机器人技术汇集了精密机构设计、自动控制、通讯传感、人工智能、图像处理和人机交互等多领域的前沿研究，其发展和创新对于科技的进步具有多层次、多维度的促进作用。Robomasters机器人创新团队汇集了全校三十多名对机器人技术感兴趣的博士生、硕士生及本科生，融合了包括机械设计与加工、控制系统软硬件设计、多种电机协同控制算法、视频信号采集及图像处理、无线通信网络、人机交互等先进技术，共同设计制作了包括机器人射手、机器人炮手、机器人哨兵、自动弹药补给站在内的多台机器人。所派出的两支队伍参加由共青团中央和全国学联秘书处联合主办的全国机器人比赛获得了西北赛区一等奖和全国二等奖的好成绩。同时为在校本科生、研究生开展了Robomasters创新训练营暑期课程，创立了多自由度机器人学生实践教学平台。同时，正在与企业合作筹建DJI创新实验室，推进了智能机器人技术在教育教学和实践中的发展。成果内容提要
1、研究内容本项目以参加2015Robomasters全国大学生机器人大赛为契机，在融合了包括机械设计与加工、控制系统软硬件设计、多种电机协同控制算法、视频信号采集及图像处理、无线通信网络、人机交互等先进技术的基础上，设计制作了包括机器人射手、机器人炮手、机器人哨兵、自动弹药补给站在内的多台机器人，构建了一套完整的机器人实践平台。其中，机器人射手为手动控制机器人，操作者通过安装在机器人上的图传设备获取战场图像，通过遥控设备和人机交互设备操作机器人发射17mm子弹打击对方机器人；机器人炮手为自动智能机器人，炮手通过安装在机器人上的摄像头获取战场图像，运用图像识别技术自动识别敌人并发射高尔夫球进行打击；机器人哨兵具有攀爬功能，可以最大程度的获得战场视野，应用视频拼接技术将多个摄像头获得的数据通过无线图传发送至指挥员处，为多机器人协同提供条件；自动弹药补给站同样运用图像处理技术，通过识别机器人的特征点，自动给进入补给站的机器人补给弹药。具体到机器人上应用的技术，主要从以下几个方面进行介绍，包括机械设计、控制系统软硬件设计、多种电机协同控制、图像识别、人机交互等：
（1）多自由度机器人的机械设计所设计的多自由度机器人由全向底盘、两自由度云台、子弹发射机构组成，如图1-2所示。全向底盘由直流伺服电机、悬挂和全向轮系组成，采用直流伺服电机经联轴器直接驱动全向麦克纳姆轮，可实现机器人的多方向灵活移动。采用弹性悬挂，可使机器人具有一定的越障功能。两自由度云台是安装、固定摄像机、发射机构和激光发射器（用于模拟射击位置）的支撑设备，具有Yaw轴和Pitch轴两个自由度。云台采用两个永磁同步电机驱动，电机接受来自控制器的信号可以快速准确的运行瞄准定位。永磁同步电机采用SVPWM控制。发射装置包括一个直流无刷电机驱动的送弹机构和两对外转子直流无刷电机驱动的摩擦轮机构，送弹电机接收主控的信号将弹丸拨入弹仓内，当发出发射指令时，两对摩擦轮电机同时驱动，将弹丸发射出去。其中直流无刷电机采用无位置传感器算法。
图1机器人三维设计图图2机器人实物图
（2）机器人综合控制系统的设计机器人综合控制系统的框图如图3所示。机器人拥有四个底盘电机作为动力源，两个云台电机作为发射机构的姿态控制的动力源，两组摩擦轮电机作为发射弹丸的动力源，一个送弹电机作为填充弹丸的动力源。每辆机器人都有至少九个电机，在加上通讯模块，人机交互模块，是一个大型的综合控制系统。本控制系统是基于ARM进行设计，所有电机的驱动器都由CAN现场总线连接至主控系统，通过不同的ID号对每个电机进行编号，实时地将每个电机的实时参数（电流，转速，位置，保护信号）发送至主控中。主控通过CAN总线访问每个电机的报文，整合所有的信息，进行综合控制，将需要执行的整车姿态转换成每个电机的绝对姿态信息（速度，角度），将控制指令编码，发送至CAN总线上。每个电机的控制系统再通过访问主控的报文，截取自身的控制指令，完成控制。通讯模块用来实现多机器人间的配合交互，基于ZigBee协议。人机交互模块用于使用遥控装置进行机器人的操作。
图3机器人综合控制系统框图（3）直流电机通用驱动器的设计
底盘电机需要支撑起整辆车的重量，对可靠性要求高，同时也需要有优秀的驱动能力。所以本项目设计了一款通用电机驱动器。每一个驱动器上包括：电源管理模块，ARM控制模块，功率变换模块，电流采集和保护模块，编码器和CAN总线接口，如图4所示。
