機械人足球硬件攻略
上回已經(jīng)為大家介紹過RCJ青少年機械人 世界杯中營救機械人的制作和編程技巧。今回就為大家介紹常用的足球比賽裝備及有關(guān)的裝配事項。機械人足球比賽是一個令人緊張剌激的項目，因為參賽健兒的機 械人會互相直接進行對壘，加上每位健兒使用的攻防策略都會不同，使比賽存在更多變量。在這項國際性賽事中各國選手互相交流，集思廣益，因此每年的參賽隊伍 都有很大的改進。現(xiàn)在機械人足球的發(fā)展是趨向力量、靈活、機動、穩(wěn)定的發(fā)展方面。
雖然在機械人足球比賽中，機械人的風格各異，形態(tài)萬千，各種技術(shù)層出不窮，但制作時仍可分為車體、找球、盤球、射球等幾個機構(gòu)部份來設計和制作。以下將會續(xù)一介紹和給大家一些制作的小貼示。
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速度、馬力缺一不可 機 械人足球比賽可說是一個講求速度和力量的賽事。因為機械人需要速度追波和攻門以增加出勝率，也可能要隨時迅速回防進行欄節(jié)，且可能會被對方機械人推開。所 以大家在設計時就需留意這一點，就以機械人的驅(qū)動方式來說，若馬達直接帶動大輪推進，其優(yōu)點是速度快但力量會不夠。而馬達以小齒輪帶動大齒輪運轉(zhuǎn)，優(yōu)點是 力量大但速度卻不夠快。因此提高功率是最佳的辦法，你可使輸出較大的馬達和提高供電電壓(視乎硬件的兼容性)，另一個常見的做法是以數(shù)個馬達來驅(qū)動一個輪 胎。而你可以選擇適當?shù)凝X輪比來找出速度與力量的平衡點，言而這種方式是不會提高功率的。因為提高速度便要減少力量，反之提升力量便會減低速度。 |
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防守機械人要求高機動性 在 足球比賽中常見到選手的防守機械人使用萬向輪(Omni-directional Wheel)，目是想提升機械人的機動性，加快回防和撲球速度。萬向輪是在輪子圓周上裝有與輪軸垂直的小輪，因此可自由的沿著兩種方向移動。當馬達提供動 力時，萬向輪沿著軸向轉(zhuǎn)動，此時萬向輪上的小輪是無作用的。但當萬向輪往輪軸方向移動時，馬達則不輸出扭矩，此時輪上的小輪則變?yōu)檩o助輪，減少移動時的摩 擦力幫助機體移動。透過使萬向輪機體可達到以下優(yōu)點： (1)輪軸不需移動，即可改變平臺方向。 (2)?原地旋轉(zhuǎn)不需回轉(zhuǎn)半徑。 (3)可同時且獨立地控制機體的移動與轉(zhuǎn)動。 |
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觸感安裝有竅門 在賽事進行中機械人會時常發(fā)生碰撞或可能走進場角，而使用接觸傳感器作為回避障礙物是最簡單直接的，只要傳感器被擠壓或沖擊就會將數(shù)字信號傳送到機械人的主控板以執(zhí)行對應指令(如后退接著左轉(zhuǎn)等)。但傳感器的安裝位置也有竅門，它將影響機械人沖擊障礙物時的反應性。 |
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堅固車身甚緊要 由 于在機械人足球競賽中很難避免激烈的碰撞，加上現(xiàn)在機械人足球的發(fā)展是亦趨向力量。所以在機械人的機構(gòu)設計與材料選用上必須做耐撞的考慮。而配置方面可透 過降低機械人的重心，來避免在轉(zhuǎn)向或碰撞時翻倒。而傳感器除感測部分外都不應超出機械人的輪廓，以減低碰撞時傳感器損壞的機會。 |
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機械人的視力 RCJ 足球比賽使用的足球有別于日常所見，它是會發(fā)射出紅外線的。這時紅外線傳感器就成了機械人的眼睛，透過傳感器接收的紅外線信號強弱，機械人可搜尋出足球的 大概位置。那么安裝傳感器時有甚么需注意呢？由于足球中心高度發(fā)射的紅外線范圍最廣，所以建議將傳感器的安裝高度大約為足球中心離地的高度，使機械人視野 更遠。而為了減低場地光線對傳感器的影響，可將傳感器安置于機體內(nèi)或以外罩遮蓋。若采用一個傳感器進行感測，一般會安裝在機械人正前方。 您亦可加裝更多的紅外線傳感器以加強搜尋足球的能力，當然程序會相對復雜一點，但前提考慮是否有足夠的輸入埠。也可選擇紅外線復眼傳感器，它是在同一塊線路板上配置了多個紅外線接收組，可以接收多個方向的紅外線信號強弱。 |
