「2019-4」【每周分享】操作手如何知道自己的剩余弹量？

在工厂里，许多饮料装罐流水线都采用自动化的设备，无需人工，机器就能将瓶罐用饮料装满。机器只要设定好一个量，每次就能注入同量的饮料。

有种难度比较大的是，工厂补充水库的水量时，需要知道水量是否过低，然后再补充对应需要的水量。这需要机器自动检测水位，再计算所需水量。

要如何知道自己的剩余量呢？在 RoboMaster 比赛中，机器人也面临同样的问题。

机器人的弹仓容量是有限的，每进行完一轮射击攻击，就要赶紧“回家”补一次弹。

在虚拟的射击游戏中，游戏界面会实时显示剩余弹量，而真实比赛中，操作手不知道机器人剩余的弹量，往往在打得火热时，没弹了！只能被对手打得落花流水。

所以，检测机器人弹仓内的剩余弹量是非常有必要的。机器人如何获知剩余弹量？下面我们来分析，如何通过传感器和其他技术手段，来设计一个弹量检测装置。

弹量的检测原理一般有两种：一种是直接测机器人弹仓里有多少弹丸，另一种是检测之前补充的弹量，然后再减去打出去的弹量来获得。

最简单粗暴的方法就是直接检测弹仓内弹丸的数量。方法当然不是做一只手在弹仓里一颗颗地数弹丸啦，而是用称重的方式。

因为单颗弹丸的重量是固定的，所以只要测出总重量，再除以单颗重量，就可以得到数量了。微型称重传感器就可以满足我们的要求，它的精度达到 1g 甚至更低。

那么，传感器应该装在哪呢？因为弹丸在弹仓里，所以我们可以直接安装在弹仓下，就有：测得重量-弹仓重量=弹丸总重量。而且弹仓的材料普遍较轻（3D 打印材料或轻铝板），传感器的负载压力不会那么大。

但这有个大毛病，当机器人想瞄准上方目标时，云台就会抬起来，弹仓也会一起倾斜。我们用初中学过的受力分析看一下，传感器称到的重量就是弹仓和总弹丸在 y 轴上的分力了。

有人说只要检测云台的仰角 α，再把称到的 y 分量除以 cos α 不就得到重量了吗？嘿嘿，如果有这工夫，我就会选择下面这种方法。

另一种安装方式安装在整个云台下方，测量的是云台和弹丸的总重量，基本消除了云台运动带来的误差。

这种方法也有个毛病，就是传感器压力很大。整个云台包括了两个转动方向的电机，还有各种零部件，云台有这么大的负载还要求传感器有高精度，这些要求就会让传感器价格很贵。

同时由于云台结构存在内应力（材料内部的作用力），这种干扰的力也会对传感器产生一定的误差。

直接测弹仓内的弹量，这种方法虽然直接干脆，但将传感器装在运动激烈的机器人身上，对研发人员的技术水平有较高要求，也对检测效果有较大的影响。所以我们还有第二种方法！

机器人打光了弹丸之后需要再补充弹丸，间接检测就是检测机器人补充了多少弹丸，然后再检测之后打出去了多少弹丸，有：补充的弹量-打出去的弹量=当前弹量。

整个过程不需要知道弹仓弹量，但要求每次补给弹丸之前，都要将弹仓清空。

我们先看如何检测机器人补充了多少弹丸。

机器人的弹丸一般是通过补给站（相当于一个储存弹丸的仓库，机器人会从补给站处补给弹丸。）直接补给，所以最简单的方法就是：设定供给口打开的时长。只要弹丸流出过程的时间一样，弹丸数量就会一致。这和市面上的自动喂狗机的原理一样。

但这种方法精度太低，弹量很难控制住。

我们可以用第二种方法：在补给站底下加装一个带有称重传感器的预备弹仓，补给站先把弹丸放进预备弹仓，再给机器人。就像我们吃饭前会先把饭装进碗里再吃一样。这样就可以通过预备弹仓上的称重传感器获知弹量了。（当然在新赛季不用考虑了）

相比装在机器人上，补给站的安装更简单，只要保证没有外力影响，就可以精准测量。

如果经费有限，还可以考虑另一种方法——测量弹丸堆叠的高度，通过高度算出弹丸数量，这可以用光电传感器来实现。比起称重传感器，光电传感器的价格更低，实现方法也比较简单。

