济南稼轩中学对口小学:科技创新方案

北京四中机器人小组制作的智能捡球机器人依靠摄像头、红外传感器、光电传感器进行周围环境的感知，综合使用了PC机图像识别、8051单片机编程、串行口通讯等技术，来使机器人完成在乒乓球运动员进行训练时完全取代人一刻不停地进行捡球的工作。

　　机器人对于球的工作范围的定位主要通过图像识别完成的。 尽管选题叫做“检球机器人”，实际叫做“吸球机器人”更为贴切。因为“捡”的动作实际是由风扇负压方式完成的。当乒乓球处在吸球管口的附近时，会触发一组光电传感器，单片机感知到信号后，启动风扇抽出集球盒内的空气，乒乓球就在气压作用下被吸到了集球盒里。除了负压吸球系统外，机器人的硬件部分还包括：可以通过电磁继电器调节仰角的摄像头，两组驱动直流电机，一台笔记本电脑，一块 8051芯片，以及电路部分等。

　　通过两年来参加机器人小组得到的经验，我们认为机器人能否具有一定的实用性，除了能够顺利完成制定的工作外，还应该能够随机处理各种复杂的实际情况。为了能够在实用性上有所进展，我们除了通过图像识别技术精确定位乒乓球外，还在如下几方面进行了更进一步的开发：

　　1．在程序上自创了“数字墙”图形处理技术，可以通过色带圈定机器人捡球的区域，机器人在进行每一步工作前首先会判断自己是不是己经走到了圈定范围之外，如果是，则会自动退回到圈内。这样做可以防止机器人为了搜索乒乓球而走到很远的地方。之所以称之为“数字墙”，是因为图形处理程序可以让机器人忽略掉色带圈定范围之外的所有物体，仿佛在机器人面前筑起了一堵墙。“数字墙”技术是本作品的最主要创新点和技术点。

　　2．我们在色带的拐角处放置了一个用特殊颜色标记的浅底球盒，一旦机器人经过大范围搜索，认为圈内已经没有球，或者储球仓已经装满时，则会沿着色带前进，最终找到纸盒，把球"吐"到纸盒里。

　　3．机器人前端设置了五个红外传感器和两个微动开关，每时每刻都受到单片机的监控。一旦某个元件被触发，则立刻由单片机调用相应的避障程序，从而实现了机器人的应激性。

　　4．为了适应各种场合的实际需要，在编程时我们设置了两种工作模式：第一种工作模式在启动后进人待命状态，只有视野内出现乒乓球才开始正常工作，捡完球后，又一次进入待命状态，适合于场地较小，乒乓球较少的情况；第二种工作模式则没有设置待命状态，机器人在一开始和每次放球之后都会对场地继续进行大范围搜索，适合于场地较大，乒乓球较多的情况。

　　在具体使用时，您将会看到智能捡球机器人以如下方式进行工作： 如果设定为工作方式一，则机器人在启动后首先进入待命状态。在待命状态下，机器人会以“低头”、“抬头”的方式交替地进行近处、远处乒乓球的原地寻找，一旦发现乒乓球，则进入正常工作状态。在正常工作状态下，PC机随时通过摄像头处理色带、乒乓球的位置、角度，把转向、前进的距离等指令发送到单片机，单片机根据发送协议完成各种工作。在捡球时，“数字墙”程序可以计算出某一次动作是否可能是机器人走到色带之外，一旦发现，就会让机器人走回色带。当摄像头的视野内没有乒乓球的时候，程序调用无球处理模块，机器人以如下方式进行搜索：左转60度搜索-->抬高摄像头再次搜索-->右转60度搜索-->抬高摄像头再次搜索-->回到原位，前进50厘米，如果距离色带很近，则根据与色带的角度选择最佳转向方向转向，前进。以上每一步中如果发现乒乓球，都会立刻执行捡球程序。当PC机记录的转向次数达到四次时，机器人执行放球程序。首先，机器人会前进到色带近处，之后通过程序的处理，使机器人沿色带前进，直到看见纸盒的标记时，机器人会原地转 180度，倒车行进直到看到另一个提示放球的标记后，机器人打开储球仓的后门，乒乓球就依靠自身重力掉到纸盒里面去了。完成工作后，两种工作模式分别会选择进入待命状态或进入无球模块继续搜索。

　　智能捡球机器人可算是我们机器人小组成员两年来工作成果的一个综合展示。每一个成员都为之付出了极大的心血。通过这次经历，我们充分体会到了科学研究的艰辛、学以致用的满足、以兴趣为动力的乐趣。可以说，不管比赛结果怎样，我们已经享受到了科学研究的快乐。