一种机器人竞赛裁判系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种机器人竞赛裁判系统及其控制方法。

背景技术

近年来，各种类型的机器人竞赛层出不穷。机器人的比赛形式大致分为两种：任务型和竞技型。其中竞技型赛事因其高综合性的机器人技术、丰富的机器人类型、激烈的对抗形式、多变的比赛场景吸引了越来越多的高校参与其中，参赛学生需要在技术实现、策略配合和团队协作等方面进行综合竞技。

为增加竞技赛的趣味性，竞技赛规则的得分形式多采用电子竞技游戏中“攻击减血”模式，比赛中通过接触击打到对方机器人实现减血功能。因场上比赛机器人数量多，得分点分散，所以需要一个自动裁判系统，能够实时感知场上所有机器人的状态、位置信息，并同时记录、统计、显示双方机器人的得分情况，从而减少人工裁判的误判、漏判现象，更好地实现比赛的公平性与观赏性。

发明内容

本发明公开了一种机器人竞赛裁判系统及其控制方法，以解决现有技术的上述问题或其他潜在问题中的任意问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种机器人竞赛裁判系统，其特征在于，所述系统包括：击打感应单元、全场定位单元、数据传输单元和上位机；

其中，所述击打感应单元，用于检测机器人或堡垒是否受到有效的物理击打，并将击打数据记录和上传；

所述全场定位单元，用于实现机器人定位，并通过检测机器人之间或机器人与场地道具间的相对距离，根据规则赋予机器人相应指令；

所述数据传输单元，用于将场上机器人和堡垒的实时状态信息发送给裁判系统上位机，

所述上位机，用于收集场上各单元状态信息，并实时显示、自动计时和自动判定比赛胜负。

进一步，若干所述击打感应单元分别安装在场地内的机器人和堡垒上，所述全场定位单元设置在所述场地内的机器人上，

若干所述击打感应单元和全场定位单元通过所述数据传输模块与所述裁判系统上位机。

进一步，所述击打感应单元包括压力传感器或、加速度传感器、微控制器和LED阵列显示单元，

其中，所述压力传感器或和加速度传感器均与所述微控制器连接，所述微控制器与所述LED阵列显示单元控制连接。

进一步，所述LED阵列显示单元包括LED显示阵列、LED驱动子单元和LED控制子单元，

其中，所述LED控制子单元与所述微控制器连接，所述LED驱动子单元与所述LED控制子单元连接，所述LED显示阵列与所述LED驱动子单元连接；

所述LED显示阵列包括2组LED显示单元。

进一步，所述全场定位单元包括：UWB定位模块、定位微控制器和通讯接口；

其中，所述UWB定位模块与所述定位微控制器连接，所述定位微控制器通过所述通讯接口与所述击打感应单元连接。

进一步，所述数据传输单元为超低功耗串口转WiFi模块。

进一步，所述击打感应单元的击打力量感知范围在5-16g。

本发明的另一目的是提供一种裁判机器人竞赛的控制方法，所述方法具体包括以下步骤：

S1)系统启动，在上位机设置比赛规则，

S2)上位机通过全场定位单元采集场地内所有机器人的位置信息，并通过检测机器人之间或机器人与场地道具间的相对距离，根据规则赋予场地内机器人相应功能指令，

S3)场地内的机器人根据接收到的功能指令进行动作，设置在机器人和道具上的击打感应单元实时检测机器人或道具是否受到有效的物理击打，

S4)数据传输单元将场上机器人和道具的实时状态信息发送给裁判系统上位机，上位机根据接收到信息实时显示、自动计时和自动判定比赛胜负。

进一步，所述数据传输单元采用UDP协议进行数据传输。

本发明的有益技术效果，由于采用上述技术方案，本发明的技术方案实现了比赛中各机器人和比赛道具状态通过无线方式与裁判系统实时通信，并显示比分和自动判罚的功能。能够实时感知场上所有机器人的状态、位置信息，并记录、统计、显示双方机器人的得分情况，从而减少人工裁判的误判、漏判现象，有效提高比赛的公平性与观赏性。

附图说明

图1为本发明一种机器人竞赛裁判系统的逻辑框图。

图2为本发明一种机器人竞赛裁判系统的控制方法流程框图。

图3为本发明的LED阵列显示单元的电路原理图。

图4为本发明的全场定位模块的电路原理图。

图5为本发明的上位机的通讯配置界面示意图。

图6为本发明的上位机的比赛控制界面示意图。

图7为本发明的上位机的屏幕显示界面示意图。

图中：

1.场地，2.机器人，3.道具，4.击打感应单元，4-1.微控制器，4-2.压力传感器，4-3.加速度传感器，4-4.LED阵列显示单元,Ⅰ.LED显示阵列,Ⅱ.LED驱动子单元,Ⅲ.LED控制子单元,5.全场定位单元,5-1.通讯接口,5-2.定位微控制器,5-3.UWB定位模块,6.数据传输单元,7.上位机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1所示，本发明一种机器人竞赛裁判系统，所述系统包括：击打感应单元4、全场定位单元5、数据传输单元6和上位机7；

