足球機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、 足球機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 緒論 1.1 足球機(jī)器人的簡(jiǎn)介 RoboCup是The Robot world cup Soccer Games 的簡(jiǎn)稱， 1997年正式成立總 部設(shè)立在瑞士， 現(xiàn)有成員國(guó) 40多個(gè)。它是由國(guó)際人工智能學(xué)會(huì)組織的機(jī)器人世界 杯足球賽 (RoboCup)。 RoboCup機(jī)器人足球世界杯賽及學(xué)術(shù)大會(huì)是國(guó)際上級(jí)別高、 規(guī)模最大、影響最廣泛的機(jī)器人足球賽事和學(xué)術(shù)會(huì)議，每年舉辦一次。 1996年， RoboCup國(guó)際聯(lián)合會(huì)在日本成立，并于 1996年舉行了表演

2、賽，同時(shí)決定以后每年 舉辦一屆。自此機(jī)器人足球活動(dòng)波及的范圍越來(lái)越廣泛， 比賽的類型也不斷升級(jí)。 目前， RoboCup競(jìng)賽現(xiàn)分有仿真組比賽、小型機(jī)器人組比賽 (Small-size League(F-180)) 、中型機(jī)器人組比賽 (Middle —Size League(F2000)) 、Sony四腿 機(jī)器人比賽 (S0NY Legged Robot League)、類人機(jī)器人組、家庭組等比賽：迄今中型組代表該領(lǐng)域的最高水平。 中型機(jī)器人組比賽是 Robocup機(jī)器人足球世界杯賽的主要項(xiàng)目之一，自 1997 年第一屆 Robocup比賽開(kāi)始即是正式比賽項(xiàng)目。中型組的

3、機(jī)器人是完全自主的， 擁有局部視覺(jué)系統(tǒng)，多種傳感器， 是典型的多智能體分布式控制的測(cè)試平臺(tái)。 所有的機(jī)器人必須完全自主控制， 并且不得在場(chǎng)地外設(shè)置和使用全局傳感器。 比賽機(jī)器人通過(guò)顏色來(lái)識(shí)別場(chǎng)地上的特定目標(biāo)， 比賽規(guī)定如圖 1.1 所示，場(chǎng)地為綠色，官方比賽用球是任意橙色國(guó)際足聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)尺寸 5號(hào)球，邊界為白色，雙方球門(mén)分別為黃色和藍(lán)色， 球門(mén)左右兩邊的角柱上下三分之一涂成己方球門(mén)的顏色， 中間三分之一涂成對(duì)方球門(mén)的顏色， 而比賽用的機(jī)器人必須涂成黑色， 參賽雙方機(jī)器人一方貼有紫色 (Magenta) 數(shù)標(biāo)，另一方貼有藍(lán)色數(shù)標(biāo) (Cyan) 。中型組比賽中機(jī)器人的尺寸要求是不超過(guò) 0.5m

4、0.5m 0.8m，重量不超過(guò) 75kg。機(jī)器人之間可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊， 從而協(xié)調(diào)機(jī)器人之間的動(dòng)作， 實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人合作完成比賽目標(biāo)。 圖 1.1 中型機(jī)器人比賽場(chǎng)地圖 1.2 RoboCup 中型組足球機(jī)器人 RoboCup機(jī)器人足球賽的目的主要是通過(guò)各種項(xiàng)目的競(jìng)賽，提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 平臺(tái)，使人工智能、精密機(jī)械設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)、傳感器設(shè)計(jì)、機(jī)器視覺(jué)、多傳感 器信息融合等技術(shù)

5、能夠在這個(gè)平臺(tái)上試驗(yàn)、 整合。選擇足球作為這個(gè)研究的平臺(tái) 可以使眾多最新的科技能夠在這個(gè)富有挑戰(zhàn)性和吸引力的平臺(tái)上得到最快的檢 驗(yàn)，也可以吸引更多的人和組織參與到這個(gè)項(xiàng)目中，促進(jìn)機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展。 足 球機(jī)器人是在動(dòng)態(tài)環(huán)境中組建一支高速運(yùn)動(dòng)、 機(jī)動(dòng)靈活的機(jī)器人球隊(duì)和一支具有 等同實(shí)力的機(jī)器人球隊(duì)的比賽，極具挑戰(zhàn)性。 倡導(dǎo)者們預(yù)言：“到 2050年，一個(gè)全部由自主的人形機(jī)器人組成的足球隊(duì)， 按照國(guó)際足聯(lián) (FIFA) 的規(guī)則將與當(dāng)時(shí)的世界杯冠軍隊(duì)進(jìn)行足球比賽， 并且要贏得 這場(chǎng)人機(jī)大戰(zhàn)的勝利。 " 這也是機(jī)器人足球發(fā)展的目標(biāo)。 Rob

6、oCup的比賽項(xiàng)目主要有： Simulation League( 仿真 2D／3D組比賽 ) 、 Smal1-Size League( 小型組比賽 ) 、 middle-Size league( 中型自主機(jī)器人比賽 ) 和 SONY Legged Robot League(SONY四腿機(jī)器人足球賽 ) 等幾種。 RoboCup中型組是 RoboCup Soccer中的很重要的一種比賽項(xiàng)目，每屆比賽都 有很多世界的知名大學(xué)和科研結(jié)構(gòu)參加， 代表了機(jī)器人研究相應(yīng)領(lǐng)域的世界最高 水平。 RoboCup中型組比賽的最大特點(diǎn)是比賽中沒(méi)有場(chǎng)地的全局信息，因此機(jī)器

7、 人必須攜帶自己的傳感器和視覺(jué)設(shè)備 ( 攝像頭 ) ，比賽時(shí)，機(jī)器人完全自主： 其傳感器、驅(qū)動(dòng)器、 電源以及外部控制單元都必須是安裝在機(jī)器人本體上， 除了將機(jī)器人放入場(chǎng)地和拿出場(chǎng)地外， 其他場(chǎng)合不允許人的外部干預(yù)， 允許使用外部控制單元，但很多隊(duì)伍都沒(méi)有采用，比賽中，機(jī)器人與主機(jī)之間使用無(wú)線通訊系統(tǒng)。 根據(jù) RoboCup中型組 2004年比賽規(guī)則，比賽場(chǎng)地為 12m×8m的綠色矩形區(qū)域，球門(mén)一方為黃色， 在其球門(mén)線兩側(cè)球場(chǎng)邊界處是兩端黃色中間藍(lán)色的標(biāo)志桿， 球門(mén)另一方為藍(lán)色， 在其球門(mén)線兩側(cè)球場(chǎng)邊界處是兩端藍(lán)色中間黃色的標(biāo)志桿， 球 場(chǎng)用白線作為邊界和點(diǎn)

8、球、罰球、半場(chǎng)等的標(biāo)記。比賽用球是橙色的 FIFA標(biāo)準(zhǔn) 5 號(hào)球。比賽雙方機(jī)器人隊(duì)員個(gè)數(shù)必須相等， 并且最多不能超過(guò) 11個(gè)球員，其中必須有一個(gè)守門(mén)員機(jī)器人。 隊(duì)員機(jī)器人基色為黑色， 在頂部帶有一個(gè)標(biāo)志其所屬代表對(duì)的顏色， 每個(gè)機(jī)器人的大小大概在 50×50× 80cm的范圍內(nèi)，重量最多不能超 過(guò) 40kg。在整個(gè) RoboCup中型機(jī)器人比賽系統(tǒng)中，一共需要八種顏色來(lái)區(qū)分物體和邊界，它們分別是：球場(chǎng)表面一綠色、球場(chǎng)線和球場(chǎng)邊界一白色、球一橙色、一方球門(mén)一黃色、另一個(gè)方球門(mén)一藍(lán)色、 機(jī)器人一黑色、 一方代表隊(duì)顏色一淺藍(lán)色、另一方代表隊(duì)一紫色。 RoboCup中型組機(jī)器

9、人比賽的規(guī)則非常詳細(xì)和具體，涉及到了方方面面， 這樣就能夠使得根據(jù)比賽現(xiàn)場(chǎng)的任何情況都有章可循， 為比賽的公平，公正奠定了良好的基礎(chǔ) 4 圖 1-1 RoboCup 中型組的比賽場(chǎng)面 根據(jù) RoboCup中型機(jī)器人的特點(diǎn)， 可見(jiàn)整個(gè) RoboCup中型機(jī)器人的系統(tǒng)包括的研究?jī)?nèi)容主要有移動(dòng)機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)與控制技術(shù)、 機(jī)器人視覺(jué)、 多傳感器信息 融合技術(shù)、智能機(jī)器人系統(tǒng)、實(shí)時(shí)規(guī)劃與推理、智能體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、