图4直流电机通用驱动器的设计
图5底盘四合一驱动板
（4）云台电机的精确控制系统的软硬件设计
云台控制是发射系统实现的终端，可以说是机械战车的核心和关键，所以对他的控制十分苛刻，必须要达到稳定，精确，快速。电机选型上选用功率密度较大的永磁同步电机，传感器方面除了使用电机内部的编码器作为速度和位置的反馈，电流传感器作为电流反馈，还需要借助角度传感器辅助实现位置的精确控制。角度传感器选用MPU多轴运动处理传感器，通过其内部的加速度传感器和陀螺仪实现角度的检测，借助该传感器和编码器，能实现云台电机快速地定位于任意角度。云台永磁同步控制三闭环控制系统的原理如图6所示。
软件设计方面，因为引入了多轴运动处理传感器，为减小传感器本身的误差和外界的扰动，算法有互补滤波，卡尔曼滤波等。电机控制方面，同样使用速度，电流，角度三闭环控制系统，使电机快速的响应给定的要求。
图7云台永磁同步控制三闭环控制系统
（5）机器人哨兵全方位视角实现
哨兵的视角的大小对指挥员掌握战场的动态具有重要意义，但是单个摄像头的视角是有限的，本项目利用视频拼接技术，使用多个摄像头实现哨兵全方位视角的功能。采用3个USB摄像头采集图像，处理器采用DirectShow的方法进行多个摄像头的读取，三个摄像头呈120度放置，通过处理器利用程序处理多摄像头采集回来的图像进行拼接，再通过处理器的HDMI接口连接图传将画面回传并且显示到指挥员的显示屏上。
（6）机器人炮兵自动瞄准系统
该部分主要包括四个部分，分别是图像检测与传输，图像处理，算法设计，底层支撑系统。整体上来讲。我们通过摄像头采集图像，通过串口进行图像的数据传输。主要包括摄像头模块，传输模块将传输的图像数据矩阵按照设计的图像处理算法进行处理，得到目标的相应可识别属性，包括轮廓等。按照实时传输的图像数据进行处理，得到目标的移动方向和速度，从而根据算法预测目标的走向，实时跟踪目标。底层的机械设计包括对整个计算机视觉系统的支持等功能。
（7）基于ZigBee网络通信技术的多机器人交互网络
建立基于ZigBee的多机器人交互网络，当多台机器人需要进行协同工作时进行通讯，扩展本项目的应用范围。目前本项目所采用的是TI公司的的315/433/868/915M无线通信芯片CC1101，开发网状网络，实现指挥员和机器人哨兵的通信任务。
（8）人机交互的设计
为了实现机器人系统的人机交互，遥控器是最基本的操作工具。通过分别选用2.4GHz的无线发射和接收模块，设计可用于控制机器人的多键位多功能遥控器。遥控器可以实现的功能包括机器人的全方位移动，云台两自由度移动，弹丸发射等。同时通过5.8G无线通信将图像信息传回控制计算机上，实现操作员的远程操控。
2、创新点
设计出一种可以在地面上全向移动的高柔性、高灵活性机器人，并设计相应悬挂机构，使机器人具备越障、爬坡等能力，适应多种环境。
开发出一种两自由度的视觉采集装置，可根据操作者指令瞄准视野内任意位置，实现战斗射击的模拟。
提出一种适用于远程操作的实时控制系统，实现灵活的人机交互，可应用于多种场合
Ÿ将机械设计，软硬件设计、图像处理等技术融合到单台机器人当中，培养了工科研究生对多领域知识的综合运用能力
Ÿ设计出一种方便研究生学习的综合实践平台，可用于学生的工程实践。
3、实践意义
当今机器人发展的主要方向包括单个机器人的多电机系统伺服控制、多机器人互联通讯及定位、机器人的视觉识别等。将以上研究成果采用模块化搭建的方式，在一定场景内实现多个高自由度机器人的综合控制以及对抗，将形成一套技术先进、综合性强的新型学生实践平台。学生通过团队形式自主搭建具有移动、识别和“攻击”能力机器人小队（如图8所示），在相互对抗中不断进取和创新，可以综合锻炼学生的学习能力、实践能力、创新能力和团队协作能力，为以后的学习工作打下坚实的基础。
图8多机器人协同小队
图9Robomasters创新训练营-机器人技术讲座
通过机器人基础讲座、机器人拼装和机器人协作对抗环节，系统的进行了机器人技术的教学，为多自由度机器人学生实践教学平台的创立和发展提供了重要参考。同时，团队正在与企业合作筹建DJI创新实验室，计划将飞行器和智能机器人技术有机融合，创立在教育教学和实践中的发展。