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定位裝備不可少 在足球比賽中判決機械人的位置和進攻方向是非常重要的，因為機械要在適當?shù)奈恢蒙溟T和避免烏龍球的出現(xiàn)，才可提高出線的機會。而最常使用的就是超聲波測距、光感/灰階、指南針傳感器，接下來就為大家續(xù)一介紹。 超聲波測距傳感器的工作原理是發(fā)射超聲波，并檢測反射回波接收后的時差來測量距離(將回波和發(fā)射脈沖之間的時間間隔，由公式：距離＝速度*時間 / 2 計算出來)。 在足球比賽中超聲波測距傳感器起著判定障礙物作用。它一般是安裝在機械人正前方及左右兩則，若配合指南針傳感器一并使用就能知道機械人是否于對手的龍門前 和離門前多遠。而紅外線測距傳感器則是以發(fā)射紅外線及接收反射回來的紅外線信號強度來測量距離。兩者同樣是非接觸式的測量工具。但由于比賽規(guī)定機械人的顏 色和/或光線發(fā)射器不得影響其它機械人的光感讀數(shù)，因此不能使用紅外線測距傳感器。 |
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灰階傳感器 |
足 球場的地板是鋪設了一張漸變的灰階紙，所以透過對地光感/灰階傳感器來判斷機械人的大概位置。傳感器會發(fā)射紅外線并按收反射回來的紅外線。只要傳感器發(fā)射 部分面對地板且不會對他機械人做成影響就可。如果機械人在行走時將所得的數(shù)據(jù)進行比較，就可判斷進攻正方是否正確。但由于球場橫向的灰度是不變的關(guān)系，單 靠光感/灰階傳感器是未能知道機械人位于龍門的正前方，還是左右兩旁。若要解決該定位問題，可配合超聲波測距傳感器/指南針傳感器一起使用。
足球場的模樣 |
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指 南針傳感器是許多隊伍都會使用的裝備，因為使用的方法簡單，只要將對手的龍門方向預先設好，就可讓機械人知道進攻方向且避免烏龍球出現(xiàn)。指南針傳感器主要 是利用地磁場來定北極，現(xiàn)在一般有用磁阻傳感器和磁通門加工而成的。若要保證精確的測量，調(diào)校就不可少了。因為各個地方的地磁場并不是一樣的。同時，還有 各種異常磁場的存在。為減少受到干擾，解決辦法是將傳感器安裝在較高位置。 |
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盤球器制作有竅門 在 比賽中，如果機械人可以控制足球?qū)⒄加懈嘀鲃訖?quán)。但要注意比賽規(guī)定機械人不得占有球超過20mm，由于可以占球的空間有限，必定需要借助地面與車體間狹 小而精確的空間卡住足球。較主動的做法是使用盤球器，原理是馬達齒輪箱帶動轉(zhuǎn)軸上輪胎向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，將球吸入懷中，而且建議采用摩擦力較大的輪胎效果會較佳。 在不犯規(guī)的前提下運球，運球器與球的接觸點必定低于球的最高點。 采用盤球器時可能會遇到以下問題。當機械人吸住球后，車體 會因為盤球器輪胎對球的摩擦力而上翹，可能導致主動輪間斷離地，造成行車不穩(wěn)?？梢栽谠O計機械人時將重心放在較前位置，來抵消球滾向車子的反推力。另外于 盤球時，足球是與機械人做相反方向的滑動，這會降低機械人的前進速度，解決方法是提升馬達的輸出。 |
簡單運球器圖樣
運球器操作的模擬圖 |
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透過轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)將球擊出 |