10、多智能體協(xié)調(diào) 設(shè)計(jì)、有限帶寬下的通訊技術(shù)等。 移動(dòng)機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)和控制技術(shù)以及智能體 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要涉及到機(jī)械加工和自動(dòng)化控制等方面的內(nèi)容， 良好的設(shè)計(jì)、 精細(xì)的 加工等要求都很高。機(jī)器人視覺(jué)既可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)也可以通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 軟件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是成本低， 但是在實(shí)時(shí)性方面不如硬件實(shí)現(xiàn)效果好。 如果用硬件 實(shí)現(xiàn)則價(jià)格過(guò)于昂貴， 我們認(rèn)為只要用軟件實(shí)現(xiàn)的速度達(dá)到要求就是可行的， 因 為即使用硬件雖然速度很快，但是我們的機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)速度最快為 2m／s，用 軟件實(shí)現(xiàn)也比這個(gè)速度快得多。 所以我們最終采用了機(jī)器人視覺(jué)用軟件實(shí)現(xiàn)的方 案。多傳感器的信息融合

11、技術(shù)主要包括場(chǎng)外的教練機(jī)如何根據(jù)多個(gè)機(jī)器人通過(guò)無(wú) 線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行篩選、 計(jì)算而得到正確的數(shù)據(jù)， 因?yàn)閱蝹€(gè)機(jī)器人得到的信息有可能出現(xiàn)誤差。 智能機(jī)器人系統(tǒng)和實(shí)時(shí)規(guī)劃與推理涉及到機(jī)器人的許多方面的內(nèi)容， 是人工智能在機(jī)器人上的充分體現(xiàn)， 以前還有許多技術(shù)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵突破。多智能體協(xié)調(diào)控制主要涉及多機(jī)器人在比賽中如何進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)配合， 因 為 RoboCup機(jī)器人足球比賽跟人類的足球比賽一樣，只希望一個(gè)隊(duì)員就能破門(mén)得 分是很困難的， 而大部分的進(jìn)球都是多個(gè)機(jī)器人靈活配合下的結(jié)果。 有限帶寬下的通訊技術(shù)主要是機(jī)器人之間、 機(jī)器人和教練機(jī)之間的及時(shí)通訊技術(shù)， 由于現(xiàn)在傳遞的

12、信息不是太多，在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)條件下可以滿足比賽的要求。 中型組足球機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 我國(guó)的足球機(jī)器人事業(yè)起步比較晚， 但是充分利用快速優(yōu)勢(shì)，發(fā)展迅速， 有些方面已經(jīng)接近或者達(dá)到國(guó)際水平。 1998年?yáng)|北大學(xué)的 NEWNEU機(jī)器入足球隊(duì)成 立，它是一支硬件、軟件完全自主開(kāi)發(fā)的機(jī)器人足球隊(duì)。先后獲得了國(guó)家 863智 能機(jī)器人主題辦和國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。 1999年8月，東大 NEWNEU IK出 征巴西，參加世界杯賽 FIRA CUP’99，獲 MIROSOT第五名，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作比賽冠軍， 實(shí)現(xiàn)金牌“零”的突破； 1999年10月，東大 NEWN

13、EU參加在重慶大學(xué)舉行的第四屆 全國(guó)大學(xué)生課外科技成果“挑戰(zhàn)杯”賽， 榮獲一等獎(jiǎng)； 1999年11月，東大 NEWNEU 機(jī)器人足球隊(duì)參加在哈工大舉行的首屆中國(guó)機(jī)器人足球錦標(biāo)賽，獲 S-MIROSOT和 MIROSOT兩項(xiàng)冠軍； 1999年9月，東大 EWNEU足球機(jī)器入系統(tǒng)作為中國(guó)科技領(lǐng)域的 最高成就被調(diào)進(jìn)京參加 《光輝的歷程 - 中華人民共和國(guó)建國(guó) 50周年成就展》；1999 年 10月NEWNEU足球機(jī)器人系統(tǒng)作為國(guó)家 863計(jì)劃成果參加在深圳舉行的《中國(guó)國(guó) 際高新技術(shù)成果交易會(huì)》： 2000年3月，遼寧省科委主持了《威望足球機(jī)器人

14、研 究與開(kāi)發(fā)》技術(shù)鑒定會(huì)，國(guó)內(nèi)權(quán)威專家一致認(rèn)為：該系統(tǒng)“添補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空自”， “達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平”。 在經(jīng)歷了 2001年的低谷， 2002年?yáng)|大 NEWNEU在軟件和硬 件方面都有了很大的提高，取得了不錯(cuò)的戰(zhàn)績(jī)： 5月在韓國(guó)舉行的機(jī)器人足球世 界杯賽上取得了一項(xiàng)亞軍和兩項(xiàng)季軍； 6月全霞錦標(biāo)賽包攬了圈頸冠軍； 10月受 FIRA總部指派參期予德國(guó)舉行的六強(qiáng)邀請(qǐng)賽并獲得了季軍。 在東北大學(xué)機(jī)器人足球隊(duì)自身發(fā)展的同時(shí)也為國(guó)內(nèi)十多個(gè)兄弟院校提供軟件硬件系統(tǒng)， 致力于促進(jìn)中國(guó)的機(jī)器人足球事業(yè)發(fā)展。 在RoboCup比賽項(xiàng)目上，清華大學(xué)和中國(guó)科技大學(xué)代表了中國(guó)最高水平

15、。國(guó)內(nèi)的參賽隊(duì)伍一般都是參加 RoboCup仿真組比賽。中國(guó)科技大學(xué)是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展RoboCup工作的單位，第一個(gè)闖入了世界杯 16強(qiáng)。清華大學(xué)則后來(lái)居土，在 2001 的 RoboCup仿真組中第一次參加比賽即一舉奪得金牌， 實(shí)現(xiàn)了中國(guó) RoboCup金牌零的突破， 2002年又在日本摘桂，蟬聯(lián)冠軍， 獲得該項(xiàng)目比賽亞軍的是北京理工大學(xué)，這說(shuō)明我們國(guó)家在 RoboCup仿真比賽中己居世界前列。目前也有一些院校在進(jìn)行其它比賽項(xiàng)目的研究，并取得了不錯(cuò)的成績(jī)。 今天中國(guó)的機(jī)器人足球正在逐漸發(fā)展和壯大起來(lái)，引起社會(huì)各界的極大興 趣，國(guó)內(nèi)己有幾十所大學(xué)和科研團(tuán)體在開(kāi)展這方面的研究。

16、他們對(duì)于中國(guó)的機(jī)器人足球事業(yè)的推動(dòng)和發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻(xiàn) 。 中型組足球機(jī)器人研究意義 RoboCup 中型組 足球機(jī)器人 比賽是近幾年國(guó)內(nèi)外新興的一個(gè)組別 , 它要求多個(gè)機(jī)器人在完全自主的狀態(tài)下完成控球 , 傳球 , 配合 , 射門(mén)等動(dòng)作 , 相當(dāng)于一個(gè)分布式多智能體控制系統(tǒng)。 其中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括： 圖像采集以及信號(hào)處理、 路徑規(guī)劃、無(wú)線通訊、控制決策、多傳感器信息融合等技術(shù)。因此 , 中型組機(jī)器人足球比賽最具挑戰(zhàn)性 , 也最能體現(xiàn)研究單位的科研實(shí)力。對(duì)智能 足球機(jī)器人 的研究成果可廣泛用于軍事、民用等眾多領(lǐng)域。 1.3 足球機(jī)器人的發(fā)展前

