基於arduino平台的足球機器人在RCJ中的應用
學術研究
作者：李嘉秀
摘 要：以國際青少年機器人世界杯比賽中的機器人平台為對象，介紹了Arduino的功能特點，詳細分析了使用Arduino軟硬件平台開展中小學機器人教育的優勢，同時根據Arduino機器人的開發流程和環境，通過Arduino足球機器人中的典型應用——數字舵機給出了一個具體的應用案例，並結合實際效果進行了分析展望。
關鍵詞：Arduino；足球機器人；數字舵機；RCJ
中圖分類號：TP316 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）03-00-03
0 引 言
機器人是一門涉及運動學和動力學、係統結構、傳感技術、控製技術等多領域的交叉學科。國際青少年機器人世界杯比賽（RoboCup Junior，RCJ）是國際機器人世界杯比賽（RoboCup）的重要組成部分，其目標是通過組織機器人比賽，來推動世界範圍內的機器人研究和教育。RoboCup的教育和普及理念主要是通過RCJ活動來實現的。RCJ國際理事會是最高管理機構，負責相關的一切技術問題，管理問題，以及世界範圍內的推廣和普及。
RCJ國際比賽包括四個項目：機器人舞蹈、機器人救援、機器人足球以及Cospace。RCJ比賽分為兩個組：14歲以下的初級組，以及14～19歲的高級組。從2006年8月開始，RCJ中國委員會每年舉辦一次“中國機器人公開賽（RoboCup Junior China-Open）”以及國際青少年世界杯比賽中國賽區選拔賽。目前RCJ中國的活動已經成為RCJ在所有國家活動中參與人數最多的，其教育實施正是促使學生整合科學、技術、數學領域的知識，以工程標準化的思想進行綜合實踐的過程，具有較強的教育價值。
1 Arduino原理
Arduino是2005年冬由意大利一家高科技設計學校的兩位教師Massimo Banzi和David Cuartielles聯合建立的。Arduino是一個開放源代碼的單芯片微控製器，它使用了Atmel AVR單片機，采用了基於開放源代碼的軟硬件平台，建構於簡易輸出/輸入（simple I/O）接口板，並且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發環境。
1.1 Arduino功能特點
Arduino的主要功能特點如下：
（1）基於知識共享（Creative Commons）開放源代碼的電路圖設計和程序開發環境。
（2）免費下載，也可依需求自己修改，但需遵照姓名標示。
（3）依相同方式分享，若改變或轉變著作，當發布該衍生著作時，需采用與本著作相同或類似的授權條款。
（4）Arduino可使用ICSP線上燒入器，將Bootloader燒入新的IC芯片。
（5）可依據Arduino官方電路圖，調整電路板及元件，以符合自己實際設計的需求。
（6）可簡單地與傳感器，各式各樣的電子元件連接，如：紅外線、超音波、熱敏電阻、光敏電阻、伺服馬達等。
（7）支持多種互動程序，如Adobe Flash、Max/MSP、VVVV、C、Processing等。
（8）使用低價格的微處理控製器（Atmel AVR，ATMEGA 8、168、328等）。
（9）USB接口，不需外接電源。另外有提供直流（DC）電源輸入。
（10）應用方麵，利用Arduino，突破以往隻能使用鼠標、鍵盤、CCD等輸入的裝置進行互動內容的設計，可以更簡單地達成單人或多人遊戲互動
1.2 Arduino在中學機器人應用中的優點
根據Arduino平台功能特點結合中學的機器人教育課程，其展現出了強大的優勢：
（1） Arduino硬件平台開源並可擴展
Arduino是一個開源的硬件平台，學生可以通過查資料、買元件、焊接電路製作Arduino控製板。同時，很多廠商開發了各種各樣的Arduino控製板和外圍功能電路供選擇。對於學習機器人製作的學生而言，這樣就可以通過教師引導和自學等方式，得到自己所需的功能電路並實現對應的電路設計任務。這對學生了解機器人的硬件電路原理及製作大有幫助。
（2）Arduino軟件編程平台開源並可擴展
Arduino的編程器可以直接在網站上免費下載，而且網絡上有很多功能實現的例子和大量的SDK開發包和ADK工具包，這樣編程效率就會大大提高。
（3）簡易的編程環境
Arduino開發環境使用的語法與C/C++相近，這對於學習了基本的數學邏輯和計算機編程的高中生而言，容易掌握和使用。對於複雜的編程功能，學生可以通過直接調用已有函數或SDK開發包實現編程，甚至直接利用Arduino愛好者們已開發出的圖形化編程軟件進行搭積木式的編程，即使完全沒有編程經驗的人也可以嚐試給Arduino控製器編寫程序，非常簡單快捷。