其中，所述击打感应单元4，用于检测机器人2或道具1(堡垒)是否受到有效的物理击打，并将击打数据记录和上传；

所述全场定位单元5，用于实现机器人1定位，并通过检测机器人之间或机器人1与场地2内道具3间的相对距离，根据规则赋予机器人1相应指令；

所述数据传输单元6，用于将场上机器人1和道具3(堡垒)的实时状态信息发送给裁判系统上位机7，

所述上位机7，用于收集场上各单元状态信息，并实时显示、自动计时和自动判定比赛胜负。

若干所述击打感应单元4分别安装在场地1内的机器人2和道具3(堡垒)上，所述全场定位单元设5置在所述场地1内的机器人2上，

若干所述击打感应单元4和全场定位单元5通过所述数据传输模块6与所述上位机7连接(如图2所示)。

所述击打感应单元4包括压力传感器4-2、加速度传感器4-3、微控制器4-1和LED阵列显示单元，

其中，所述压力传感器4-2和加速度传感器4-3均与所述微控制器4-1连接，所述微控制器4-1与所述LED阵列显示单元4-4控制连接。

所述LED阵列显示单元4-4包括LED显示阵列Ⅰ、LED驱动子单元Ⅱ和LED控制子单元Ⅲ，

其中，所述LED控制子单元Ⅲ与所述微控制器Ⅱ连接，所述LED驱动子单元Ⅱ与所述LED显示阵列Ⅰ连接；

所述LED显示阵列Ⅰ包括2组LED灯。

所述全场定位单元5包括：UWB定位模块5-3、定位微控制器5-2和通讯接口5-1；

其中，所述UWB定位模块5-3与所述定位微控制器5-2连接，所述定位微控制器5-2通过所述通讯接口5-1与所述击打感应单元4连接。

所述数据传输单元6为超低功耗串口转WiFi模块。

所述击打感应单元4的击打力量感知范围在5-16g。

所述机器人2为轮式机器人。

如图2所示，一种裁判机器人竞赛系统的控制方法，所述方法具体包括以下步骤：

S1)系统启动，在上位机7设置比赛规则，

S2)上位机7通过全场定位单元采5集场地内所有机器人的位置信息，并通过检测机器人2之间或机器人2与场地1的道具3间的相对距离，根据规则赋予场地内机器人2相应功能指令，

S3)场地1内的机器人2根据接收到的功能指令进行动作，设置在机器人2和道具3上的击打感应单元4实时检测机器人2或道具3是否受到有效的物理击打，并将判断结果记录并上传，

S4)数据传输单元6将场上机器人2和道具3的实时状态信息发送给上位机7，上位机7根据接收到信息实时显示、自动计时和自动判定比赛胜负。

本发明的原理是：由于ROBOTAC比赛中机器人的对抗是机器人的打击机构直接进行物理攻击，需要检测机器人整体受到的击打力，因此选用加速度传感器方案来检测机器人是否受到了物理打击。

击打感知单元：安装在轮式机器人及场地高地上，用以有效检测机器人或堡垒受到的物理击打动作，击打力量感知范围在5-16g(g＝9.8m/s2)；

全场定位单元：安装在机器人上，能够实现比赛场地上150㎡范围内平面坐标的定位，通过检测机器人之间或机器人与场地道具间的相对距离，根据规则赋予机器人具有特殊功能，定位精度小于150mm；

数据传输单元：将场上机器人和堡垒的实时状态信息，以无线方式传输给裁判系统，要求通讯稳定、采样周期小于10ms，延迟时间小于200ms；

上位机：收集场上各单元状态信息，客户端实时显示、自动计时、自动判定比赛胜负。

测量击打力，一般选用压力传感器或加速度传感器两种方案，都是通过预先设置阈值，提取有效击打力产生的信号，判断感知模块是否收到有效的打击。由于ROBOTAC比赛中机器人的对抗是机器人的执行机构直接物理接触，需要检测机器人整体受到的击打力，因此选用加速度传感器方案来检测击打力。

加速度传感器选用3轴ADXL345数字加速计，具有尺寸小(3mm×5mm×1mm，LGA封装)、分辨率高(最高13位)、量程可变、灵敏度高(最高3.9mg/LSB)并且内部有多种运动状态检测和灵活的中断方式等特性，支持标准的I2C或SPI数字接口，自带32级FIFO存储。选用一片STM32F103C8T6嵌入式微控制器作为主控芯片进行信号的采集和处理，并对处理后的数据进行判断是否满足被有效击打条件。

选用了一片STM32F103C8T6嵌入式微控制器作为主控芯片进行加速度计数据的采集和数据信号特征提取，并对提取后的数据信号进行判断是否满足机器人被成功机击打的触发条件。

击打感应模块确认机器人受到一次有效的物理攻击的时候，击打感应装置可以通过改变自身LED阵列组成的显示单元的显示状态来显示机器人遭受到了一次有效的打击。

如图3所示，其中Ⅰ是LED显示阵列，分为红蓝两种颜色的LED灯，道具使用时可以选择灯的颜色来区分对阵的双方机器人，Ⅱ是LED驱动子单元，LED采用来三极管进行驱动，Ⅲ是LED灯的控制子单元该部分通过光耦来实现微控制器的3.3V电压信号控制亮灯的12V电压信号，并且实现了控制器和驱动的隔离对微控制器起到一定的保护作用。