我们将传感器安装在容器顶部，传感器测量自己到弹丸的距离，从而算出弹丸堆叠的高度，用总的容器高度减去测量值就是弹丸高度。

但这种方法的精确度没有称重传感器好。因为弹丸堆叠得不齐整，同样的弹丸数量可能会有不同的高度。

因为补给站是固定的，使传感器工作环境稳定，受干扰因素较少。比起在机器人身上装传感器，补给站测量的精度会更高。

但机器人在补弹时，很可能会站歪导致没接住弹丸，漏一地的弹丸。这时，我们可以在补给站上装一些指示的 LED 灯，来指示机器人对准供弹口。（仅限于2018前的赛季）

知道了补充的弹量，只要再减去打击出去的弹量就可以算出剩余弹量了。

比赛规则规定，炮管外必须安装官方的裁判系统，弹丸发射时，裁判系统可以对发射状态进行检测，比如射击频率和射速。在检测时，系统会有中断，也就是每检测完一颗，系统就断开一次，所以我们可以读取中断次数来计数。

通过裁判系统读取的方式是最直接有效准确率也较高的方法。但必须熟悉裁判系统的工作原理才能加以利用。

如果不通过裁判系统，我们可以再次利用文中出镜率超高的传感器来获得打击弹量。

第一种是通过光电传感器，将它装在发射装置里，原理和测量英雄机器人补弹量一样，弹丸经过发射机构时，就会阻断传感器信号，从而检测发射次数。

第二种是通过电机码盘。弹丸在发射之前，会先进入拨弹机构，然后被拨盘拨进发射管路里。拨盘每转动一格，就拨进一颗弹丸。

电机里有电机码盘，可以检测电机转动的角度，从而知道拨盘转了多少格，通过读取码盘数据就可以获得打击弹量了。但前提是拨弹电机不空转。（空转就是电机转动，但拨盘却没动）

相比通过裁判系统或加装光电传感器读取数据，这种利用码盘的方法是最简单。因为这不需要加装其他器械，而且在控制机器人的时候，我们正好也需要读取电机码盘的数据，不需要增加过多的额外操作。

但这得保证拨弹电机不会空转，否则测量数据就会有很大误差了。

所有以上方式所得到的测量数据，最后都需要让机器人操作手知晓。RoboMaster 官方在裁判系统的设定中开放了编写 CustomDATA 数据的权限，用户可以通过编程，让剩余弹量数据在电脑上显示。

其实，在激烈的比赛中，机器人到底剩 8 颗弹丸还是 10 颗弹丸都没有差别，因为都要“回家”补弹，所以我们在不追求精度的情况下，可以用更简单粗暴的方法——弹丸低于某个量就发出提示。

方法有很多种，这里举一个简单的例子，还是使用出镜率最高的光电传感器。我们将发射器和接收器分别装在弹仓内的两侧，当接收器接能够收到信号，就说明这个高度已经没有弹丸了。

然后再额外搭配一个非常小的控制器（比如 Arduino 控制器或单片机），再加上一个 LED 灯对不同的状态显示不同的颜色。一个简易的“弹量不足”警报就做好啦！

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以上讲了获知机器人剩余弹量的思路，其实不止在机器人比赛，同样的原理在生活中也被广泛应用。

比如在精确装瓶的制药厂中，需要对每瓶药精确地分配，就可以用称重传感器，保证每瓶药的重量以及颗粒数是一定的。

本文通过机器人需要知道剩余弹量的这个需求，来多角度分析了如何设计机器人的功能。希望这种分析方法可以为大家提供一个细致的思考问题的思路，在未来设计机器人或实际的生产应用中都有所帮助。

本期作者

深圳职业技术学院 RoboMaster 战队顾问

没事爱造无人机，热爱机器学习的博士生

本文来自 RoboMaster 技术智囊团许悦聪，文章部分有修改。如果你也希望加入技术智囊团，请通过robomaster@dji.com 联系我们。文章部分素材来自公共网络，侵权删除。

本期分享具有一定的时效性，在2019赛季可能有些内容已经不适用，仅供参考