射球裝置設計考功夫 設 計好的射球裝置比盤球器還要困難，除了要利用有限空間外，還要考慮硬件的整體配合和效率。所以一般隊伍都沒有安裝。寧可采用甩球方式射門，方法是機械人盤 著球于射球區(qū)時急?；蚣鞭D(zhuǎn)，藉慣性使足球向前滾。雖然球速不快，但做法簡單較簡單，若在編程和進攻策略上花點心思仍可作出有威脅的攻門。 |
機械人的攻防戰(zhàn)
在 2對2對的足球比賽中，進攻方式可成一攻一守和全攻兩種。進攻和防守的足球機械人兩者的任務相羞甚遠，以下就大家講解兩者各異之處。進攻足球機械人任務是 把足球踢進對方的球門。首先要找球，找到球后還要判斷球的方向，在識別敵我雙方方向后才能踢球，否則就可能做成烏龍球。
尋找和追蹤足球
機 械人運用紅外線傳感器在場中掃瞄足球，若感應到紅外線便向前追球。當足球于機械人正前方，自然可輕易將球捉住。但如果球是正中偏左或偏右的，要將球捉住就 會困難一點了。重點就在這里你編寫的程序能否在追球時作出修正減少球留走的機會。如果你是以兩個或多傳感器來尋找足球，你可比較各傳感器的讀數(shù)來修正。當 球的方向是在機械人的左邊或右邊時，要調(diào)整方向可采用弧線偏轉(zhuǎn)(一邊輪子不動，一邊輪子正轉(zhuǎn)的方式)，但反應較慢。另一種是軸心轉(zhuǎn)向(一邊正轉(zhuǎn)一邊反 轉(zhuǎn))，使機械人正對著足球，然后全速直沖過去，這樣的速度就會快很多。但又帶來另一問題，當離球不遠時會容易過沖，因此要分階段處理，當離球比較遠的時 候，可采用響應快的程序，離球較近時則采用響應慢的程序。
烏龍球處理
當 機械人找到球后，首先要判斷球的方向，如果球是潮向己方龍門，就不能直接踢球了，否則可能做成烏龍球。因此機械人應繞到足球的后面去踢球，但原來選擇從右 邊或左邊繞過足球也竅門。例如足球是太靠近場邊的話，機械人就應從另一面繞過足球，否則機械人不但會轉(zhuǎn)向且更可能將球推向己方龍門。那么如何解該問題，我 們可個使用超聲波測距傳感器來判決機械人距離左右兩邊墻壁的距離。
機械人繞球的模擬圖
進攻模式
比 賽時一般限隊伍會以單一模式進攻，目的是為了減低程序的復雜性和出錯機會，但缺點是如進攻策略太簡純就容易被對手的機械人攔截。如果將球場分為不同區(qū)域， 當機械人在不同的區(qū)域就采用不同的進攻策略，來提供機械人的靈活性。機械人可以透過超聲測距、光感/灰階、指南針傳感器來判斷大概位置和感測現(xiàn)場情況。機 械人就可以根據(jù)所得數(shù)據(jù)采取不同攻勢，增加入球機會。
防守機械人的任務就是要把球踢離自己的龍門。它會在龍門附近探測足球， 如有發(fā)現(xiàn)就會對準球，但與進攻的機械人分別在于，當球離自己較遠的時候，只需對正足球而不用追出去。而當足球離自己較近時，就要上前把球踢走，然后再次回 到自己球門的附近繼續(xù)防守。因為比賽規(guī)定守門員撲球時，必須采用前沖姿勢，力圖在球門前將球攔截。如應要求，守門員的運動應能使其身體的某一部分超越發(fā)球 點（離球門45 cm遠）。
當大家已經(jīng)整裝待發(fā)迎接賽事的來臨，但大家又知不知道有什么比賽技巧需注意呢?
· 賽前應準備充足的備用輪胎、電池、導輪、傳感器等，以應付突發(fā)事故。
· 到達比賽現(xiàn)場后的首要行事項是檢查程序及對場地的數(shù)據(jù)搜集，以將光感傳感器的設定值調(diào)至合適水平，并確保機件運作一齊正常。
· 于比賽時開球亦是重要一環(huán)，因為這個步驟做得好不但可以 你使用的戰(zhàn)術(shù)，亦有助你突破對手防線。所以盡可能每次開球方式都不同，對手就難以洞悉你下一步的行動，而球也不會輕易地被對手劫去。
· 善于分析和冷靜思考也是非常重要，如果你能根據(jù)對方機械人的特性決定開球方式，并利用己方的優(yōu)勢來克制對方及攻其弱點，對手一個不留神就會被你乘虛而入。
· 而每次比賽后都應總結(jié)經(jīng)驗和教訓，并記錄在案，以便日后回顧。
· 留意每次比賽出現(xiàn)的新設計及巧妙的搭建，從中得到靈感繼而改進機械人的設計和程序。
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