（机械制造及其自动化专业论文）基于dsp的足球机器人小车控制系统的研究与开发.pdf

西华大学硕士学位论文 基于d s p 的足球机器人小车控制系统的研究 与开发 机械制造及其自动化专业 研究生黄新宇指导教师向中凡 机器人足玲比赛是近几年固际上丌展起来的一利，高科技对抗活 动。虽然历时不长，但由于它集高新技术、娱乐、比赛于一体，所以 引起了社会的广泛关注和极大兴趣。足球机器人涉及机器人、智能控 制、数据融合、计算机技术、数字通讯、图像处理、机构学和人工生 命等多个领域，为研究多智能体系统、多机器人等理论提供一个很好 的试验载体，又为研究发展多智能体等系统理论提供了生动的研究模 剖，是理论密切联系实际极富! l 命力的成长点。 足球机器人系统是由四个子系统构成：视觉予系统，决策予系统， 通信子系统，机器人车体子系统。 c u ps o c c e rt o u r n a m e n t ) 比赛规定 跟据m i r o s o t ( m i c r o r o b o tw o r l d 双方机器人在赛场上进行足球比 赛，视觉系统对场上情景进行实时采集和处理，把辨识结果送给决策 系统，通过无线发射器向小车发出一系列控制命令。小车在场上的表 现直接体现了整个机器人系统的好坏。 作者首先设计了小车控制系统的结构及主要的硬件电路。论文介 绍了足球机器人控制系统的组成与行驶机构，详细叙述了小车控制系 统的总体设计、1 3 s p 功能分析以及驱动电机选型：讨论了小车控制系 统的功能结构，钎对主要的电路结构进行了详细设计和分析，其中包 括c p u 的选择串行通信接口、电机驱动、速度反馈检测等模块。 其次，提出了，小车控制系统的控制软件和编程思路。论文中介绍 西华大学硕士学位论文 了软件控制的总体结构与功能模块，然后详细介绝了各个模块的程序 编写，包括主程序、无线通讯枷议、p i d 控制。 最后，为提i 每系统的控制性能，进行了抗二f 扰设计和改进电机的 速度检测方法。并作了性能测试实验。 关键字：足球机器人、d s p 、直流微电机、速度闭环控制、无线通 i 坷华人学硕十学位论文 d s p b a s e dr e s e a r c ha n dd e s i g no f s o c c e rr o b o t c a rc o n t r o l s y s t e m m a j o i ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u h ) l n a t i o n p o s t g r a d u a t e ：k l u a n gx i n y us u p e r v i s o r ：p r o f x i a n gz h o n g f a r o b o ts o c c e r i sai l e wh i g h t e c hc o m p e t i t i o nw h i c hw a sd e v e l o p e d w i d e i ya sa nj n t e r u a t i o n a l l ya c t i v i t yi 1 1 t h er e c e u t l vy e a r s a l t h o u g hi t s l a s t i n gt i m ew a ss t i l ln o tv e r yl o n g ，i ta l r e a d ya t t r a c t se * t e n s i v en o t i c ea n d j n t e r e s t so i li ts i n c ej ti n c l u d e sh i g h t e c h a m u s e m e n ta n dc o m p e t i t i o l r r o b o ts o c c e r r e f e r r i n gt ot h ef i e l d so fr o b o t i c s 、i n t e t i i g e n tc o n l r o l 、d a t a f u s i o n ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y 、w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g 、 a r t i f i c i a ll i r e 、m e c h a n i c sa n ds oo n ，i sag o o dt e s tb e df o ri n u l t i a g e n t s y s t c ma n du l u i t i r o b o tt h e o r y i