機(jī)械人足球硬件攻略
上回已經(jīng)為大家介紹過RCJ青少年機(jī)械人 世界杯中營救機(jī)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(xiàng)。機(jī)械人足球比賽是一個(gè)令人緊張剌激的項(xiàng)目，因?yàn)閰①惤旱臋C(jī) 械人會(huì)互相直接進(jìn)行對壘，加上每位健兒使用的攻防策略都會(huì)不同，使比賽存在更多變量。在這項(xiàng)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(duì)伍 都有很大的改進(jìn)?，F(xiàn)在機(jī)械人足球的發(fā)展是趨向力量、靈活、機(jī)動(dòng)、穩(wěn)定的發(fā)展方面。
雖然在機(jī)械人足球比賽中，機(jī)械人的風(fēng)格各異，形態(tài)萬千，各種技術(shù)層出不窮，但制作時(shí)仍可分為車體、找球、盤球、射球等幾個(gè)機(jī)構(gòu)部份來設(shè)計(jì)和制作。以下將會(huì)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(jī) 械人足球比賽可說是一個(gè)講求速度和力量的賽事。因?yàn)闄C(jī)械人需要速度追波和攻門以增加出勝率，也可能要隨時(shí)迅速回防進(jìn)行欄節(jié)，且可能會(huì)被對方機(jī)械人推開。所 以大家在設(shè)計(jì)時(shí)就需留意這一點(diǎn)，就以機(jī)械人的驅(qū)動(dòng)方式來說，若馬達(dá)直接帶動(dòng)大輪推進(jìn)，其優(yōu)點(diǎn)是速度快但力量會(huì)不夠。而馬達(dá)以小齒輪帶動(dòng)大齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，優(yōu)點(diǎn)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(dá)和提高供電電壓(視乎硬件的兼容性)，另一個(gè)常見的做法是以數(shù)個(gè)馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)一個(gè)輪 胎。而你可以選擇適當(dāng)?shù)凝X輪比來找出速度與力量的平衡點(diǎn)，言而這種方式是不會(huì)提高功率的。因?yàn)樘岣咚俣缺阋獪p少力量，反之提升力量便會(huì)減低速度。 |
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防守機(jī)械人要求高機(jī)動(dòng)性 在 足球比賽中常見到選手的防守機(jī)械人使用萬向輪(Omni-directional Wheel)，目是想提升機(jī)械人的機(jī)動(dòng)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(dòng)。當(dāng)馬達(dá)提供動(dòng) 力時(shí)，萬向輪沿著軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)萬向輪上的小輪是無作用的。但當(dāng)萬向輪往輪軸方向移動(dòng)時(shí)，馬達(dá)則不輸出扭矩，此時(shí)輪上的小輪則變?yōu)檩o助輪，減少移動(dòng)時(shí)的摩 擦力幫助機(jī)體移動(dòng)。透過使萬向輪機(jī)體可達(dá)到以下優(yōu)點(diǎn)： (1)輪軸不需移動(dòng)，即可改變平臺(tái)方向。 (2)?原地旋轉(zhuǎn)不需回轉(zhuǎn)半徑。 (3)可同時(shí)且獨(dú)立地控制機(jī)體的移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)。 |
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觸感安裝有竅門 在賽事進(jìn)行中機(jī)械人會(huì)時(shí)常發(fā)生碰撞或可能走進(jìn)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(huì)將數(shù)字信號傳送到機(jī)械人的主控板以執(zhí)行對應(yīng)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(jī)械人沖擊障礙物時(shí)的反應(yīng)性。 |
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堅(jiān)固車身甚緊要 由 于在機(jī)械人足球競賽中很難避免激烈的碰撞，加上現(xiàn)在機(jī)械人足球的發(fā)展是亦趨向力量。所以在機(jī)械人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)械人的重心，來避免在轉(zhuǎn)向或碰撞時(shí)翻倒。而傳感器除感測部分外都不應(yīng)超出機(jī)械人的輪廓，以減低碰撞時(shí)傳感器損壞的機(jī)會(huì)。 |