17、景 機(jī)器人足球方案的設(shè)計(jì)， 反映出開(kāi)拓者們對(duì)人工智能學(xué)科前沿的深刻理解與 敏銳的洞察力。在足球機(jī)器人的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，不僅要遇到機(jī)器人學(xué) (Robotics) ， 機(jī)電一體化，通訊與計(jì)算機(jī)技術(shù)等，而且還要面對(duì)圖像處 (Image-Processing) ，傳感器數(shù)據(jù)融合 (Sensor Data Fusion) ，決策與對(duì)策， 模糊理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，智能控制等學(xué)科內(nèi)容。 機(jī)器人足球， 它以高技術(shù)對(duì)抗的形式贏得了學(xué)術(shù)界的認(rèn)同， 一些學(xué)術(shù)刊物刊 登了機(jī)器人足球的專輯， 一些有影響的國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議也安排了專題討論。 一年一 度的 FIR

18、A CUP也同時(shí)召開(kāi)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，推動(dòng)相關(guān)科技的發(fā)展。機(jī)器人足球成為 高科技與體育，學(xué)術(shù)與興趣，科技與娛樂(lè)的完美結(jié)合， 這便是它發(fā)展的活力所在。 機(jī)器人足球之所以獲的如此迅猛的發(fā)展， 就是因?yàn)樗侨斯ぶ悄茴I(lǐng)域的理想 突破點(diǎn)，又是吸引年青人科研興趣與高技術(shù)攻關(guān)的完美結(jié)合點(diǎn)， 也是密切理論聯(lián) 系實(shí)際的極富生命力的成長(zhǎng)點(diǎn)。機(jī)器人踢足球，看似游戲， 其實(shí)展示了一個(gè)國(guó)家 信息和自動(dòng)化技術(shù)的綜合實(shí)力。足球機(jī)器人系統(tǒng)在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用景， 從技術(shù)的角度看， 機(jī)器人足球的直接應(yīng)用領(lǐng)域是各種智能機(jī)器人， 包括家用機(jī)器 人、醫(yī)用機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人和軍用機(jī)器人等。 最

19、大的應(yīng)用領(lǐng)域是網(wǎng)絡(luò)信息處理， 未來(lái)網(wǎng)絡(luò)信息空間中的軟件代理將以類似于足球隊(duì)員的方式， 通過(guò)合作在競(jìng)爭(zhēng)環(huán) 境中完成預(yù)定任務(wù)。 研究足球機(jī)器人對(duì)我們國(guó)家的科技發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步有著促進(jìn) 和推動(dòng)作用。 1.4 論文的主要內(nèi)容 中型自主足球機(jī)器人賽在 RoboCup國(guó)際機(jī)器人足球世界杯中具有重要的地 位，中型自主足球機(jī)器人要求控制系統(tǒng)感應(yīng)靈敏、響應(yīng)速度準(zhǔn)確、重量輕、體積 小。 本課題目的是研究設(shè)計(jì)一種 RoboCup中型機(jī)器人控制系統(tǒng)， 著重于從電路設(shè) 計(jì)方面提高其感應(yīng)靈敏性、響應(yīng)迅速性等。 1.5 本章小結(jié)： 首先根據(jù)控制

20、對(duì)象的控制要求來(lái)分析系統(tǒng)所需要的硬件結(jié)構(gòu)， 然后針對(duì)每一部分進(jìn)行詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)分析， 最后根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模，完成了速度軌跡規(guī)劃，為各種機(jī)器人的速度規(guī)劃提供了一個(gè)方法， 再次通過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，采用 PID 算法，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制。 2 足球機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu) 足球機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)典型的多智能體系統(tǒng) (Multi-agent System) ，球隊(duì)擁有五個(gè)足球機(jī)器人。 五個(gè)機(jī)器人在場(chǎng)上具有各自的角色如： 前鋒、后衛(wèi)、守門(mén)員，在比賽中分別承擔(dān)不同的任務(wù)。 比賽中，球隊(duì)的五個(gè)足球機(jī)器人要根據(jù)場(chǎng)上的局勢(shì)，通過(guò)互相配合的方式完成

21、給定的任務(wù)， 與對(duì)方對(duì)抗。足球機(jī)器人是機(jī)器人足球系統(tǒng)中的本體部分，一切控制策略及算法最終都是通過(guò)足球機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 所以中型組足球機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)對(duì)比賽起了至關(guān)重要的作用。 不同的控制要求決定了不同機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制策略。 所以本章首先討論機(jī)器人足球賽中型組比賽的系統(tǒng)組成、 工作模式及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 然后簡(jiǎn)要介紹足球機(jī)器人的比賽的要求。 圖 2-l RoboCup 小型組機(jī)器人足球隊(duì)工作場(chǎng)景示意圖 2.1 足球機(jī)器人的系統(tǒng)原理組成 在

22、機(jī)器人足球比賽中 ( 如圖 2-1 所示 ) ，比賽雙方都通過(guò)懸掛于球場(chǎng)上方 3m的 攝像頭來(lái)采集信息， 并且通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)的分析從而將比賽情況傳入控制主機(jī)， 由 主機(jī)上的決策程序根據(jù)比賽情況做出恰當(dāng)?shù)臎Q策和對(duì)策， 然后通過(guò)無(wú)線通訊系統(tǒng) 將最終的決策指令傳給機(jī)器人。 機(jī)器人接受到指令后做出相應(yīng)的動(dòng)作， 從而完成 整個(gè)工作流程。同時(shí)，在比賽場(chǎng)地上，機(jī)器人協(xié)同作戰(zhàn)，雙方對(duì)抗，各有攻防， 從而形成一場(chǎng)激烈的比賽。 我們可以把機(jī)器人足球系統(tǒng)分為下面幾個(gè)部分 : . ◆ 機(jī)器人小車子系統(tǒng) . ◆ 視覺(jué)子系統(tǒng) ◆無(wú)線通訊子系統(tǒng)

23、 . ◆機(jī)器人控制子系統(tǒng) ◆ 決策子系統(tǒng) 上述五個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成了大的閉環(huán)系統(tǒng)。 決策系統(tǒng)的指令通過(guò)無(wú)線通訊系統(tǒng)發(fā) 送給機(jī)器人小車系統(tǒng)， 控制子系統(tǒng)根據(jù)指令控制機(jī)器人相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)， 再由視覺(jué)子 系統(tǒng)采集場(chǎng)地信息，反饋給決策系統(tǒng)，完成閉環(huán)控制。 下面分別簡(jiǎn)要介紹各部分的組成以及系統(tǒng)對(duì)各部分的設(shè)計(jì)要求。 Strategies Making Wireless Soccer Robot sub-system Communication Sub-system Sub-system playground Visi

24、on Sub-system 圖 2-2 足球機(jī)器人系統(tǒng)組成原理圖 機(jī)器人小車子系統(tǒng)是比賽的本體部分，其性能的好壞直接關(guān)系到比賽的結(jié) 果。它設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于機(jī)器人的軟硬件設(shè)計(jì)。 視覺(jué)子系統(tǒng)是整個(gè)比賽的最終檢測(cè)反饋機(jī)構(gòu)， 它扮演機(jī)器人的“眼睛”。 它的主要任務(wù)是利用攝像頭實(shí)時(shí)采集比賽場(chǎng)地上的圖像信息， 通過(guò)圖像卡處理并且辨別這些圖像，得到場(chǎng)地上運(yùn)動(dòng)物體 ( 包括雙方 8個(gè)機(jī)器人和球 ) 的相關(guān)數(shù)據(jù)，主 要是每個(gè)機(jī)器人的橫坐標(biāo) x x、縱坐標(biāo) y 和其方向角度 ，并且將這些數(shù)據(jù)傳給主 機(jī)，以供主機(jī)上的決策系統(tǒng)進(jìn)行分析決策使用。

25、 無(wú)線通訊子系統(tǒng)的作用主要是完成決策指令的傳輸， 將決策系統(tǒng)的結(jié)果發(fā)送 給各個(gè)機(jī)器人，使其執(zhí)行相關(guān)的動(dòng)作。 決策系統(tǒng)上接視覺(jué)子系統(tǒng)，下連通訊子系統(tǒng)，是整個(gè)智能系統(tǒng)的中心樞紐， 是系統(tǒng)的“大腦”它主要功能是根據(jù)圖像系統(tǒng)提供的一系列的場(chǎng)景信息與及各 種傳感器信息， 對(duì)本方機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)做出最佳的決策， 同時(shí)將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指令 通過(guò)無(wú)線通訊系統(tǒng)傳給機(jī)器人 . 它的優(yōu)劣關(guān)系到機(jī)器人的智能化水平以及比賽的 成敗。 控制系統(tǒng)是決策系統(tǒng)和機(jī)器人本體之間的聯(lián)接部分，它是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的核心 處理部分， 如果決策系統(tǒng)是教練，那控制系統(tǒng)就是隊(duì)員的本