ta l s oo f i e r sav i v i dr e s e a r c hm o d e lf o rt i r e r e s e a r c h i n gw o r k so ft h en m l t i a g e n ts y s t e mt h e o r y ；t b c r e l o r e ，i ti n a k e s t i l et l m o r ya n dp r a c t i c ec o m p a c t e dc l o s e l y b a s i c a l l y , t i l ew h o l es y s t e mc o n s i s t so ff o u rs u b s y s t e m s ：r o b o t s 、 v i s i o n ，d e c i s i o n m a k i n ga n dc o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e m a c c o r d i n gt o m i r o s o tf m i c r o r o b o ! w o r l dc u ps o c c e rt o u r n a m e n t ) w h e nt h e m a t c hi sr u n n i n g ，t i l ed e c i s i o n m a k i n gs u b s y s t e mc o n t r o l so rm a n i p u l a t e s t h er o b o t sb yp r o c e s s i n gi u f o r m a t i o n ，w h i c hj n c l u d e s r o b o t sa n db a l l s p o s t u r ef r o mv i s i o ns u b s y s t e mw i t hah o s tc o m p u t e ra n ds e n d sc o l l l l i l a l l d t or o b o t sd i r e c t l y f j r s ta ia 1 1 t h es t r u c t u r e sa n dt h em o s t l yh a r dc o m p o n e l l t so ft h i s r o b o tc a l - c o n t rj is y s t e l na r ed e s j g n e d t h ec o n s t i t u t i o na n ds t r u c t u r e so f t i l ew h o l es y s t ti na r e a n a l y z e d ，a n dt i l ef u n c t i o na n dt i l el m r d w a r e s t r u c t u r e so fd s pa r ep r e s e n t e d ，a n ds oo n t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e s ：t h e c h o i c eo fc p u ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c cc i r c u i t s m o t o rd r i v e c o n t r o l ，s p e e df e e d b a c kd e t e c t i o na n ds oo n s e c o n d l y t h et h e s i sj sa l s oc o n c e r n e dw i t ht h ed e s i g j lo fc o n t r o i s o f t w a r eo ft h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s t h i sp a r t l j q 华人学颐一 ：学位论文 a n a l y z e st h es o f t w a r es t r u c t u r e s ，a n dt h e nd e s i g n se a c hp r o g r a mm o d u l e t h a td e a lw i t hm a i np r o g r a m ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dv e r i f y , p i d c o n t r 0 1 f i n