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機(jī)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(huì)發(fā)射出紅外線的。這時(shí)紅外線傳感器就成了機(jī)械人的眼睛，透過傳感器接收的紅外線信號強(qiáng)弱，機(jī)械人可搜尋出足球的 大概位置。那么安裝傳感器時(shí)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(jī)械人視野 更遠(yuǎn)。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(jī)體內(nèi)或以外罩遮蓋。若采用一個(gè)傳感器進(jìn)行感測，一般會(huì)安裝在機(jī)械人正前方。 您亦可加裝更多的紅外線傳感器以加強(qiáng)搜尋足球的能力，當(dāng)然程序會(huì)相對復(fù)雜一點(diǎn)，但前提考慮是否有足夠的輸入埠。也可選擇紅外線復(fù)眼傳感器，它是在同一塊線路板上配置了多個(gè)紅外線接收組，可以接收多個(gè)方向的紅外線信號強(qiáng)弱。 |
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定位裝備不可少 在足球比賽中判決機(jī)械人的位置和進(jìn)攻方向是非常重要的，因?yàn)闄C(jī)械要在適當(dāng)?shù)奈恢蒙溟T和避免烏龍球的出現(xiàn)，才可提高出線的機(jī)會(huì)。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(shí)差來測量距離(將回波和發(fā)射脈沖之間的時(shí)間間隔，由公式：距離＝速度*時(shí)間 / 2 計(jì)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(jī)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(jī)械人是否于對手的龍門前 和離門前多遠(yuǎn)。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(qiáng)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(jī)械人的顏 色和/或光線發(fā)射器不得影響其它機(jī)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(shè)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(jī)械人的大概位置。傳感器會(huì)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(huì)對他機(jī)械人做成影響就可。如果機(jī)械人在行走時(shí)將所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，就可判斷進(jìn)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(jī)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(duì)伍都會(huì)使用的裝備，因?yàn)槭褂玫姆椒ê唵?，只要將對手的龍門方向預(yù)先設(shè)好，就可讓機(jī)械人知道進(jìn)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?yàn)楦鱾€(gè)地方的地磁場并不是一樣的。同時(shí)，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(jī)械人可以控制足球?qū)⒄加懈嘀鲃?dòng)權(quán)。但要注意比賽規(guī)定機(jī)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(dòng)的做法是使用盤球器，原理是馬達(dá)齒輪箱帶動(dòng)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(huì)較佳。 在不犯規(guī)的前提下運(yùn)球，運(yùn)球器與球的接觸點(diǎn)必定低于球的最高點(diǎn)。 采用盤球器時(shí)可能會(huì)遇到以下問題。當(dāng)機(jī)械人吸住球后，車體 會(huì)因?yàn)楸P球器輪胎對球的摩擦力而上翹，可能導(dǎo)致主動(dòng)輪間斷離地，造成行車不穩(wěn)?？梢栽谠O(shè)計(jì)機(jī)械人時(shí)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(shí)，足球是與機(jī)械人做相反方向的滑動(dòng)，這會(huì)降低機(jī)械人的前進(jìn)速度，解決方法是提升馬達(dá)的輸出。 |
簡單運(yùn)球器圖樣
運(yùn)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(shè)計(jì)考功夫 設(shè) 計(jì)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(duì)伍都沒有安裝。寧可采用甩球方式射門，方法是機(jī)械人盤 著球于射球區(qū)時(shí)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(jìn)攻策略上花點(diǎn)心思仍可作出有威脅的攻門。 |
