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作者：内蒙古科技大学 齐耀旭 郝剑波 陆剑锋

指导教师：郭宇 高丽丽

　 作品简介

　　1.1 开发背景

　　随着人类科学技术的发展，人工智能化已经成为各类产品的一种发展趋势，许多娱乐性的玩具也都走向自动化、智能化。本作品就是基于科学技术发展的产物。以前，人们总是自己动手来解魔方，那么在科学技术高速发达的今天，为什么不让机器来帮忙解魔方呢?如此一来，本作品便应运而生了。解魔方机器人不仅仅是一种娱乐工具，更是一种科学艺术。

　　1.2 结构说明

　　下图为总体结构：

　　(1). 主控模块：本模块采用比赛要求的ARM kinetis K10来控制。

　　(2). 舵机模块：本作品采用了8块舵机。外围4个控制舵机的伸缩，内圈4个控制魔方的顺时针和逆时针旋转。

　　(3). 摄像头模块：本作品采用高清摄像头做为我们机器人的眼睛。

　　(4). 上位机部分：本软件采用C#为源码编写，它包含实时计时功能、视频显示功能、抓取魔方、读取颜色功能、截图调试并识别功能、串口设置功能等。

　　1.3 功能与使用说明

　　(1)功能

　　本作品可完成对魔方颜色的读取并解开魔方的功能，上位机可以实时记录解魔方所用的时间,时间根据魔方的打乱程度不同而不同，平均大概二分钟多就会解完。

　　(2)使用说明

　　首先，人工将魔方随意打乱，点击抓取魔方，让机器人抓取魔方，接着点击读取颜色，魔方便开始将六面的读入，点击识别，上位机进行处理、计算之后，将解法发给下位，此时开始计时，与此同时，机器人也开始解魔方。结束后，计时停止。机器人的手自动松开，由人工将其取出。

　　1.4 作品特色

　　本作品实现了从传统的人工解魔方到智能的机器人解魔方，其中不乏趣味性，此科技作品解放了人的双手，让机器自己来解，具有一定的欣赏价值，同时也具有一定的艺术价值，更具有一定的创新性。

　　平台选型说明

　　2.1 ARM控制板介绍

　　ARM主要模块介绍如下：

　　(1)通信模块：UART 模块; SPI 模块; I2C 模块; I2S 模块; CAN 模块。

　　(2)模/数处理模块： A/D 转换模块(ADC) ; D/A 转换模块(DAC) ; 电压比较器(CMP); 触摸感应接口(TSI)。

　　(3)定时相关模块： 可编程延时模块(PDB) ; Flex 定时器(FTM); 周期中断定时器(PIT);低功耗定时器(LPTMR) ; 载波调制发射器(CMT); 实时时钟(RTC)。

　　(4)存储相关模块： FLASH 在线编程模块(FTFL);存储卡驱动模块(SDHC)。

　　ARM引脚介绍如下：

　　2.2 ARM控制板的选择

　　由于ARM拥有以上功能，再加上ARM体积小、低功耗、低成本、高性能，寻址方式灵活简单，执行效率高，所以此科技作品采用的主控为ARM。

　　设计说明

　　3.1 设计方案

　　硬件系统设计：

　　主控制模块：本作品采用ARM系列单片机为主控，我们使用的功能有8路PWM、串口等。如图：

　　舵机模块：作品采用的舵机如图所示：

　　舵机工作原理: 舵机常用的控制信号是一个周期为20毫秒左右，宽度为1毫秒到2毫秒的脉冲信号。当舵机收到该信号后，会马上激发出一个与之相同的，宽度为1.5毫秒的负向标准的中位脉冲。之后二个脉冲在一个加法器中进行相加得到了所谓的差值脉冲。输入信号脉冲如果宽于负向的标准脉冲，得到的就是正的差值脉冲。

　　如果输入脉冲比标准脉冲窄，相加后得到的肯定是负的脉冲。此差值脉冲放大后就是驱动舵机正反转动的动力信号。舵机电机的转动，通过齿轮组减速后，同时驱动转盘和标准脉冲宽度调节电位器转动。直到标准脉冲与输入脉冲宽度完全相同时，差值脉冲消失时才会停止转动。

　　机械结构搭建：本作品采用塑料棒与实心铁丝搭建而成，搭好的实物如图：

　　摄像头模块：本作品采用的摄像头如图所示

　　本摄像头采用像素为1000万、传感器为CMOS的摄像头。

　　(2) 软件系统设计

　　上位机软件设计

　　本软件采用C#为源码编写，具有计时、控制下位机等许多功能。设计好的上位机界面如下图所示：

　　我们的上位机软件可以在视频窗口截取我们想要的图片并保存，然后再读取固定位置的颜色RGB值，经过多次取平均值之后，与我们设置的阈值进行比较，得到颜色，再经我们的魔方算法得出需要旋转魔方的过程，发送下位机动作，同时开启计时功能，当解好之后，时间计时停止，得到解魔方时间。

　　魔方算法

　　一个魔方可以由一串字符串表示: UF UR UB UL DF DR DB DL FR FL BR BL UFR URB UBL ULF DRF DFL DLB DBR，其中 U: Up F: Front R: Right L: Left D: Down B: Back

　　这种表示法是由一个叫Mike Reid的人首先使用的，它表示一个已经被解好的魔方。其实这就是代表了空间坐标系的六个方向。表示法中包含了12组双字母的组合，分别代表了魔方的12个棱，第一组UF就表示Up和Front之间夹角的棱。另外还包含了8组三字母的组合，分别代表了魔方的8个角，每个角由三块颜色组成。看下面的示意图：

　　输出表示法:

　　这个程序的输出是这个样子：F- U+ F- D- L- D- F- U- L2 D-FRL之类的字母依然表示六个面，F-表示前层逆时针转90度，U+表示上层顺时针转90度，L2表示左边层转180度。

　　这里的顺时针和逆时针使用的是“观察者迎着某个面看”的参照系，例如B-是从下往上看的逆时针。

　　我们将得到的这个解法的程序整理成C#代码程序，并与我们设计的硬件结合，得出解魔方步骤。

　　颜色识别与处理

　　根据上面对魔方的规定与表示,我们先将颜色值放到数组当中，这样就可以按照下面的代码来让摄像头读取魔方六个面的颜色。

　　识别以后，交给上位机处理，再交给下位机执行。

　　3.2 设计原理

　　(1) 电路原理图

　　电路原理图是由kinetis k10主板和电源的转接板，这样我们可以很容易的插入舵机信号线，方便使用，下面是PCB图。

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