摘 要： 針對高爾夫運動的特點，根據(jù)慎思/反應(yīng)混合范式設(shè)計了高爾夫球童機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)由上位機" title="上位機">上位機系統(tǒng)和底層運動控制系統(tǒng)" title="運動控制系統(tǒng)">運動控制系統(tǒng)構(gòu)成，具有很強的規(guī)劃能力和實時性。闡述了高爾夫球童機器人的結(jié)構(gòu)和特點、底層運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和超聲傳感器" title="超聲傳感器">超聲傳感器的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： 高爾夫球童機器人 底層運動控制系統(tǒng) 單片機 超聲傳感器配置
隨著人工智能和機器人技術(shù)的發(fā)展與成熟，服務(wù)型機器人已出現(xiàn)在各個領(lǐng)域。由于高爾夫運動獨特的運動方式和復(fù)雜的場地條件，因而用于高爾夫球場的機器人研究呈現(xiàn)出巨大的潛力。高爾夫球場面積廣闊，地勢復(fù)雜，既有平坦的草坪，又有各種各樣的障礙物，而且高爾夫運動者繁多，所有這些因素都對機器人的行走提出了很高的要求。目前世界上研究用于高爾夫球場的機器人主要有在球場上搜尋高爾夫球的自主移動型機器人和運載高爾夫裝備的機器人。美國Naval Air Warfare Center Weapons Division和 Golf Group of America聯(lián)合研究設(shè)計了安裝有GPS的遙控型高爾夫球包車。
與應(yīng)用GPS進行導(dǎo)航不同，設(shè)計的球童機器人用CCD攝像機和接近覺傳感器實時采集運動者和周圍的環(huán)境信息，跟蹤運動者來實現(xiàn)高爾夫球設(shè)備的運送。
1 機器人系統(tǒng)設(shè)計
以機器人學(xué)中的三種普遍被認可的基元——感知、規(guī)劃、執(zhí)行之間的關(guān)系，可將機器人中智能的組織分為三種形式：分級范式、反應(yīng)范式和慎思/反應(yīng)混合范式。采用慎思/反應(yīng)混合得到的系統(tǒng)具有規(guī)劃能力，并使得機器人具有任何與相對于環(huán)境的全局狀態(tài)相關(guān)的記憶和推理能力。
高爾夫機器人在跟蹤運動者行走的過程中，需要根據(jù)外界環(huán)境信息，自主地規(guī)劃路徑和處理突發(fā)性事件。為了使機器人具有規(guī)劃能力和實時性，采用了慎思/反應(yīng)混合范式對機器人進行設(shè)計，用上位機系統(tǒng)和底層運動控制系統(tǒng)協(xié)作控制高爾夫機器人完成行走跟蹤任務(wù)。基于慎思/反應(yīng)混合范式的機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括如下兩部分：
(1)上位機系統(tǒng)：主要由上位機和視覺系統(tǒng)構(gòu)成，完成機器人的導(dǎo)航任務(wù)。上位機根據(jù)CCD攝像機和圖像采集卡采集的信息跟蹤運動者；根據(jù)底層運動控制系統(tǒng)傳送的傳感器和光碼盤信息構(gòu)建地圖，并將規(guī)劃好的路徑傳送至底層運動控制系統(tǒng)。
(2)底層運動控制系統(tǒng)：主要由MCS-51系列單片機的CPU控制板、多種接近覺傳感器和電機構(gòu)成。CPU板根據(jù)不同傳感器信息，進行反應(yīng)式行為的釋放，或是將傳感器信息送至上位機系統(tǒng)輔助路徑規(guī)劃和地圖構(gòu)建。執(zhí)行器" title="執(zhí)行器">執(zhí)行器接收命令進行行為的執(zhí)行，并反饋光碼盤信息，以供上位機系統(tǒng)確定機器人的位置。