26、領(lǐng)，它的好壞關(guān)系到 機(jī)器人體現(xiàn)決策系統(tǒng)指令的好壞。 它的作用就是根據(jù)一定的算法來(lái)解析決策系統(tǒng) 的指令將它轉(zhuǎn)化為具體的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指令，并且控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。 2.2 足球機(jī)器人的系統(tǒng)工作模式 明白了足球機(jī)器人的系統(tǒng)組成， 對(duì)于我們來(lái)說(shuō)， 選擇合適的硬件和軟件系統(tǒng) 還得考慮機(jī)器人系統(tǒng)的整體工作模式。 根據(jù)機(jī)器人的決策部分在整個(gè)系統(tǒng)的作用 位置，可以將足球機(jī)器人系統(tǒng)工作模式分為以下兩種： （i ）基于視覺(jué)的足球機(jī)器人系統(tǒng) (Vision-Based Mobile Robot System) ； （ ii ）基于機(jī)器人的足球機(jī)器人

27、系統(tǒng) (Robot-Based Mobile Robot System) ，而根據(jù)機(jī)器人智能程度， (i) 又可以分為： ①基于視覺(jué)遙控的無(wú)智能足球機(jī)器人系統(tǒng) (Remote Brainless Vision-Based Mobile Robot System) ，簡(jiǎn)稱遙控機(jī)器人。 ② 基于視覺(jué)智能足球機(jī)器人系統(tǒng) (Brain On-board Vision-Based Mobile Robot System) 。 這樣我們就可以得到三種足球機(jī)器人的系統(tǒng)工作模式 第一種基于視覺(jué)遙控的無(wú)智能足球機(jī)器人系統(tǒng)，它所有的視覺(jué)處理、策略決 策和位置控制都在

28、主機(jī)上完成，就像遙控小車一樣。 第二種基于視覺(jué)智能足球機(jī)器人系統(tǒng)，這個(gè)時(shí)候機(jī)器人本體具有速度控制、 位置控制和自動(dòng)避障等功能。 主機(jī)僅通過(guò)視覺(jué)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行決策處理， 然后發(fā)出命 令給各個(gè)機(jī)器人， 機(jī)器人在根據(jù)命令做出行動(dòng)反應(yīng)， 為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障和速度控 制，機(jī)器人上面都裝有紅外、加速度等傳感器。 第三種基于機(jī)器人的足球機(jī)器人系統(tǒng)，這時(shí)足球機(jī)器人具有很多自主性，所 有的計(jì)算包括決策、控制都在機(jī)器人上面完成， 而主機(jī)只處理視覺(jué)數(shù)據(jù)， 然后將 有關(guān)信息傳給機(jī)器人。這個(gè)時(shí)候視覺(jué)系統(tǒng)就類似于一種傳感器。 不過(guò) , 任何一種模式的機(jī)器人都應(yīng)

29、該具備一些基本模塊 : 驅(qū)動(dòng)模塊、通訊模塊 和 CPU控制模塊。不過(guò)采用的模式不同，其設(shè)計(jì)方案都不同而已。我們系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)就是基于第二種模式 ( 即基于視覺(jué)智能機(jī)器人系統(tǒng) ) 來(lái)設(shè)計(jì)的。 2.3 ．足球機(jī)器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 比賽中，機(jī)器人足球隊(duì)的控制系統(tǒng)根據(jù)其功能層次， 可以劃分為決策控制和 運(yùn)動(dòng)控制兩個(gè)層次： 視覺(jué) 裁判 信息 信息 信息處理層 決 協(xié)調(diào)戰(zhàn)術(shù)層 策 控 任務(wù)層 制 動(dòng)作層 運(yùn) 動(dòng) 速度軌跡生成 控 速度軌跡跟蹤 制 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 圖 2-3

30、足球機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制總體結(jié)構(gòu)圖 如上層為決策控制部分， 它是一個(gè)多智能體系統(tǒng) (Multi-agent System) 的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。 它的主要功能是預(yù)測(cè)“球”和場(chǎng)上對(duì)手的運(yùn)動(dòng)， 組織安排球隊(duì)級(jí)的戰(zhàn)術(shù)和配合， 利用多智能體協(xié)調(diào)控制算法為每個(gè)機(jī)器人安排各自的“任務(wù)”。 所謂“任務(wù)”即為機(jī)器人應(yīng)該到達(dá)的位置及姿態(tài)。 決策控制部分采用分層控制處理結(jié)構(gòu)， 由信息處理層、協(xié)調(diào)戰(zhàn)術(shù)層、任務(wù)層和動(dòng)作層組成，如圖 2-3 所示。 信息處理層： 處理場(chǎng)上基本信息，經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)分析，得出綜合信息并更新舊的公共信息庫(kù)為后續(xù)決策提供知識(shí)。 協(xié)調(diào)戰(zhàn)術(shù)層：根據(jù)公共信息庫(kù)的知識(shí)，從戰(zhàn)術(shù)庫(kù)中選擇有

31、利于我方的戰(zhàn)術(shù)，更新球員角色分配表。 任務(wù)層：根據(jù)角色分配表中自己的角色，確定自己的動(dòng)作類型與目標(biāo)坐標(biāo)，更新私有信息庫(kù)。 動(dòng)作層：根據(jù)私有信息庫(kù)的知識(shí)，結(jié)合場(chǎng)上現(xiàn)實(shí)情形，選擇合適的執(zhí)行方案并調(diào)用基本動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。 底層為足球機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制部分， 它的功能是根據(jù)多智能體協(xié)調(diào)控制部分的給定的“任務(wù)”控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。足球機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制部分也可分為兩個(gè)部分： 速度軌跡生成 (Velocity Trajectory Generation) 部分：它針對(duì)決策控制部分制定的“任務(wù)”， 根據(jù)機(jī)器人當(dāng)前位置、 當(dāng)前速度、目標(biāo)點(diǎn)位置和目標(biāo)點(diǎn)速度，為足球機(jī)器人生成一條從“當(dāng)前

32、點(diǎn)”到“目標(biāo)點(diǎn)”的時(shí)間最優(yōu)的速度軌跡。 速度軌跡跟隨 (Velocity Trajectory Tracking) 部分：它控制足球機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)時(shí)控制足球機(jī)器人的速度跟隨生成的速度軌跡， 使足球機(jī)器人完成規(guī)定的“任務(wù)”。 2.4 足球機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 足球機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人、系如圖 2-4 所示。 決策子系統(tǒng)處理來(lái)自視覺(jué)的視覺(jué)、 決策和通訊四個(gè)子系統(tǒng)組成， 其相互聯(lián)實(shí) 時(shí)場(chǎng)景辨識(shí)數(shù)據(jù)，作出決策發(fā)出命令， 通過(guò)無(wú)線通訊給機(jī)器人小車， 決策子系統(tǒng) 相當(dāng)于機(jī)器人的“大腦”， 視覺(jué)子系統(tǒng)相當(dāng)于機(jī)器人的“眼睛”， 機(jī)器人小車相 當(dāng)于機(jī)器人

33、的“手腳”。 數(shù)字圖像 模式識(shí)別 決策子系統(tǒng) 視覺(jué)子系統(tǒng) 小 車 子 RB 2 系統(tǒng) 賽場(chǎng)  通訊子系統(tǒng) 圖 2-5 足球機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 MIROSOT機(jī)器人足球比賽的全視圖如圖 2-1 所示，它是由三個(gè)體積不超過(guò) 7.5cm× 7.5c m × 7.5c m 的機(jī)器人 ( 小車 ) 組成的球隊(duì)，在 150cm × 130cm球場(chǎng) 上自主運(yùn)動(dòng)。目的是將足球