显示单元可以根据比赛的规则需求来设置显示的打击次数，并在到达指定的次数之后给机器人系统整体断电让机器人失去运行能力。通过在机器人供电电路中串联大功率的MOS管的方式实现了对机器人系统供电的控制，同时为了限制机器人的整体功率同样串联了电流检测芯片来对机器人系统的使用电流进行监测，实现了对机器人系统的电流的过流保护功能，也为比赛提供了机器人整体功率限制的实现方式。

本方案UWB定位模块基于DWM1000芯片开发，DW1000芯片集成了天线，尺寸小巧，定位精度可达10cm，数据传输速率可达6.8Mb/s，通信距离在300米，在20米半径内，标签的密度可达11000个。

数据处理与交换选用另一片STM32F103C8T6微控制器进行控制，并把距离测量数据结果通过串口和击打感应装置进行通讯。全场定位模块电路原理图如图4所示。

其中Ⅰ是UWB定位模块及其外围电路，Ⅱ是定位标签的微控制器芯片电路型号为STM32F103c8t6，Ⅲ是程序下载和调试接口，Ⅳ是定位标签和击打感应单元通讯接口。

UWB定位模块和定位标签的微控制器之间通过标准的SPI接口进行数据的通讯，定位标签和击打感应模块之间采用TTL电平的串行通讯方式进行数据的交换，通过定位标签和击打感应模块之间的数据交换配合定位标签所在道具的功能定义可以丰富比赛中的道具效果，比如攻击加成，已经丧失行动能力的机器人可以被其他机器人重新激活等等。

而WiFi的星型网络可以保证多个数据节点组成通讯网络，可以达到快速和准确的数据传递，因此本设计选择了WiFi作为数据传输的通讯方式。

设计采用了超小尺寸的USR-C215超低功耗串口转WiFi模块，该WiFi模块硬件上集成了MAC、基频芯片、射频收发单元、以及功率放大器；支持WiFi协议，可实现UART设备的联网功能。

WiFi数据传输模块集成到了击打感应装置中，通过配置好的WiFi通讯模块连接地址可以在比赛开始的时候让WiFi模块自动连接到比赛道具裁判系统的专用无线路由网络中，通过内建的数据传输格式来区分每一个道具，比赛道具通过WiFi连接到裁判系统网络中后即实时自动的发送自身的状态数据到网络中，供网络中存在的上位机显示端计算机取用，并展示的比赛现场的舞台大屏幕上。

由于比赛中每次的传输数据量较小，要求低延时，因此采用UDP(User DatagramProtocol)协议进行数据传输。UDP发送数据前不需要建立连接，提供最大努力的交付，实时性强，网络中的拥塞不会影响主机的发送速率。本设计UDP协议数据格式如表2所示。

表2裁判系统数据传输UDP协议数据格式

可见，数据包含了帧头、帧尾、设备号、红蓝分组、击打数据等13个字节。其中：

目标地址：区分数据的传输目标，在这里就是给上位机；

组别：道具的分组，用来区分场上和场下道具，比赛中屏蔽场下道具信息以减少干扰；

批次：用来区分道具的版本，

校验值：数据校验值计算方式为：源设备号+队伍+功能+值+目标设备号+组别+批次)％255。

上位机具有3个功能：通讯配置、比赛控制、屏幕显示。

(1)通讯配置

在通讯配置界面可以配置有线和无线WiFi通讯的方式。如图5所示。

上位机的通讯配置界面可以配置两种通讯的方式，区域Ⅰ是有线串行数据输入的选择，可以选择串口的端口号，通讯的波特率，校验位，数据位，停止位。区域Ⅱ是WiFi通讯选择项，可以选择UDP和TCP的通讯方式，电脑端口号和通讯IP地址。区域Ⅲ为操作状态提示区域。

(2)比赛控制

比赛控制界面可以手动控制比赛尚未机显示的各种内容，如图6所示。

区域Ⅰ为设备选择向，用来选择上场比赛机器人所用的道具的组别，用来筛除比赛候场机器人所带的道具连接到道具系统路由器中造成数据的干扰。区域Ⅱ大屏幕投影方式的切换，可以控制显示为全屏、非全屏、显示或隐藏、切换背景摄像镜头、选择显示比赛的数据信息。区域Ⅲ为比赛手动控制区域，可以手动选择比赛的双方，给每一方进行加分或者减分，以及选择速胜。区域Ⅳ，控制比赛的流程。区域Ⅴ操作信息的提示。

(3)屏幕显示

比赛中在场地边上的大屏幕显示比赛信息，如图7所示。信息显示界面显示内容有Ⅰ比分和倒计时显示，Ⅱ学校名称和校徽显示区域，Ⅲ、机器人和堡垒状态显示区域，默认3格“能量”，Ⅳ比赛信息显示区域。

以上对本申请实施例所提供的一种机器人竞赛裁判系统及其控制方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。