2 底層運動控制系統(tǒng)設(shè)計
高爾夫球童機器人的底層運動控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計是基于行為的反應(yīng)范式。它不僅負責上位機和執(zhí)行器之間的通訊，而且采集各種接近覺傳感器信息，將信息傳送至上位機系統(tǒng)輔助路徑規(guī)劃和地圖構(gòu)建，或釋放運動中的反應(yīng)式行為。
底層控制采用MCS-51系列單片機AT89C52作為核心控制器，另外采用三片AT89C2051分別控制機器人左右輪的運行和多路" title="多路">多路超聲傳感器信息的采集和處理。底層運動控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。
AT89C52主要對各類傳感器進行控制和融合，引起執(zhí)行器的反應(yīng)式行為，并通過串口與上位機進行通訊，將傳感器信息送至上位機輔助導(dǎo)航，并接受上位機規(guī)劃的運動指令，送至執(zhí)行器。程序流程如圖3所示。
3 底層運動控制系統(tǒng)的感知器設(shè)計
在高爾夫球童機器人行走的過程中，用各種接近覺傳感器的融合來實現(xiàn)避障的功能。最常用的接近覺傳感器有超聲傳感器（聲吶）、紅外傳感器和碰撞傳感器。根據(jù)三種傳感器的不同量程和系統(tǒng)功能的要求，用底層控制器對傳感器進行切換和選擇，并對各組傳感器信息進行融合。
由于超聲傳感器可以返回障礙物的實際位置和距離，價格低廉，使用方便，故超聲傳感器在移動機器人中有著廣泛的應(yīng)用。在高爾夫球童機器人中，用獨立的MCU AT89C2051作為控制器制作超聲電路板，對多路超聲傳感器進行控制和選擇，將測得的數(shù)據(jù)傳送至底層運動控制系統(tǒng)核心控制器AT89C52。
為了增加聲吶環(huán)探測的高度范圍，在近期的研究中采用了雙層的布局方法。由于超聲傳感器的波束角約為30°，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，18個超聲傳感器能夠很好地完成測量任務(wù)。多路超聲傳感器配置示意圖如圖4所示。圖中每層各9個，在同一水平面上的投影為交叉均勻分布，如圖4（a）所示。在本設(shè)計中用AT89C2051通過模擬開關(guān)選擇多路超聲傳感器，可以用定時器/計數(shù)器T0、T1分別對兩組超聲傳感器測距，同時進行計時，如圖4（b）所示。
由于人步行的速度約為1.5m/s，因此高爾夫球童機器人適合的行走速度為1.5～2m/s，一組超聲傳感器在常溫下測到5米遠的障礙物需要的時間約為0.03秒，在此段時間內(nèi)機器人可以行走0.045～0.06米。可知機器人到障礙物的距離和此段時間內(nèi)機器人以1.5～2m/s的速度走過的距離之比約為100:1。可以看出，在機器人檢測到障礙物后，有足夠的時間進行聲吶環(huán)掃描和避障。
在對聲吶環(huán)進行掃描時，需要考慮以下兩方面來提高超聲傳感器的效率：
（1）在機器人行走的過程中，前方的傳感器的作用非常重要，在聲吶環(huán)的一次掃描周期中需要進行多次的掃描檢測。
（2）可以同時用不同方向上的超聲傳感器進行測量，這
樣既能提高檢測的效率，又能防止超聲傳感器的串擾問題。
本文為高爾夫球童機器人的設(shè)計提出了一個可行的方案。基于慎思/反應(yīng)混合范式設(shè)計的高爾夫球童機器人，通過視覺和接近覺兩類傳感器的信息采集，在上位機和底層運動控制系統(tǒng)的控制下，能夠自主跟蹤運動者，處理高爾夫球場的特殊環(huán)境，具有很強的規(guī)劃能力和實時性；功能完善，成本低廉，有著良好的應(yīng)用前景。在以后進一步的研究中，可以將上位機用能夠進行圖像處理的DSP代替，既可以壓縮成本，又能減輕機器人車身的重量。
參考文獻
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