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日本微鼠標迷宮賽

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該 比賽是以小型的自主型智能機械人(又稱微鼠標)進行迷宮賽走,微鼠標需要自主地由迷宮的起點走到迷宮中央的終點區,並儘量爭取最短的路線和最快的時間完 成。微鼠標比賽在日本機械人賽事中已有一段悠久的歷史,首次全日本微鼠標大會早在1980年已舉行,今年第25屆微鼠標大會亦在較早前完滿結束。

 

比賽方式

比賽時,迷宮賽走計時以起點區和終點區的紅外線傳感器作準。微鼠標由起點區出發並開始計時;首次到達終點區後停止計時亦作為該次賽走成績。選手可以選擇繼續探索迷宮或下一輪的賽走。經五次迷宮賽走後以最好的一次作為排名。

標準迷宮場規格

迷 宮由256區域的正方形組成,縱橫各16區域,每個區域為18cm×18cm。起點位於迷宮的角落佔一個區域大小,迷宮中央的終點區佔四個區域。迷宮場整 體面積為3m×3m,地板為無光澤的黑色塗層,間隔牆壁高度為5cm,厚1.2cm並塗上白色。起點區和終點區設有紅外線傳感器作計時之用。迷宮的佈置會 直到正式比賽才會公開。

微鼠標設置守則

1. 微鼠標必須是以電推動及自主式機械人。
2. 比賽開始後選手不得對微鼠標的硬件及軟件進行修改。
3. 微鼠標不可在迷宮內放置實體或留下記號。
4. 微鼠標不可跳過或攀登迷宮的牆、損壞賽場。
5. 微鼠標的投影大小需在邊長25cm的正方形之內,但沒有高度的限制。
6. 比賽期間微鼠標的大小仍需在只定尺寸內。

比賽組?

微鼠標大會分為專家級和入門級兩個組別,兩個組別是採用不同的賽場。專家級微鼠標比賽是選手渴望踏足的領域,分為預選和決賽兩階段,預選任務時間為七分鐘,決賽則為五分鐘,每隊有五次迷宮賽走機會。專家級選手有來自日本的優秀隊伍,而海外有實力的人士亦會被邀請參加。
入門級微鼠標比賽對象主要是學生或初學者。與專家級相比,迷宮路徑複雜度較低外,賽場面積亦只有標準迷宮場的四分之一,以增加選手完賽事的機率。其任務時間由去年的十分鐘縮短至七分鐘,迷宮賽走有五次機會。

馬達類型

在微鼠標賽中採用的馬達類型主要可區分為步進馬達和DC馬達。

步進馬達

步進馬達是透過給予脈衝信號來控制,可以決定馬達轉向的角度大小。因此,可較易掌握車子的位置和所需的轉向幅度,但缺點是速度難以提升。

DC馬達

DC馬達有著轉速高和小巧的優勢,但控制方面難度較高。因為無法直接知道馬達轉了多少,而難以確認車體位置。據了解大多數的微鼠標的入門者都會採用步進馬達,專家級的則採用DC馬達較多。

微鼠標基本傳感裝備

設計微鼠標,參賽者都會有自己的獨特見解,但也會有一套技術指標或指定裝置,雖不是硬性遵守,卻是增加勝算的不可缺裝備。

超聲波測距傳感器

超聲波測距傳感器和是走迷宮的基本裝備,根據傳感器接受到的信號,機械人可以作出相應的轉向調整避開障礙物。超聲波測距傳感器的工作原理是發射超聲波,並檢測反射回波接收後的時差來測量距離。

紅外線避障傳感器

紅外線避障傳感器都休是走迷宮的基本裝備,它是以發射紅外線及接收反射回來的信號強度來測量距離。跟超聲波測距傳感器相同,兩者都是非接觸式的測量工具,一般也是安裝在微鼠標正前方及左右兩則。

碰撞傳感器

使用碰撞傳感器作為迴避障礙物是最簡單直接的,只要傳感器被擠壓或衝擊就會將數位信號傳送到微鼠標的主控板以執行對應指令。但由於需要直接碰撞微鼠標才可作出反應,這會影響路線識別的表現,亦大大降了行車速度。