機(jī)械人的攻防戰(zhàn)
在 2對2對的足球比賽中，進(jìn)攻方式可成一攻一守和全攻兩種。進(jìn)攻和防守的足球機(jī)械人兩者的任務(wù)相羞甚遠(yuǎn)，以下就大家講解兩者各異之處。進(jìn)攻足球機(jī)械人任務(wù)是 把足球踢進(jìn)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(jī) 械人運(yùn)用紅外線傳感器在場中掃瞄足球，若感應(yīng)到紅外線便向前追球。當(dāng)足球于機(jī)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(huì)困難一點(diǎn)了。重點(diǎn)就在這里你編寫的程序能否在追球時(shí)作出修正減少球留走的機(jī)會(huì)。如果你是以兩個(gè)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(dāng) 球的方向是在機(jī)械人的左邊或右邊時(shí)，要調(diào)整方向可采用弧線偏轉(zhuǎn)(一邊輪子不動(dòng)，一邊輪子正轉(zhuǎn)的方式)，但反應(yīng)較慢。另一種是軸心轉(zhuǎn)向(一邊正轉(zhuǎn)一邊反 轉(zhuǎn))，使機(jī)械人正對著足球，然后全速直沖過去，這樣的速度就會(huì)快很多。但又帶來另一問題，當(dāng)離球不遠(yuǎn)時(shí)會(huì)容易過沖，因此要分階段處理，當(dāng)離球比較遠(yuǎn)的時(shí) 候，可采用響應(yīng)快的程序，離球較近時(shí)則采用響應(yīng)慢的程序。
烏龍球處理
當(dāng) 機(jī)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(jī)械人應(yīng)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(jī)械人就應(yīng)從另一面繞過足球，否則機(jī)械人不但會(huì)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(gè)使用超聲波測距傳感器來判決機(jī)械人距離左右兩邊墻壁的距離。
機(jī)械人繞球的模擬圖
進(jìn)攻模式
比 賽時(shí)一般限隊(duì)伍會(huì)以單一模式進(jìn)攻，目的是為了減低程序的復(fù)雜性和出錯(cuò)機(jī)會(huì)，但缺點(diǎn)是如進(jìn)攻策略太簡純就容易被對手的機(jī)械人攔截。如果將球場分為不同區(qū)域， 當(dāng)機(jī)械人在不同的區(qū)域就采用不同的進(jìn)攻策略，來提供機(jī)械人的靈活性。機(jī)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(jī) 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(jī)會(huì)。
防守機(jī)械人的任務(wù)就是要把球踢離自己的龍門。它會(huì)在龍門附近探測足球， 如有發(fā)現(xiàn)就會(huì)對準(zhǔn)球，但與進(jìn)攻的機(jī)械人分別在于，當(dāng)球離自己較遠(yuǎn)的時(shí)候，只需對正足球而不用追出去。而當(dāng)足球離自己較近時(shí)，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?yàn)楸荣愐?guī)定守門員撲球時(shí)，必須采用前沖姿勢，力圖在球門前將球攔截。如應(yīng)要求，守門員的運(yùn)動(dòng)應(yīng)能使其身體的某一部分超越發(fā)球 點(diǎn)（離球門45 cm遠(yuǎn)）。
當(dāng)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(yīng)準(zhǔn)備充足的備用輪胎、電池、導(dǎo)輪、傳感器等，以應(yīng)付突發(fā)事故。
· 到達(dá)比賽現(xiàn)場后的首要行事項(xiàng)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(shè)定值調(diào)至合適水平，并確保機(jī)件運(yùn)作一齊正常。
· 于比賽時(shí)開球亦是重要一環(huán)，因?yàn)檫@個(gè)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(dòng)，而球也不會(huì)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(jī)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(diǎn)，對手一個(gè)不留神就會(huì)被你乘虛而入。
· 而每次比賽后都應(yīng)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，并記錄在案，以便日后回顧。
· 留意每次比賽出現(xiàn)的新設(shè)計(jì)及巧妙的搭建，從中得到靈感繼而改進(jìn)機(jī)械人的設(shè)計(jì)和程序。
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