a l l y ，i no r d e rt oi m p r o v et h ec o n t r o l l i n gp r o p e r t yo ft h es y s t e m ， a n t ii n t e l - f e r e n c ea n dm u l t i - c y c l es v n c h r o n i z a t j o nw i t ht w oc o u n t e r s m e t h o dh a sb e e nd i s c u s s e d m e a n t i m e ，t h ep e r f o r m a n c et e s ti sa l s o p r e s e n t e d k e yw o r d s ：r o b o ts o c c er ，d s l ；v e l o c i t yc l o s e dl o o pc o n t r o l ，d c m i c r o m o t o r s r h d i o c o n l n l u n i c ac j o n i v 1 绪论 木课题“基于d s p 的足球机器人的研究与丌发”来源于四川酋应用基础研 究资助项目( 0 3 2 2 1 2 9 ) ：四川省重点学科资助项目( s z d 4 2 5 2 3 1 ) 1 1 机器人技术 机器人：一种可以反复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操 作机；或者为彭皤亍不同的任务而具有可改变的和可编程的动作的专门系统i l 】o 机器人技术是在新技术革命中发展起来的一项高新技术，它是- f j 综合性 学科综合了多种基础学科、技术学科及新兴科技领域的多方而知谚 ，突出地 体脱了当代利学技术发展的高度分化而又高度综合这特，i 。 h 从第一台工业机器人投入应川以束机* * 人的发胜山刨级剖离级逐步完 善，整个过程可分为三代： 第一代机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型机器人，它主要由央 持器、手臂、驱动器和控制器组成。它的控制方式比较简t 鼍，应用在线编程， 即通过示教存储信息。 第二代机器人就是带感觉的机器人，它具有对一些外界信息进行反馈的能 力，诸如视觉、听觉、触觉等。其控制方式较第一代机器人要复杂得多，这种 机器人从1 9 8 0 年以来进入实用阶段，即将进入普及阶段。 第三玳机器人即智能机器人。虽然动物或人类的某些简单功能活动都可称 为智能，但彼此有很大的差别，因此很难有统一的完善的智能机器人的定义。 文献1 1 j 对它的解释是“可动自治装置，能够理解指示命令、感知环境、认识对 豫、计划t 操作程序以完成任务”。 ： i 业机器人最早应用的领域是汽车工业。其中应用最早最多的_ - e l , t , 为焊 接、喷漆和上下料。有人称这个领域为机器人的传统应用领域。现在，机器人 广泛应用于海洋开发、宇宙丌发、军事、农牧业、建筑、 i r 业、娱乐等很多领 1 绪论 域。 j f 如求健院士指出，“机器人学的进步与应用是2 0 雌纪自动控制最有既服 力的成就，是当代最高意义上的自动化。”1 2 1 从某种意义上比一个国家机器 人技术水平的高低反映了这个匡家综合技术实力的高低。毋庸质疑，2 2 世 d 机 器人技术必将得到更大的发展，成为各国必争之知识经济制高点。 1 2 机器人足球比赛 机器人足球是最近几年在国际上迅速， ：展起来的高技术对抗活动，虽然历 时不k ，但由于它集高新技术、娱乐、比赛于一体，所以引起了社会的j “泛关 注昶i j 投大兴趣。足球机器人融计算机视觉、模式识别、决策对策、无线电数字 通信、自动控制祁最优控制、智能体致与i 乜力传动等技术丁体，既是。个 峨帅智能机器人系统，又为研究发展多智能体等系统理论提供了生动的研究 模型，是理论密切联系实际极富生命力的成长点p 1 。 1 2 i 机器人足球的起源 让机器人踢足球的思想最初是由加拿大不列颠哥伦比弧人学a l a n m a c k w o r l h 教授于1 9 9 2 年在一篇题为“关于可视机器人”( o ns e e i n gr o b o t s ) 的文章中首次提出。旨在推动人工智能学科的发展，为智能机器人提出一个新 的具有标志性和挑战性的课题。这篇文章随后又被收录在计算机视觉：系统， 原理与应用”( c o m p u t e rv i s i o n ：s y s t e m ，t h e o r y , a n da p p l i c a t i o n s ) 一书1 4 j 中。