專家組冠亞季軍介紹

今屆東日本區的專家級微鼠標賽,共38隊參加,能夠完成賽事的有25隊,結果較上屆共45隊參賽隊伍卻只有23隊能夠完成的成績好。

今 屆微鼠標比賽冠軍得主是井藤先生製造的「Silf-NS3」。在第一次賽走中,「Silf-NS3」來到分歧路段和轉角位時,都會稍為停頓然後再作轉向。 經幾次的迷宮賽走後,已記錄了迷宮大部分的路線圖,得出迷宮的地圖,再分析出通往中央區域的最佳路線。於第五次的賽走,「Silf-NS3」以全速走迷宮 直達終點區且途中不需要任何停頓,結果以6.23秒的創下今屆最佳記錄。其實井藤先生已上屆東日本地區微鼠標大會的盟主,在微鼠標界甚有名氣。今次勝利更 令他成為本地區連續兩屆的霸主。

至於亞軍得主是有「ROBO-ONE之父」稱號 的森永英一郎先生。在兩足人型機械人比賽出現前,森永先生已經多次參加微鼠標比賽,而且屢獲佳績。他亦經常透過網站和講座等教授微鼠標的初學者,為微鼠標 界作出一大貢獻。今回他所製作的「MF2007A」於第一次迷宮賽走中,不斷探索迷宮各條路徑。終於在第四次以8.63秒創下最佳記錄。

而季軍則是法政大學電氣研究會的澤邊先生,他製造的「去年???????」以9.91秒完成賽事。大會表示今屆選手的水準相當高。因為去年東日本地區的冠軍Silf-NS37是唯一能夠在10秒內完成的,季軍只能創出15.4秒的最佳時間。

微鼠標之「神」

井 谷先生於1984年首次參加微鼠標比賽,其後他在日本微鼠標全國大會中總共讖羸得十次冠軍,而得到微鼠標之「神」的稱號。在第26屆的中部地區微鼠標大會 中,他又再次獲得了冠軍。今次他的「微鼠標3」為六輪設計,採用四門懸掛技術,能夠實現斜線過彎。雖然他沒有參加東日本區賽,但於日本全國賽中他必與上述 三名高手碰頭,譬必有一番龍爭虎鬥。

 

冠亞軍微鼠標

今 屆冠軍井藤先生的「Silf-NS3」也是採用了DC馬達,其鼠標更採用低重心和輕量化設計,以碳纖維複合材料(CFRP)作為材料,車體重量只有98 克。而隨著技術的不斷提升,採用DC馬達將成為主流。然而今屆亞軍森永先生的「MF2007A」卻是以步進馬達推動,目的是挑戰步進馬達的極限。當日 「MF2007A」的速度令人讚嘆,森永先生以步進馬達創下佳績總算達到了目標。今後森永先生計劃設計一台採用DC馬達推動的微鼠標,務求創出更快的佳 績。

新款賽場 Vs 實體機

今次東日本大會,更首次公開新賽制的微鼠標賽場,並以實驗機進行實地測試。當日展示的實驗機尺寸為5×5×5cm左右,採用鎳氫(Ni-MH)電池。消息透露實驗機將於2008年夏季對外發售。

走迷宮小錦囊

微 鼠標探索迷宮的方法層出不窮。有的會用「向心法」來走,當在分歧路段時,微鼠標會以現在位置和中央的終點區比較,並選擇朝向終點區的方向。有的則採用「左 手法則」走迷宮,即每當在分歧路段時微鼠標都會向左轉。當微鼠標經幾次的迷路探索後,大概得出迷宮的地圖後。經程式自行分析後,計算出多條路徑的長短和彎 位的數目,最後選出較佳路徑。當兩條路段的長短相約時,就應選擇彎位數目較少的一條。雖然可能走遠了一點,但完成時間可能更短。因為在直路時有利微鼠標加 速,相反在彎位微鼠標就少不免要減速了。

迷宮探索方法

微 鼠標首次迷宮賽走,只知道迷宮整體的大小、起點區和終點區的位置,而迷宮各區劃的牆壁間隔是一無所知。因此,微鼠標最初賽走是探索迷宮的環境,將所到之處 的牆壁和路段位置記錄下來,並找出到達終點的路徑。之後的賽走速度應愈來愈快,因為隨賽走次數增加對迷宮的佈局便愈了解,所以通常在第四次和第五次賽走, 往往是選手創造最佳記錄的時機。