34、 ( 橘紅色的高爾夫球 ) 撞入對(duì)方球門(mén)而力保本方不失球 或少失球。象我們所熟悉的足球比賽一樣，它具有一套判罰規(guī)則，如點(diǎn)球、任意 球等，由于電池容量有限，每半場(chǎng)五分鐘，中場(chǎng)休息 10分鐘、下半場(chǎng)結(jié)束時(shí)若為 平局，則有 3分鐘的延長(zhǎng)期，也實(shí)行突然死亡法和點(diǎn)球大戰(zhàn)。 球場(chǎng)上 (2m處) 懸掛的攝像機(jī)將比賽情況傳入計(jì)算機(jī)，由預(yù)裝的軟件作出決 策，再通過(guò)無(wú)線通信方式將命令傳給場(chǎng)上的機(jī)器人， 機(jī)器人協(xié)同作戰(zhàn)， 雙方對(duì)抗， 形成一場(chǎng)激烈的足球賽。 比賽過(guò)程中， 雙方的教練員與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員不得進(jìn)行干 預(yù)。 足球機(jī)器人系統(tǒng)的基本控制結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 2-5 硬件結(jié)構(gòu)在點(diǎn)

35、線框內(nèi) 人的干預(yù) 軟件 基于機(jī)器人的系統(tǒng) 集中控制器 特殊智能 基本動(dòng)作 基于視覺(jué)的系統(tǒng) 動(dòng)作行為 障礙回避行為 遙控?zé)o智能系統(tǒng) 速度控制器 左輪 右輪 編碼器 傳感器 RF 通訊模塊 硬件 圖 2-5 足球機(jī)器人基本控制結(jié)構(gòu) 除了特殊智能部分外每個(gè)機(jī)器人有相同的控制

36、結(jié)構(gòu)， 特殊智能部分， 包含著 每個(gè)機(jī)器人的特殊行為和策略，如守門(mén)員。 機(jī)器人基本行為有運(yùn)動(dòng)和障碼回避，基本動(dòng)作有射門(mén)、定點(diǎn)射門(mén)、截球、防守和攔截等，在足球賽中最基本也足最重要的動(dòng)作。在此基礎(chǔ)上在開(kāi)發(fā)出特殊行為， 決策層根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)做出決策，具體是對(duì)每個(gè)機(jī)器人部署，即選擇動(dòng)作， 再把動(dòng)作分解成基本行為。這就是實(shí)時(shí)決策和動(dòng)作決策選擇智能體 (ASM)。 1 無(wú)線通訊子系統(tǒng) MIROSOT比賽中，上位機(jī)和機(jī)器人之間以無(wú)線方式通信。主機(jī)的決策指令通過(guò)串行方式輸出至無(wú)線發(fā)射機(jī)， 經(jīng)調(diào)制后發(fā)射出去， 機(jī)器人內(nèi)的無(wú)線接收機(jī)解調(diào)出無(wú)線信號(hào)上所載命令信息， 然

37、后傳送給車載處理器。 在這種于視覺(jué)的足球機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人要靠上位機(jī)的指導(dǎo)來(lái)精確和快速完成攻防行為。 如果通信有誤，必然造成機(jī)器人的錯(cuò)誤動(dòng)作，直接導(dǎo)致錯(cuò)失良機(jī)或點(diǎn)球。再則， 比賽中機(jī)器人間 的相互碰撞是再所難免的。所以對(duì)無(wú)線通信的可靠性有很高的要求。此外， 由于機(jī)器人尺寸的限制，通信裝置的體積不能太大。 綜上所述，足球機(jī)器人系統(tǒng)中無(wú)線通信裝置需滿足以下四點(diǎn)要求頻率可選，通信速率高、性能可靠、體積小。 2 決策子系統(tǒng) 決策子系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，如當(dāng)前得分，誰(shuí)控制球，對(duì)方的水平等因素 安排各自的策略，決定是進(jìn)攻還是防守， 再山策略庫(kù)做出戰(zhàn)術(shù)部署， 策略應(yīng)根據(jù)

38、 比賽規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行提取，并存于知識(shí)庫(kù)中。知識(shí)庫(kù)中還應(yīng)有一個(gè)學(xué)習(xí)智能體， 用以不斷豐富策略。各種智能算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、 模糊算法、 遺傳算法學(xué)也可以應(yīng) 用到構(gòu)造策略庫(kù)以及策略選擇進(jìn)程中， 系統(tǒng)根據(jù)采取的對(duì)策， 計(jì)劃?rùn)C(jī)器人的任務(wù)， 轉(zhuǎn)化為路徑形式，然后發(fā)送出去，由一系列的指令決策機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。 3 視覺(jué)子系統(tǒng) 視覺(jué)子系統(tǒng)是足球機(jī)器人系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，由攝像頭、圖像卡等硬件設(shè) 備和圖像處理軟件組成。 它的主要任務(wù)是不斷地、 快速地采集處理賽場(chǎng)上的彩色圖像，并通過(guò)不斷地辨識(shí)橘紅色的高爾夫球和機(jī)器人外罩頂部的色標(biāo)， 及時(shí)得到場(chǎng)上運(yùn)動(dòng)物體的有關(guān)數(shù)據(jù)， 并將這些數(shù)據(jù)傳給

39、主機(jī)供主機(jī)上的決策子系統(tǒng)進(jìn)行分析、決策使用。 目前廣泛采用的是固態(tài)攝像頭， 因?yàn)樗哂蟹€(wěn)定性、可攜性和精確性等特點(diǎn)。 其中最具代表性的是電荷耦合器件攝像頭，簡(jiǎn)稱 CCD攝像頭。 根據(jù)圖像采集卡功能的不同，視覺(jué)系統(tǒng)的組成分為軟件法、軟硬件綜合法和硬件法三種方式。 采用軟件法時(shí)，圖像采集卡只完成圖像的數(shù)字化轉(zhuǎn)換。這種方式下，圖像采集卡的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、 成本低，但由于主機(jī)要完成大量的數(shù)字圖像信息的處理，加大了 CPU的開(kāi)銷。 采用軟硬件綜合法時(shí)， 圖像采集卡完成圖像的數(shù)字化轉(zhuǎn)換， 圖像壓縮等功能，這種方式的通用性強(qiáng)、 成本低、主機(jī)處理的圖像信息

40、量可以隨圖像的壓縮比的增大而減少。在圖像處理的精度范圍內(nèi)， 提高圖像的壓縮比可以提高主機(jī)的處理速度。這種方式的開(kāi)發(fā)周期相對(duì)較短。 采用硬件法時(shí)， 圖像采集卡完成圖像的數(shù)字化轉(zhuǎn)換、壓縮、分析和處理的功能，向主機(jī)傳送圖像處理的結(jié)果。由于大量的圖像信息都由圖像采集卡來(lái)完成， 從而減輕了主機(jī)的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理速度。目前，多采用 DSP技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖像采集卡上有專用的數(shù)字信號(hào)處理芯片、采用這種方式， 圖像采集卡的結(jié)構(gòu)和功能都是根據(jù)不同系統(tǒng)的具體要求來(lái)設(shè)計(jì)的， 通用性不強(qiáng)， 設(shè)計(jì)的周期較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)的成本也高。 綜上所述，視覺(jué)系統(tǒng)要盡量提高圖像處理速度，提高辨識(shí)精度，還要對(duì)各自的不

41、同的環(huán)境有迅速適應(yīng)的能力。 4 機(jī)器人車體子系統(tǒng) 機(jī)器人車體子系統(tǒng)按照決策系統(tǒng)的意圖去完成一定的行為，在整個(gè)系統(tǒng)中， 它扮演著執(zhí)行機(jī)構(gòu)的角色， 機(jī)器人車體子系統(tǒng)一般由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、 通信接收器、CPU和能源系統(tǒng)組成。機(jī)器人一般采用兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)輪子，電機(jī)要考慮力矩、轉(zhuǎn)速、能量消耗等因素，并選擇合適的電機(jī)控制芯片，由于受到機(jī)器人尺 寸的限制，選擇一個(gè)在功能、尺寸、能量消耗適合的 CPU是很重要的，能源系統(tǒng) 必須存儲(chǔ)足夠的能量以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人參加足球比賽， 同時(shí)為了保證電路板的正確運(yùn) 行，必須保持電壓的穩(wěn)定。 微型機(jī)器人的四個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)閉環(huán)而構(gòu)