在 同一时期，日本的一组研究人员于1 9 9 2 年1 0 月在东京召丌了关于“人工智能 领域的巨大挑l 浅”学术研时会( w o r k s h o po i lg r a n dc h a l l e n g e s i na r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，o c t 1 9 9 2 ，t o k y o ) ，与会者认真讨论了开展机器人足球比赛对于发 展科学技术的意义，并普遍认为让机器人踢足球是机器人与人工智能领域最具 挑i l 戊i ! l i f f , j g 课题。1 9 9 3 年3 月，由包括m i n o r u a s a d a ，y a s u ok u n i y o s h i ，h i m a k i k i l a n o 在内的些研究人员就通过足球运动来促进人工智能利学和机器人技 术发展的问题进行了正式的h 论1 ”。 1 2 2 机器人足球赛的组织与构成 环l l 器人足球何两大暇j 柑国际机器人足球联合会( f i i _ c a ) 和机 器人世界杯( r 0 1 ) o c u p ) 。 f i r a 足国际机器人足球饥会联合会( f i r a - - f c d e r a t i o no fi n t c l n a t i o n a l r o b o | s o c c e la s s o c i a t i o n ) ，简称刚琢机器人足暇，成立于1 9 9 7 i6j j ，总部i 殳 扯韩幽人的韩国科学( 技术) 院( k a i s t ) 。i j 胁已有3 0 余个家的近酉个 学校与利研院所是其成员单位，主要分卅，在k ? i t 、欧洲、澳洲、北戈干南美洲 等地i 基。 1 9 9 6 , i - ，在k a i s t 所在的韩5 旧人举办了第一屈的m f l o s o l 环比赛。 1 9 9 7 印6 月，第一：届微机器人足球比赛( m i l o s o t l 9 7 ) 在k a i s q lj 甬j ：i j | n | j ， 凼1 5 ，j ：4 j l ： 人足= | _ j 联盟( f e d e r a t i o no f h i t c t n a t i o n a lr o b o t w s o c c e r a s s o c i a t i o n ，f i r a ) i i _ j “i 戊：也。m f i r a 存令球范何f 俐t 仃；久眦界怀比赛r f i r a c u p ) ， f - 4 i f , p i ，j 、f 、产术会f 义( f i r ac o n g i c s s ) ，“i 参z f l ：i ，艾；氚他”j f 7 f ：| j l 嚣人圮j 求f i j | j m 经验和技术。 至今，f i r a 匕组织丁d 埘l 器人足球界| = f ：赛 f i r an 0i ：要比赛顺h 订： m j r o s o tf h j - g c m i d d l c3 l i ds m a l ll c a g u c ) 一微z 刚足刊： = j l * * 人乩z ( 7 ：7 ， 5 ：5 用】3 ：3 ) n a o s o t 超微型足球机器人比赛 s i m u r c g o t ( l a r g ea n d m i d d l e l e a g u e 卜一电脑仿真比赛( i l ：l i 和5 ：5 ) r o b o s o t 自主机器人比赛 k h e p c r a s o t 一一微型自主机# 人比赛 h u r o s o t 人形机器人比赛 闺1 a m i r o s o t 机器人 f i g u r e1 1m i r o s o tr o b o t s l 焰 仑 图1 2n a r o s o t 机器人 f i g u r e1 2n a r o s o tr o b o t s i13s i n m m s n l 比赛界而 图1 4 r o b e s o t 机器人 1 j 川j 。1 3s i n l n r o q o ! m i d d l ei t i l 9 1 l e f i g u r e1 4r e b o s o t r o b o t s 两华大学硕= - = 学位沦文 幽1 5k h e p e r a s o t 机器人幽1 6h m o s o ! 机# s 人 f i g u r e1 5k h e p e m s o tr o b o t sf i g u r e1 6h u r o s o tr o b o t s r o b o c u p ( t h e r o b o tw o r l dc u pi n i t i a t i v e ) 是国际人工智能学会组织的固际 机器人足球协会，它是一个专门主办机器人世界杯赛的国际防会性组织，成立 于1 9 9 6 年，总部设在日本名古屋。