確認身處位置

究 竟微鼠標是如何確認身處位置和得出迷宮的地圖呢?迷宮由256區域的正方形組成,縱橫各16區域。我們可將這256區域想像成格仔紙上的方格,以座標方式 表示區域位置(橫向為X軸和縱向為Y軸)。假設起點區座標為(0,0),佔四個區域並位於中央的終點區座標即為(7,7)、(7,8)、(8,7)和 (8,8)。再以東、南、西、北四方位表示微鼠標朝著的方向。加上大部份微鼠標的前方及左右兩側都裝有傳感器,這就可探測出牆壁的位置並其將其記錄起來。

 

 

微鼠標實戰情況

以 下就以一個4 X 4區域大小的小迷宮8為大家解釋。假設起點區和終點區分別位於(0,0)和(3,3)。每當微鼠標前進一個區域,就會以傳感器探測牆壁的位置。開始時,微 鼠標得知前方沒有壁而進進,當到達(0,1)再得知北方和東方沒有牆壁,可選擇前進或右轉(根據程式設定)。假設前進來到區域(0,2),微鼠標得知是 「掘頭路」,然後倒車返回(0,1),接著右轉繼續。這樣就得出了區域(0,0)、(0,1)和(0,2)的迷宮地圖。經幾次的迷宮探索後,微鼠標就可得 出整個迷宮的地圖。如果通往終點區的路線多於一條,微鼠標可記錄走過了多少區域(重覆走過的將被扣減),得出通往終點區的最短路線。

 

 

極速勁走賽

另一剌激項目,便是極速勁走賽,比賽要求微鼠標在迷宮的最外周的路段繞兩圈。選手在三分鐘內有三次賽走機會,取其最快的一次作為成績。這比賽看來很簡單,但要在十秒內完成絕非易事。因為微鼠標高速行駛同時亦需要流暢地過彎,不少微鼠標因速度過快來不轉彎就撞向牆壁了。

今 屆極速勁走賽冠軍同樣由井藤先生包辦,他的「Silf-NS3」以9.50秒最佳記錄完成。亞軍則是米先生製造的Momoco07,首回賽走中就創下 9.70秒的成績直迫首位的井藤先生。於第二和三次賽走,米先生將微鼠標的速度進一步提升,但結果於第二圈的途中撞向牆壁而未能創出更快記錄。
而森永先生的MF2007A亦在項目中取得季軍,一般人認為今次MF2007A的圈速已將步進馬達發揮到極限了。MF2007A在大直路全速行駛,而在彎位前明顯減速,採取穩中求勝的策略。

微鼠標走向微型化與時並進

日 本微鼠標大會已經有多年歷史,大會認為有必要進一步升選手的技術水平。而科技產品走向微型化是一直以來的趨勢,於是大會計劃於2009年第30屆全日本微 鼠標大會,採用新的微鼠標賽制。新賽制下的鼠標為現定尺寸的一半,迷宮每個區劃的尺寸由18 x 18cm縮小至9×9cm。舉辦微鼠標賽的主辦單位田代先生表示:由於新賽制下的鼠標和賽場尺寸將為原來的一半,難度相應提高。計劃會先在專家級組別中施 行,入門級組別則採用現時的賽制機會較大。

迷你微鼠標

當日除了實驗機的示範外,原來微鼠標專家的井谷先生已經研發出迷你的微鼠標了,他更即席示範。雖然是首次在賽場進行測試,但微鼠標幾次都能夠到達終點並會探索迷宮各路徑,最後更以最短的路徑到達終點,令在場人士為之吃驚。

總結

微 鼠標賽是極為講求速度和軌跡辨別的能力,以爭取最短的時間完成。因此需要相當高的技術,無論硬體或軟體都缺一不可。不論迷宮的佈局怎樣變化,微鼠標都應能 通過不斷探測找到終點。一般微鼠標由行走機構、導向及障礙探測器、控制系統組成。可以完成前進、後退、斜行、橫移、轉彎等動作。在微鼠標穿越迷宮的整個過 程,展示了全方位行走和路線識別技術。


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