42、成的智能決策與控制系 統(tǒng)他們共同協(xié)調(diào)運(yùn)作構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體，其邏輯關(guān)系如圖 2-6 所示。 決策子系統(tǒng) 無(wú)線通信子系統(tǒng) 機(jī)器人車體 子系統(tǒng) 比賽現(xiàn)場(chǎng) 視覺(jué)子系統(tǒng) 圖 2-6 足球機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成 可以說(shuō)，機(jī)器人足球賽實(shí)際上是目前國(guó)際機(jī)器人界關(guān)注的多機(jī)器人智能系 統(tǒng)的演練，它涉及到機(jī)器人的相互作用，協(xié)調(diào)交換知識(shí)，通過(guò)相互動(dòng)作配合以 期望在整體上完成一些非常復(fù)雜的動(dòng)作，多機(jī)器人的動(dòng)作協(xié)調(diào)配合以及系統(tǒng)控 制是當(dāng)前機(jī)器人及人工智能研究中非常前沿的課題。

43、 2.5 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 足球機(jī)器人是一種無(wú)線智能移動(dòng)小車， 為適應(yīng)比賽需要， 機(jī)器人設(shè)計(jì)應(yīng)包括 CPU板、通訊模塊、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)、傳感器等部分。且應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)技術(shù)要求：滿足尺寸要求： ( 切線、轉(zhuǎn)速 ) 運(yùn)動(dòng)性能好；反應(yīng)靈活：平穩(wěn)性好；強(qiáng)壯性；可維護(hù)性：制造成本低。 1．尺寸限制： 參加 MIROSOT比賽的機(jī)器人尺寸不大于 7. 5cm× 7. 5cm× 7.5cm。 2．功能要求： 根據(jù)系統(tǒng)所選擇的：工作模式，機(jī)器人應(yīng)具有以下功能： · 無(wú)線數(shù)字接收 · 電機(jī)馳動(dòng)及淵速控制

44、· 基本障礙叫避 3．運(yùn)動(dòng)性能： 為適應(yīng)激烈對(duì)抗的比賽環(huán)境， 機(jī)器人應(yīng)具有高度的機(jī)動(dòng)性及靈活性， 能平穩(wěn)迅速地完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)陽(yáng)及急停等動(dòng)作。 4．可靠性： 參賽機(jī)器人的工作環(huán)境比較惡劣。 有來(lái)自各方面的干擾， 如賽場(chǎng)強(qiáng)烈的光線照射對(duì)機(jī)器人障礙檢測(cè)的干擾；電機(jī)啟制動(dòng)火花的無(wú)線通訊及車載計(jì)算機(jī)的干 擾：以及對(duì)抗、碰撞等產(chǎn)生的干擾。這些干擾以及比賽中經(jīng)常出現(xiàn) “頂?！爆F(xiàn)象 ( 電機(jī)堵轉(zhuǎn) ) ，機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件線路設(shè)計(jì)都提出了一定的要求。 5．強(qiáng)壯性： 在機(jī)械設(shè)計(jì)上， 機(jī)器人應(yīng)具有較好的勞固性， 在激烈的碰撞中不至于發(fā)生機(jī)械

45、變形，各種接插件不能松動(dòng)、脫落。 6．可維護(hù)性： 對(duì)于一個(gè)裝置而言。維護(hù)性是十分重要的。維護(hù)包括硬件維護(hù)和軟件維護(hù)。因此在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要考慮便于安裝拆卸、 調(diào)試檢測(cè)；軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便于調(diào)試、升級(jí)。 7．經(jīng)濟(jì)性： 較高的性能價(jià)格比一直是開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中追求的目標(biāo)。 對(duì)于運(yùn)動(dòng)部件來(lái)說(shuō)有輪式 和履帶式 (Caterpillar Type) 可供選擇。履帶結(jié)構(gòu)直線性能好運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，不會(huì)滑 動(dòng)，但轉(zhuǎn)向性能不好、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制作困難，故不易選用。為了獲得好的運(yùn) 動(dòng)特性，采用四個(gè)輪子，稱為全方位機(jī)器人 (Omni directional Robot) ，增加

46、靈活性，但同時(shí)也增加了制作和控制的難度。 在輪式結(jié)構(gòu)中雙輪結(jié)構(gòu)方式 (Bi-wheel type) 具有易于建模和控制，平滑性能較好等特點(diǎn)，只是輪子可能會(huì)與地面產(chǎn)生滑動(dòng)。 NEU隊(duì)采用雙輪式結(jié)構(gòu)， 且輪子為固定式的。 為使得機(jī)器人在場(chǎng)上能夠機(jī)動(dòng)、 靈活的運(yùn)動(dòng)，采用兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)主動(dòng)輪。 為增大主動(dòng)論與場(chǎng)地的摩擦力， 可加 I 膠圈作為輪胎。除主動(dòng)輪外，還應(yīng)安排兩個(gè)支撐輪，采用萬(wàn)向輪為好。四 輪的平面圖如圖 2-9 所示。圖中 (b) 方式較好，同轉(zhuǎn) ! 半徑可以為零。在 WMR(輪式 移動(dòng)機(jī)器人 ) 設(shè)計(jì)有三種類型輪：傳統(tǒng)型輪、全方位型輪和球型輪。另外傳

47、統(tǒng)類 型輪上常安置一個(gè)導(dǎo)向桿提供一個(gè)自由度， 在機(jī)器人小車中用作導(dǎo)向輪而球型輪 有三個(gè)自由度，是最靈活的類型。全方位型輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故不常用。 NEU隊(duì)采用 兩個(gè)傳統(tǒng)型輪作為主動(dòng)輪，用兩個(gè)小球形輪作為支撐導(dǎo)向輪，如圖 2-9(b) (a) (b) 圖 2-7 機(jī)器人四輪布置方案 此結(jié)構(gòu)的自由度 (Degree of mobile abi1ity) 為2，舵性自由度 (Degree of Steer ability) 為 0( 因?yàn)闆](méi)有能夠獨(dú)立改變機(jī)器人方向的舵

48、輪 ) 。可以看出，在 7.5cm 3 的尺寸限制內(nèi)， 設(shè)計(jì)具有上述功能及特性的機(jī)器人小車． 其關(guān)鍵在于采用 高集成度、微型化技術(shù)和解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題。 2．6 足球機(jī)器人的機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 四輪傘向足球機(jī)器人。 它具自特殊的驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)及布置方式， 因此它具備平面上的全自由度運(yùn)動(dòng)能力。 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)從上往下分為三部分： 最上部分足上色標(biāo)板，用于機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的識(shí)別機(jī)器人位置、方向及編號(hào)： 中間安裝的是控制電路板；最下面是機(jī)器人的機(jī)構(gòu)部分．其主要由車體底盤(pán)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、帶球機(jī)構(gòu)、擊挑球機(jī)構(gòu)組成。

49、 圖 2-8 足球機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)及布置圖 1．驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 足球機(jī)器人之所以能全向運(yùn)動(dòng)在于它特殊的驅(qū)動(dòng)輪布置方式和驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu)。 如圖 2-8 所示，足球機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu)是圓形大輪的圓周上密布小滾動(dòng)輪子構(gòu) 成，整個(gè)驅(qū)動(dòng)輪可以沿同向與軸向兩個(gè)方向做滾動(dòng)，其中周向受電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 軸向可自由運(yùn)動(dòng)。 四組驅(qū)動(dòng)輪及電機(jī)成一定角度布置存一個(gè)圓周， 通過(guò)各驅(qū)動(dòng)輪的速度矢量合成，機(jī)器人可以在平面上實(shí)現(xiàn)全自由度運(yùn)動(dòng)。 全向足球機(jī)器人可以很方便的實(shí)現(xiàn)任意方向運(yùn)動(dòng)。 特別是不需轉(zhuǎn)彎

50、可在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中自由隨時(shí)姿態(tài) ( 機(jī)器人前方朝向 ) 。全向足球機(jī)器人在比賽過(guò)程中可以精確的實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的路徑運(yùn)動(dòng)。 2、帶球機(jī)構(gòu) 比賽規(guī)則規(guī)定，帶球機(jī)構(gòu)與球面的接觸面積不得超過(guò)球面面積的 1/3 。根據(jù)這一要求，選擇使用帶球棍旋轉(zhuǎn)摩擦球使球跟隨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)， 從而來(lái)實(shí)現(xiàn)帶球功能。順時(shí)引高速旋轉(zhuǎn)的帶球棍依靠摩擦力帶動(dòng)小球做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)， 小球受到的地面的摩擦力與帶球棍的摩擦力的合力指向機(jī)器人本體， 當(dāng)足球機(jī)器人前進(jìn)、后退、 轉(zhuǎn)彎時(shí)，小球始終在帶球棍的帶動(dòng)下跟著足球機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，圖 2-9 為帶球機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 1 2 1 2 2 1 3