第一届机器人足球世界杯赛于1 9 9 7 年8 月 2 5 同在日本名古屋与国际最高级别的人工智能学术会议一匡l 际人工智能联合大 会( i j c a i 9 7 ) 同时举行，以后每年举办一届。到目前为止，r o b o c u p 已经先 后举办了九届机器人足球世界杯赛。 r o b o c u p 的比赛项目主要有： s i m u l a t i o nl e a g u e 电脑仿真比赛 s m a l l - - s i z el e a g u e ( f - 1 8 0 ) 小型足球机器人赛 m i d d l e - - s i z el e a g u e ( f 2 0 0 0 ) 中型自主足球机器人赛 s o n yl e g g e dr o b o tl e a g u e s o n y 有腿机器人足球赛 h u m a n o i dle a g u e ( f r o m2 0 0 2 ) 人形机器人足球赛 1 绪论 图】7r o b o c u p 仿真比赛图1 8r o b o c u p 小型组比赛 f i g u l e1 7r o b o c u ps i m u l a t i o nl e a g u ef i g u r e1 8r o b o c u ps m a l l - s i z el e a g u e 幽1 9r o b o c u p 中型组比赛 f i g u r e1 9r o b o c u pm i d d l e - s i z el e a g u e 图1 1 0r o b o c u p 四腿组比赛 f i g u r e1 1 0r o b o c u ps o n y - l e g g e d k a e , u e 【弭华人学硕：l 学位论文 幽1 1 1r o b o c u p 类人组比赛 f i g u r e1 1 lr o b o c u p h u m a n o i dl e a g u e 机器人足球运动已经经历了1 0 年多的发展，从目前机器人足球的国际发 展来看，主要有以下几个方面的特点： ( 1 ) 发展迅速，比赛规磷逐年扩火 经过l o 年的发展，r o b o c u p 现有成员困近4 0 个，参替队已经从最初的4 2 支代表队发展到今天的2 5 4 支球队。f 1 r a 已经从晟初参赛的1 0 个国家的2 3 支代表队发展到2 5 个国家组织的2 0 7 支球队。可见机器人足球发展之迅速。 ( 2 ) 竞争激烈，比赛水平提高很快 由于参赛队伍众多，除一些一流强队外，大部分实力接近，竞争趋于激烈。 何厢杯赛符队f f 勺i 钱术水平都雨明恩提高，都会出现新颖的软、硬件设汁雨i j ：j 妙 的1 浅术配合。这表明机器人足球己受各国的高度重视。 ( 3 ) 国际研讨，著名期刊、会议倍加重视 机器人足球正以一种高科技对抗性的形式赢得学术界的认同。一些学术：| ：| j 物如乃ej o u r n a lo i lr o b o t i c sa p ma u t o i z o m o u ss y s t e m 、砌eb t t e r n a i i o i t a l j o u r n a l o f b t t e u i g e n t 4 u l o i n a t i o i t a n d s o f t c o m p u t i n g ) ) 、( ( a r t i f i c i a l b z t e l t i g e l i t e ) ) 笔 都出版了足球机器人专辑。一些有影响的国际学术会议如w a c 9 8 、 a r o b i i i 9 8 ，a r o b 9 9 等也都安排了这方面的专题讨论。一年一度的世界杯 赛也洲r 那| j 召丌学术会议，推动相关学科的进展。 ( 4 ) 比赛形式逐渐向自主型，类人型发展 机器人足球未来的发展方向是模仿人类足球，不仅是从机器人的智能行为 上从机器人的结构上也是如此。独立视觉、独立决策的智能机器人个体参与 的机* * 人足球赛将是未来的发展趋势，足球机器人的移动机构也将迓渐由轮式 机构向腿式机构过渡。 1 3 机器人足球关键技术 机器人足球被称为“一个小平台上的技术战争”，它包含着许多关键技术 以下主要介绍其中的八种关键技术，如图1 1 2 所示： 1 绪论 f i g u r e 】1 2r o b o ts o c c e r sc r i t i c a lt e c h n o l o g y 列这八利啦术简要说明如下： ( 1 ) 机器人视觉技术它给f j l f , 人球队“眼睛”，即用来理解和判断【l 赛环境 机器动态变化。