RM哨兵自动巡航与反击控制系统的研究

郭育畅 徐洪博 姜丽

摘要：随着Robomaster比赛重视度的逐渐升高，各路参赛队伍都在积极研发机器人可以实现的各种功能，其中对于RM哨兵系统的研发广受各路参赛队伍的关注。为了解决哨兵的自动巡航和反击问题，本文提出了基于mini pc和inter REALSENSE D435i的反击和自动躲避巡线技术。该系统实现处于高速闪避同时可以进行反击的性能需求，大大增强了哨兵的存活能力，并且提高了哨兵的战斗能力。

关键词：Robomaster;哨兵机器人;自动巡航

0 引言

近年来，伴随着Robomaster比赛规模的日益壮大，关于升级机器人比赛强度的技术越来越受到各路参赛队伍的重视，其中Robomaster哨兵机器人的自动巡航和反击技术一直是哨兵机器人研究的热点。对自动巡航与反击系统的研究，其目的在于使哨兵机器人在无人干预的条件下自动躲避敌方单位的攻击并且攻击敌方单位的装甲板以用来削减敌方单位。

现有的哨兵机器人常用的自动巡航系统有变速巡航、变加速度巡航和无序巡航三种模式，但均存在一定的缺点。

（1）无法进行有计划性的躲避，只能被动的通过移动来进行躲避敌方的子弹。

（2）只能适用于一些没有强大辅瞄的队伍进行战斗，一旦敌方辅瞄解算到巡航的轨迹，那么此时的哨兵就如同靶子一般。

（3）哨兵的自动巡航会直接影响哨兵的自动打击。

本文描述的哨兵机器人采用inter REALSENSE D435i来对敌方单位进行3D建模同时使用mini pc来处理3D建模的数据，再将处理完的數据通过串口发回主控板以用来控制电机。此项巡航技术可进行有机会的规避，不再是以被动方式进行移动，并且可以克制大多数辅助瞄准系统。系统具备巡航算法复杂、移动目的精准、容错率高的优点，非常适合应用于robotmaster比赛中。

1功能需求

哨兵机器人负责基地的防守，对来犯敌方机器实施自动反击。兵种优先级为Ⅲ。作为负责基地的防守守卫，对来犯敌方机器实施自动反击及前哨站的存在对基地的安全有直接关系。其关键技术有如下几个方面：

（1）速度。运动速度对直线轨道尤为重要，需要在不超功率的情况下使其达到最大速度。

（2）体型。在具备所有基本功能的情况下其体型应做到尽可能小。采用单双轴云台设计，来减小其目标体型。

（3）自动识别及射击。采用NUC妙算视觉处理。

2 结构设计

哨兵机器人其yaw轴能达到360°的覆盖范围，pitch轴最大可以达到60°的覆盖范围。哨兵的攻击速度在符合枪口热量要求的情况下，进行了50发弹丸3米连发测试。通过目前测试情况来看，虽然测试命中率较高，但是其弹道相对发散。

哨兵的主要攻击需要依靠云台来进行，所以在云台设计中运用了榫卯结构进行改进，稳定性远远大于通过螺丝连接的稳定性，并且该结构在质量方面也成功的给哨兵减重，并在成本方面也做到了降低。同时，通过深度摄像头来进行自瞄，做到打击精准化，能够完成更高效的打击和防守，使其在攻击范围内的命中率提高。

上拉承重板是将哨兵总体与轨道挂起起来的机械元件，承受着整车的重量，需要对其进行有限元分析来确保强度和刚度。通过 Solidworks的Simulation模块，对底盘关键零部件进行有限元分析，得到静应力状态下关键零部件的应力云图、位移云图，根据变形情况确定零件强度刚度是否符合要求[1]。

3 视觉识别

自动巡线和反击的基础在于对视觉信息的处理，所以视觉信息的处理是研究哨兵自动巡航的关键。本方案选用inter REALSENSE D435i深度相机。此相机基于双目立体视觉的深度相机，类似人类的双眼。它与基于TOF、结构光原理的深度相机不同，它不对外主动投射光源，完全依靠拍摄的两张图片（彩色RGB或者灰度图）来计算深度，因此有时候也被称为被动双目深度相机[2]。

在理想状态下，相机内参完全相同的左、右2个摄像头都可以满足立体成像，并且两摄像头在世界坐标中z轴数值相等。左摄像头的坐标为，其对应的平面坐标为，其中、分别与左摄像头形成影像的平面的竖直、水平方向垂直，为光轴与左摄像头形成影像的平面的交点;右摄像头的坐标系为，其对应的平面坐标系为，其中、分别与左摄像头形成影像的平面的竖直、水平方向垂直，为光轴与右摄像机成像平面的交点。在空间中任取一点P（X，Y，Z），点P在左右摄像机上的成像点分别以Pl（），Pr（）表示，f代表焦距，B为左右摄像头光心、之间的距离，也叫做基线距离[3]。如图1所示。

最后将3d建模的值返回给mini pc来进行Elas算法进行立体匹配，匹配到敌方枪管后进行角度解算和角度分析，见式1-1和图2。将敌方的枪口角度解算后将数据通过串口发回给主控板，再由主控板通过CAN线控制电机，从而实现自动巡航功能[3]。

4实施方案

首先设计机械图纸，设计出合理的机械结构，然后对原材料的选择，根据材料的不同采取不同的加工方式，对哨兵进行制作，并做出哨兵机器人的运行轨道。最后对整车进行测试，通过人工控制规划好其运行轨迹以及攻击目标，编程控制使其可以自动达成预先规划的运动，继续优化。

5 结论

通过调试以及实际成果的展现，本文设计的哨兵的自动巡航以及反击系统取得了很大的进展，主要解决了以下问题，有望在比赛中发挥作用。

（1）哨兵轨道不光滑问题。为了使机器人顺利移动，改进了硬件结构，使用轴承或者轮子来减小摩擦力，同时合理安装限位装置（Caging Device）。

（2）运行速度和范围问题。通过改进发射结构提高射程以及在轨道运行的速度和范围，实现哨兵可以在静止或者在轨道上全自动运行，并提高哨兵的射程范围达到8-10m。软件设计中考虑重力的下落，实现了动态的弹道补偿。

（3）瞄准定位问题。明确双目相机的安装位置，解决哨兵的视觉死角，利用哨兵自身位置和相机角度确定瞄准的位置，通过拟定特殊区域进行设计，对不同高度设置相应的归零点的实际调零。

参考文献

[1]方青松，朱国魂，欧勇盛.基于光斑室内移动机器人的定位导航技术[J].微型机与应用，2012，31（24）：51-53+57.

[2]宋楚轩.室内移动机器人的定位导航技术[J].中国新通信，2018，20（02）：73.

[3]易文泉，赵超俊，刘莹.移动机器人自主定位与导航技术研究[J].中国工程机械学报，2020，18（05）：400-405.

作者简介：郭育畅，（2000—），大学本科，现就读于辽宁石油化工大学。

基金资助：辽宁省高等学校大学生创新创业训练计划项目，项目编号2020101480075