51、 （ a） (b) 圖 2-9 帶球機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 帶球一直是機(jī)械部分的一個(gè)問(wèn)題．它涉及到力學(xué)、材料、機(jī)械等多個(gè)方面。因?yàn)? 機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)換了一種全向輪，雖然抓地力更強(qiáng)，但是也帶來(lái)了抖動(dòng)， 給帶 球機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的麻煩。針對(duì)以上問(wèn)題，帶球機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)方案： (1) 設(shè)計(jì)了懸掛式的帶球機(jī)構(gòu)； (2) 帶球桿的位置不是固定的，可以上下調(diào)整，在不 同的場(chǎng)地比賽時(shí)地面摩擦力不同， 調(diào)整帶球桿的位置相當(dāng)于調(diào)整球和帶球桿的摩 擦力，以適應(yīng)場(chǎng)地的摩擦力，就能獲得最佳的帶球效果。 3、擊球機(jī)構(gòu) 踢球在足

52、球機(jī)器人比賽中相當(dāng)重要， 擊球機(jī)構(gòu)是完成射門(mén)和傳球的工具。 目前的擊球方式大致有以下幾種：彈簧儲(chǔ)能擊球、齒輪齒條擊球、氣動(dòng)擊球、弓弩式擊球、電磁鐵擊球。 實(shí)踐證明彈簧儲(chǔ)能擊球效果不好， 在擊球之前通過(guò)電機(jī)將彈簧壓縮儲(chǔ)能， 擊球時(shí)彈簧瞬間釋放能量，先前彈簧儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為施加給小球的沖 量。彈簧擊球瞬間的爆發(fā)力與彈簧的壓縮量和彈簧剛度成正比， 彈簧的壓縮量越大則擊球的爆發(fā)力越大，也會(huì)增加給小球沖量的持續(xù)時(shí)間 t ；但增加彈簧壓縮量使擊球機(jī)構(gòu)尺寸增大，可靠性降低。 彈簧的剛度越大則擊球的爆發(fā)力就越大， 而小球受到?jīng)_量的時(shí)間就會(huì)減小。 氣動(dòng)和弓弩式擊球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)制造復(fù)雜， 穩(wěn)定性不

53、好。 電磁鐵機(jī)構(gòu)是目前足球機(jī)器人擊球機(jī)構(gòu)中用的最為普遍的一種機(jī)構(gòu)， 它的優(yōu)點(diǎn)是力量大，動(dòng)作頻率高，反應(yīng)速度快，機(jī)械機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單可靠?；谝陨系姆? 析，采用電磁鐵擊球機(jī)構(gòu)。 設(shè)計(jì)方案采用 200V左右的電壓驅(qū)動(dòng)電磁鐵來(lái)?yè)羟颍?利用電磁鐵將存儲(chǔ)在電容中巨大的能量釋放出來(lái)轉(zhuǎn)遞給球， 可以使球的速度達(dá)到 5m ／ s左右，并且能通過(guò)控制放電時(shí)間來(lái)控制出球的速度。因此，可以使用擊球機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同力度的“傳球”和“射門(mén)”。 2.7 本章小結(jié) 本章主要對(duì)足球機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)做了系統(tǒng)設(shè)計(jì) , 主要包括以下內(nèi)容： （ 1）足球機(jī)器人的系統(tǒng)原理組成，通過(guò)機(jī)器人小車子系統(tǒng)

54、、視覺(jué)子系統(tǒng)、無(wú)線通訊子系統(tǒng)、機(jī)器人的控制子系統(tǒng)及決策子系統(tǒng)組成構(gòu)成了大的閉環(huán)系統(tǒng)。 （ 2）足球機(jī)器人的系統(tǒng)工作模式， 根據(jù)機(jī)器人的決策部分在整個(gè)系統(tǒng)作用位置來(lái)決定。 (3) 足球機(jī)器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)：決策控制和運(yùn)動(dòng)控制。 (4) 足球機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成包括無(wú)線通訊子系統(tǒng)、決策子系統(tǒng)、視覺(jué)子系統(tǒng)、機(jī)器人車體子系統(tǒng)等組成。 (5) 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括：尺寸限制、功能要求運(yùn)動(dòng)功能等 (6) 機(jī)電機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、帶球機(jī)構(gòu)、擊球機(jī)構(gòu)。 3 以雙 DSP為核心的控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 3.1 控制電路系統(tǒng)結(jié)

55、構(gòu) RoboCup小型組足球機(jī)器人在場(chǎng)上是實(shí)時(shí)、高速、高對(duì)抗的．為了滿足比賽 要求，足球機(jī)器人控制電路系統(tǒng)必須具備以下功能： (1)MCU運(yùn)算速度高，能夠執(zhí)行運(yùn)算量大的控制算法， 方便擴(kuò)展各種接口電路； (2) 能配合無(wú)線通訊模塊實(shí)現(xiàn)波特率 115200bps的無(wú)線信號(hào)接收； (3) 能夠以脈寬調(diào)制的方式驅(qū)動(dòng)四路驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)； (4) 可以處理四路以上的正交碼盤(pán)信號(hào)、檢測(cè)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)電樞電流信號(hào)盤(pán)來(lái)實(shí)時(shí)地對(duì)四組驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行精確的閉環(huán)速度控制； (5) 對(duì)機(jī)器人供電電池組進(jìn)行 DC-DC升壓變換至 200v，用以驅(qū)動(dòng)“踢球”電磁鐵高速擊出“球”；

56、 (6) 使用多路紅外傳感器和加速度計(jì)來(lái)感知機(jī)器人狀態(tài)。 通過(guò)對(duì)足球電路系統(tǒng)功能和性能特點(diǎn)的分析， 綜合足球機(jī)器人體積和電源等 方面的要求，我們將電路系統(tǒng)各種功能大膽融合、進(jìn)行優(yōu)化， 提出本文所述的設(shè)計(jì)方案。 電路系統(tǒng)是作為整體進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化的，可劃分為以下幾個(gè)功能模塊： ①M(fèi)CU模塊。該模塊的核心為采用主從工作模式的雙 DSP。 MCU模塊可配合無(wú)線通訊模塊接收上位機(jī) (PC) 發(fā)送的無(wú)線通訊信號(hào)， 根據(jù)接收到的指令和自身傳感器信息完成對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制。 ②驅(qū)動(dòng)電路模塊。該模塊在 MCU模塊的控制下，以脈寬調(diào)制的方式對(duì)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)速控制。

57、 ③DC-DC升壓電路模塊。足球機(jī)器人使用可充電鎳氫電池組供電，電源變換模塊將電壓升高到 DC200v，儲(chǔ)存到大容量的電容中，作為擊球電磁鐵的電源。 ④傳感器電路模塊。 該模塊使用紅外發(fā)光管和紅外接收管來(lái)探測(cè)機(jī)器人是否帶到球以及周圍障礙物與機(jī)器人的距離。 足球機(jī)器人電路系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖 3-l 所示： 無(wú)線通訊板 指令 主MCU 模塊（ 2407） 從 MCU 實(shí)現(xiàn) IO\CAN\SCI 12V 電源 程序下載 指令 碼盤(pán)信 低層控制程序 號(hào) FLASH

58、 從MCU 模塊（ 2407） MEMORY DC DC i\o i\o 紅外傳感 12V 5V i\o 編碼器信 電機(jī)檢測(cè) 放大器信 器 光耦隔離 pwm 控制信號(hào) 號(hào) 電路 號(hào) 升壓電路 擊挑球 紅外傳感器 電機(jī)電樞 11VDC 帶球電機(jī) 運(yùn)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 電流檢測(cè) 螺線管 信號(hào)處理電路 220VDC 驅(qū)動(dòng)電路 電路 驅(qū)動(dòng)電路 帶 供電 球 擊挑球 電 螺線管