冈此比赛系统对机器视觉要求必须快速的以别球和双方机器 人，并且准确的测定机器人和球的位置与方位。这种技术可适用于各种现场监 视、非接触产品质量检验、防伪系统及各种实时智能控制系统的，1 ：发。 ( 2 ) 无线电通讯技术它给机器人球队提供“耳朵”，即用来解决备机器人之 i f ! j j ) f i 互联络所必需的通信网络系统。因l i 赛系统对这个无线电通讯系统要求 通讯必须可靠，不受干扰及防止通信阻塞。这种技术可适用于无线网络、分n i 式控制、信息电器工程( 3 c ：计算机、通信、消费电子) 系统的开发。 o ) j l 电一体化技术它给机器人球队提供强 t ：t ：f 1 9 “身体”，即用来傈征能跑、 抗 j 、扰j u ，h 踢球州产! l 爆发力的机体。t l 闩一技术上的问题- 1j 帅i 器人尚未 装上两条腿，因此用电机驱动的轮子来代替“腿”。这种技术_ j 适用二】二各种使 用r 乜机驱动的家电产品及智能移动机器人的丌发。 ( 4 ) 智能控制技术它为机器人球队提供比赛必须的“决策”能力，即用来 保证在复杂动态环境下，通过“知识”及时行动决策能力。实际上这个决策就 是足球教练的专家知以系统。这种技术可适用于基于专家系统的各种智能控制 东统的 发。 ( 5 ) 仿真技术它给机器人球队提供“学习”能力。它不但给机器人球队提 供丌发比赛策略的环境，而且通过它能丌发各种比赛策略，并进行各种必要的 训练和学习。首先在计算机建立机器人球队、球和场地的模型，然后在这个模 i 州华人学硕：| j 学位论文 型上开发足球比赛策略。经过反复比赛，试验之后，将成功的策略移植到真正 的机器人球队上进轭：比赛。这种技术可适用于各种系统的战略、战术丌发，包 括体育运动的策略、各种武器装备的策略丌发。 ( 6 ) 嵌入式计算机技术它给机器人球队提供具有一定知识的“大脑”，即用 机器人上安装的专用计算机来控制机器人的“视觉”、“听觉”、“身体”的运动 及决策的执行。因此它是机器人的控制的核心。对这种专用控制计算机要求体 积很小，但知以存储量大，因此需要硬件与软件之阳j 折衷。所以，在足球机器 人糸统一| _ , i t p b 与软件的综合是一项很重要的课题。这种技术可适用于各种控制 系统的j 纠1 彤册川算机及足、弹等符种嵌入u | 算机系统f t , i j l + 发。 ( 7 ) 人工生命学技术它给机器人球队提供高级“技巧”，即它呆证机器人在 复杂的动念环境中如何有效的避免碰撞列方机器人、不犯舰、以最佳路线到达 目的地的路径规划。这个问题通过遗传算法和神经网络算法加以解决。这种 技术可适用于各l , t , t j l 器人路径规划、系统辨泌及污水净化系统的丌发。 ( 8 ) 人一机接口技术它给机器人球队提供教练和球员之间的信息交互问 题。虽然现在机器人足球比赛不允许人与机器人之间有任何通讯，但人类足球 比赛可允许教练和球队之间通过喊声或手势互相沟通，因此未来机器人足球比 赛也应允许教练通过“声控”或“手势”发出命令。这种技术可适用于基于虚 拟现实的遥控操作系统。 1 4 机器人足球研究的目的、意义 机器人足球之所以获得如此迅猛的发展，就是因为它是人工智能领域的理 想突破点，又是吸引年青人科研兴趣与高技术攻关的完美结合点，也是密切理 论联系实际的极富生命力的成长点。机器人踢足球，看似游戏，其实展示了一 个国家信息和自动化技术的综合实力。足球机器人系统在许多领域有着j 泛的 应川i j 0 景从技术的角度看，机器人足球的直接应用领域是各种智f i 2 t ! j l 器人， 包拈家用机器人、医用机器人、工业机器人和军用机器人等。最大的应圳领域 是网络信息处理。未来网络信息空间中的软件代理将以类似于足球队员的方 式，通过合作在竞争环境中完成预定任务。研究足球机器人对我们国家的科技 1 绪论 发展与技术进步有着促进和推动作, e l j 。 1 5 论文的主要内容及构成 本沦文系统的研究了足球机器人小车的硬件和软件设计与”发。论文首先 介绍了整个机器人足球系统的组成和总体结构。在第三章里详细的论述丁基于 d s p 的足球机器人小车控制器的硬件设计方案，对小车的微控制器、f _ 乜扫闭j 电 肌驱动、述度检测、通 g y t t g * 1 1 f u 泌! 血个部分进f 了仝i i l 的描述。解笞了c p u 的选型，电机的选择和电机驱动，速度检测的实现等等问题。在列困内外足球 机器人小车) 。i 发现状的广+ 泛明珂f - d 6 1 i l 上，提j 出了一种基于d s p 硬件t 本框架。 实验证明，这种结构可以大大提高机器人小车的控制精度、灵活性私曾棒性。 第四章讲述了d s p 的程序结构和开发，小车通信卧议的设计，小车的控制算 法以及实验结果。第五章讲述了机器人小车的性能测试及部分改进。