议列表，其中包括Vishay CNY 70红外光闸，锐利的红外距离传感器，传感器范围在4到30厘米之间，视差PING）声纳，最大范围为3米，• STMicroelectronics加速度传感器4. 解决方案在本节中，我们将总结在前两次比赛中收集的最有趣的解决方案，问题和经验。在2011年，还没有桥，所以没有经验，但轨道的其余部分是相同的。在去年的比赛中，12支球队中共有7支能够到达终点。(In 2010年，共有8支队伍，只有一支队伍未能完成比赛。能够完成停车任务的机器人，也是比较少见的。大多数解决方案都是基于CNY70红外光闸。这些机器人在前面有一个阵列，所以他们可以探测到黑线的位置。使用这些数据，可以通过PID控制器设置转向，以保持线路在中间。赛道的特殊元素相对容易识别，因为它们的标记，所以大多数团队都创建了分程序专门用于解决这些情况，并在检测到标记时启动这些4.1 最困难的任务根据结果，简单地在水平面上沿着线走，对任何一支球队来说都不是对手。然而，如果路径不是水平的，一些团队会因为缺乏速度反馈和速度控制而变得困难：上坡时，机器人变得非常慢（几乎停止），因为控制不知道电机需要更多的扭矩。当机器人加速超过预期速度时，问题变得(And甚至撞到了墙上）。2012年比赛中引入的桥梁强调了这一难度。这条捷径得到了大多数团队的认可。看来，识别特定的模式，比控制方向和速度要容易得多。中断是一项更艰巨的任务。有很多机器人直接走丢了路线，甚至有一些机器人丢了路线后，转身靠在墙上，把他们推开。（当然，不允许移动障碍物。）看起来，尽管每个机器人的侧面都有夏普距离传感器，并且他们成功地使用它们来识别标记墙，但他们往往无法将控制反馈从线检测器传输到距离传感器。要么简单地认为已经偏离了路线并试图转向以找到它，要么未能基于距离测量来估计所需的转向大多数机器人成功地完成了加速段。一些机器人根本没有识别它，也没有加速，这可能是由于到完全没有意识到，或者由于安全决策，在加速明显的机器人中，有一些人没有意识到终点，或者减速不够快，所以在减速段之后没有立即转弯他们通常在观众中结束。道路中间的障碍物，大多数机器人都能很好地解决。虽然应该补充的是，这是道路上的最后一个并发症，所以它只有机器人才能完成之前的所有任务。只有几个机器人，将障碍物推开。由于团队之前已经知道这个元素的确切大小和形式，因此他们中的大多数人使用简单的硬连线动作序列来避开障碍物并随后返回路径。由于安全措施，许多团队跳过了将车停进车库的可选任务。那些试图解决它的人，在定位和返回原路方面没有任何问题。只有一些机器人，他们根本没有停下来，把整个车库推走了。一个有趣的问题是从车库返回，因为大多数机器人没有后方70元传感器。···2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会365特别是在2010年的第一次比赛中，机器人的速度要慢得多，在离开车库后立即掉头并向前滚动以返回原始路径可以实现更快的解决方案。在2011年的比赛中，机器人的速度足够快，可以向后滚动到十字路口。这条路本身并没有太大的麻烦。在路径的切线方向上的1米间隙是非常严格的，因为在一些曲线中，在1米之外有墙这使得一些机器人错误地分类了情况，并启动了避障程序，这意味着离开路径并在其旁边继续前进，而不是沿着路径转弯。4.2 有趣的解决方案总的来说，机器人执行的任务较少，但以更强大的方式完成这些任务，似乎更成功。获胜者成功地完成了所有任务在某些情况下，机器人完全糊涂了，行为完全不像它应该做的那样我们认为，轨道元素没有被正确识别，机器人严格按照属于另一个元素的子程序行事，即使后来收到的传感器数据与假设相矛盾。下面总结了最有趣和独特的条形码阅读器作为路径传感器一个非常有趣的解决方案是由一个团队提出的，他们将一个1D条形码阅读器安装到机器人的前部，而不是使用CNY70传感器。条形码阅读器的分辨率足够高，不仅可以定位线条，还可以准确计算其宽度。这使得他们的机器人能够计算出线的角度，因为线的宽度是已知的。在控制器设计期间，知道角度是一个重要的优势。双线路径传感器阵列另一个创新的想法，计算线的角度是在一个机器人，有两行CNY70传感器。通过知道第一排和第二排下方的线的位置，机器人还可以计算角度，并且可以精确地设置转向以匹配线的方向。值得注意的是，这支球队是2011年比赛的冠军。4.3 设计方面值得一提的是，由于赢得观众投票可以获得+3的额外积分，因此两个比赛中都有团队使用额外的视觉设计效果来瞄准这些积分。以下是一些最令人难忘的例子漂亮的绘画，标志在机器人上很常见。一些团队甚至重建了机器人的盖子，以获得完全不同的形式。2011年有一个团队使用伺服电机上下移动盖子的后部，只是为了改善机器人的外观。多个团队使用RGB LED或蓝光管进行底盘照明。其中一个将其与线探测器传感器相结合，因为它们使用非常明亮的绿色照明，所以它不仅检测到线，而且还使机器人的整个底部发光。在2010年的比赛中，一个团队在机器人上安装了一整套音响系统，包括专用的蝙蝠，放大器，直径约15厘米的扬声器和MP3播放器。最后，但并非最不重要的是，在2011年，一个团队将他们的控制理论老师的照片放在挡风玻璃后面，以显示背景理论是由谁教授的。虽然一个好的视觉设计的机器人不是必不可少的完成任务，这是一个重要的贡献，比赛的好心情。5. 结论2011年第二次举办的RobonAUT比赛对学生和组织者来说都是一次非常难忘的比赛，希望2012年的下一次比赛同样成功。主要目标是为学生团队提供一个机会，在具有许多额外任务和障碍的线跟随自主移动机器人建造比赛的背景下练习工程问题解决和团队合作。与准备工作一起，活动持续整个学期，团队成员必须利用他们作为电气工程学生学习的许多方面控制理论，模拟电子学，嵌入式系统设计和微控制器编程是重点领域。除了实践，这是为了成为一个有趣的和激励活动的社会部门的硕士学生本文总结了其历史、规则、组织细节以及最有趣的经验和解决方案引用RobonAUT挑战http://robonaut.hu/Eurobothttp://www.eurobot.org/Domokos Kiss，Daniel Varga，David Vekony，Gabor Tevesz为2007年欧洲机器人竞赛开发自主机器人导航和控制系统。2008年欧洲机器人会议论文集，第144-156页匈牙利人在火星上（Magyarok a Marson）机器人建造比赛www.magyarokamarson.hu/语 义 机 器 人 视 觉 挑 战 赛 http://www.semantic-robot-vision-challenge.org/世界杯足球赛http://www.robocup.org/机器人挑战赛http://www.robotchallenge.org/第 三 届 IEEE 机 器 人 应 用 技 术 国 际 年 会http://www.tepra2011.wpi.edu/·····