59、 機(jī)  電 電 電 電 機(jī) 機(jī) 機(jī) 機(jī) 編碼 編碼 編碼 編碼 器 器 器 器  紅 紅 紅 外 外 外 傳 傳 傳 感 感 感 器 器 器 圖 3-1 足球機(jī)器人電路系統(tǒng)框圖 3.2 MCU 模塊設(shè)計(jì) 機(jī)器人控制 MCU需要完成機(jī)器人速度軌跡跟隨控制算法，還需要接收指令、 處理多路傳感器信號(hào)等。 由于這些處理所需要的運(yùn)算量相對(duì)比較龐大， 而且需要 使用大量的控制接口， 所以一些傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單運(yùn)算芯片 ( 如8051等) 和單片機(jī)無(wú)法滿 足我們的需求

60、，我們采用運(yùn)算能力相對(duì)強(qiáng)大的 DSP芯片。 系統(tǒng)采用 TI 的DSP芯片 TMS320LF2407A，它屬于 TI 工公司 DSP中專門(mén)用于電機(jī)控制的 TMS320LF240X系列中的一種。它是 TI 在以 TMS320C2xLP系列為內(nèi)部運(yùn)算核心的基礎(chǔ)上，整和了豐富的外圍控制電路和接口而形成的一類面向電機(jī)控制特殊片種。它具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)算速度快、運(yùn)算精度高；體積小、功耗低；指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大、高效；存儲(chǔ)空間大、擴(kuò)展簡(jiǎn)便；片內(nèi)“外設(shè)”豐富、接口簡(jiǎn)單；帶有多個(gè)事件管理器方便對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。 TMS320LF2407A的具體參數(shù)為：最高內(nèi)部頻率為 40MHz，時(shí)鐘周期為 25ns，具有 4

61、0MIPS的處理能力； 32K內(nèi)部 FLASH為，可加密；兩個(gè)事件管理器 (Event Managers)，每個(gè) EM包括： 兩個(gè) 16位時(shí)鐘； 8個(gè)通道的脈寬調(diào)制 (PWM)單元；三個(gè)事件捕獲單元 (Cap) ； 10位A／D轉(zhuǎn)換器，16通道，375-500ns 的轉(zhuǎn)換時(shí)間；CAN2．0、異步串行口 (SCI) 、 同步串行口 (SPI) ；40個(gè)管腳可用作通用 10。 本文所述的設(shè)計(jì)中， 針對(duì)機(jī)器人控制算法和控制要求的特點(diǎn)， 針對(duì)前兩代足球機(jī)器人控制電路系統(tǒng)出現(xiàn)的做了體系結(jié)構(gòu)上的改變。 1、雙 MCU系統(tǒng)特點(diǎn) 足球機(jī)器人控制電

62、路系統(tǒng)的 MCU在實(shí)際工作中要承擔(dān)很大的運(yùn)算量，它最大的兩項(xiàng)系統(tǒng)開(kāi)銷是以 115200bps的波特率來(lái)接受 SCI通訊、以定時(shí)中斷的方式實(shí)時(shí)的對(duì)四路驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)控制。此外， 還有驅(qū)動(dòng)輪速度分配運(yùn)算、 無(wú)線指令校驗(yàn)解析、傳感器信號(hào)處理等工作。 由于驅(qū)動(dòng)輪控制的定時(shí)中斷需要很高的系統(tǒng)開(kāi)銷，用于機(jī)器人控制的 MCU無(wú) 法以中斷的方式配合無(wú)線通訊模塊來(lái)進(jìn)行高波特率的無(wú)線指令接收和處理。 為了解決這一矛盾，在前兩代機(jī)器人控制電路系統(tǒng)中，我們另行設(shè)計(jì)了一塊電路版， 使用專門(mén)的 MCU來(lái)以中斷的方式配合無(wú)線通訊模塊來(lái)進(jìn)行無(wú)線指令接收、校驗(yàn)和轉(zhuǎn)發(fā)。而機(jī)器人控制用 MCU以查詢的方

63、式， 通過(guò)有線 SCI的形式接收無(wú)線通訊電路轉(zhuǎn)發(fā)的指令，這樣較好的解決了這一矛盾。 但是增加了一塊電路板， 大大的增加電路系統(tǒng)的體積、功耗、復(fù)雜性、可靠性。 另外，我們選用 TMS320LF2407來(lái)作為控制用 MCU有一個(gè)很大的因素是因?yàn)樗摹笆录芾砥鳌本哂姓淮a盤(pán)信號(hào)處理的能力， 但是 2407只有兩個(gè)“事件管理器”。因此在以往的控制電路系統(tǒng)中， 采用的方法是外擴(kuò)兩個(gè)正交碼盤(pán)計(jì)數(shù)芯片，2407以擴(kuò)展 10空間的方式對(duì)碼盤(pán)計(jì)數(shù)芯片讀數(shù)。這樣的方案成本高、系統(tǒng)復(fù)雜。 此外，原有的電路系統(tǒng)中存在內(nèi)部定時(shí)器不夠，導(dǎo)致 PWM波頻率無(wú)法優(yōu)化的 問(wèn)題。 綜合上面的問(wèn)題，在四輪

64、全向足球機(jī)器人的控制電路設(shè)計(jì)方案中，采用雙 DSP2407的來(lái)構(gòu)建控制系統(tǒng)。 2、主要工作原理和方法 一片 DSP2407為主 MCU： (1) 主DSP以I/O 口連接從 DSP的錯(cuò)誤 ! 不能通過(guò)編輯域代碼創(chuàng)建對(duì)象。錯(cuò)誤 ! 不能通過(guò)編輯域代碼創(chuàng)建對(duì)象。 等芯片控制端。 這樣主 DSP就可以配置從 DSP的工 作狀態(tài)，管理從 DSP重啟、從片內(nèi)或者片外執(zhí)行程序； (2) 主DSP配合無(wú)線通訊模塊接收無(wú)線通訊指令。 主DSP以 SCI接收端與無(wú)線模 塊連接接收數(shù)據(jù)；以 I/O 連接無(wú)線模塊的配置端，配置無(wú)線模塊的工作

65、狀態(tài)、波 特率、頻點(diǎn)；主 DSP以SCI接受中斷的方式逐個(gè)字節(jié)的接受無(wú)線指令， 并進(jìn)行校驗(yàn)， 將通過(guò)校驗(yàn)的無(wú)線指令從 SCITX傳送給從 DSP。 (3) 主DSP根據(jù)從 DSP的請(qǐng)求，讀取 2路電機(jī)的碼盤(pán)信號(hào)，從 SCITX傳送給從 DSP。 (4) 主DSP擴(kuò)展了 32K*16的SRAM作為片外程序 RAM，用于通過(guò) JTAG進(jìn)行仿真調(diào) 試。 另一片 DSP2407為從 MCU，其相應(yīng)工作為： (1) 接收主 DSP處理完畢的無(wú)線指令， 解析并執(zhí)行指令，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、帶球、擊球。 (2) 根據(jù)指令分配各驅(qū)動(dòng)輪速度，以定時(shí)中斷方式實(shí)現(xiàn)對(duì)四組驅(qū)

66、動(dòng)輪的速度控制。該過(guò)程應(yīng)用機(jī)器人的速度軌跡跟隨算法，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。算法中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度控制需要應(yīng)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)正交碼盤(pán)信號(hào)作為反饋。 其中兩組正交碼盤(pán)信號(hào)由從 DSP自身“事件管理器”讀出，另兩組正交碼盤(pán)信號(hào)向 DSP請(qǐng)求，主 DSP讀出后通過(guò) SCI接口，發(fā)送給從 DSP。 (3) 使用 AD讀取多路電機(jī)電樞電流信號(hào)、傳感器信號(hào)、控制帶球電機(jī)和擊球電磁鐵。 (4) 從DSP擴(kuò)展了 32K*16的SRAM作為片外程序 RAM，用于通過(guò) JTAG進(jìn)行仿真調(diào)試。另外還可通過(guò) SPI接口擴(kuò)展 EEPROM，可對(duì)控制程序進(jìn)行外部存儲(chǔ)。必要的時(shí)候可支持控制程序的無(wú)線下載。 無(wú)線通訊模塊 碼盤(pán)讀數(shù) I/O SCIRX SCIRX 無(wú)限指令 SCIRX SPI SPI Serial DSP2407 I/O 控制從 DSP MP/MC- DSP2407 EEPROM (主) I/O 運(yùn)行狀態(tài) RS- (從 ) (SST25VF010) A 程序 SRAM 程序 SRAM IS64M6416 IS64M6416 圖 3-2 主從式