媛后一章 纪台当 j 新技术的发展和足球机器人系统的特点，提出几点今后的改进方案和 技术发展方向。 i 屿华人学硕十学位论文 2 足球机器人系统 2 1 足球机器人的原理组成 基于全局视觉的足球机器人系统是一种集控式系统，属于f j r am i r o s o t 类型，比赛舰则在一定程度上限定了系统的构成。 个炮0 微9 9 足球机器人系统如图21 ，包括1 6 ： ( 1 ) 悬挂在场地上方的摄像机和图像采集卡以3 0j 咐秒的速率采集场地图 像：图像处理系统从每帧静止图像辨识场上小球、机器人的位置利朝向； ( 2 ) 集中式决策系统根据球场上各实体的位置姿态信息，进行决策。对 得到的敌我双方各机器人的动作分析，并进行动作控制输出控制命令( 如机器 人的轮速设定) ： ( 3 ) 尤线数字通讯子系统是联结主机和啪i 器人小车的桥梁，每个控制周 期以广播通讯的方式，发出每个机器人的地址编码和速度命令； ( 4 ) 机器人小车是两轮差分驱动的移动机器人，接受速度指令，对电机 进行速度控制。 幽2 1 微口崛球机器人系统平台全视图 f i g u r e2 1g l o b a lv i e wo fm k o s o ts o c c e l r o b o ts y s t e m 从控制的角度，系统即为4 个子系统，即视觉子系统( 包括图像采集没备 及处理软件) 、策略子系统、无线通讯子系统以及机器人小车子系统。整个系 2 足球机器人系统 ! 通m 于系统i i 视觉子系统 ! 屯 h 遁巫| 叶- 匮囫咄l i 122 足球机器人系统结构幽 f i g u r e2 2s t r u c t u r eo fs o c c e rr o b o ts y s t e l n 其中，决策子系统可霜作系统控制器，机器人车体子系统可看作执行机构 或控：胀j 象，视觉予系统可看作系统的检测_ l ；= 节，而无线通讯予系统则为决策 子系统和机器人车体子系统中间的信息桥梁。 整个系统的工作流程为：视觉予系统感知场地上环境信息和运动物体的位 姿状态，并将其传送给决策系统；决策系统对这些信息进行分析处理，判断场 上的攻守念势，据此进行角色分配和动作选择，并通过动作控制得到输山指令； 无线通讯子系统以广播通讯的方式将决策指令发送给机器人车体予系统：机器 人小j = 接收指令完成速度跟踪控制，做出相应动作，这就形成了一场激烈刘抗 的目l 器人足球比赛。 2 1 1 决策子系统 决策子系统根据现场的情况，如当目“比分、畦腔制球、对手( j ：j y j j 1 7 - 等因素 安排各自的策略，决定是进攻还是防守，再根据策略做出战术部署。策略应根 榍比赛规则与经验进行提l 叹，并存在知识库中。知识库还应有一个学习智能体 一 口 一 | | 嚣一 i 一团 一 匿铲 簪二 母 母母| | 【7 j 用以不断丰富策略。各利- 智能算法如神经网络、模糊、遗传算法等也都应 用到构造策略库和策略选择过程之中。根据采取的对策，i - t 划机器人的任务， 转化成路径形式，然后发射出去，路径出一系列命令序列组成。 2 1 2 视觉子系统 将各种成像传感器与计算机连成体，对传感器提供的图像进7 7 d i i 工处理 或分析l 里解，使计算机具有某种视觉功能，这就是计算机视觉吼对于足球机 器人来说，视觉系统是它唯一感知环境的“器官”。没有视觉系统，它便一无 所知，无所事事。 足球机* * 人视觉系统是山置于球场上力2 米的摄像头及相关软硬什构成 的。它的主要任务是不断地、快速地采集、处理赛场上的彩色罔像，并通过不 断地辨u 对丙黄色的高尔夫球和机器人外罩顶4 ；f i 9 色标，及时得到场上运动物体 ( 小1 i 干u 小球) 的有关数据，并将这些数掘传给主机，供主机上n 0 决策予系统 进j j 分析决策使用。 2 1 3 通讯子系统 m i r o s o t 比赛中，上位机和机器人之间以无线方式通信。主机的决策指 令通过串行方式输出至无线通讯器经调制后发射出去，机器人内的无线通讯 接收器接收信号并调解出其上所载的命令信息，然后传送给车载处理器。 为使比赛中双方互不干扰，需要每队中有两种可选的通信频率。山于足球 机器人系统实时肚要求较高，这列通信速率也提出了较高的要求。在基于视觉 的足球机器人系统中，机器人要靠上位机的指挥来精确和快速完成攻防行为。 如果通信有误，必然造成机器人的溟动作，直接导致错失良机或丢球。再则， 比赛- m l 器人间的相互碰撞是再所难免的。所以对无线通信的可靠性有很高的 监水。此外，i j _ l 丁机器人八j j 的刚通信装置的体积不能太大。 2 ，l t4 小车子系统 机器人小车子系统按着决策系统的意图去完成一定的行为，在整个系统 ，h 己扮浈毛执 朋 j i i f j j ( j ! ：! t 。机器人小车了系统涉及机z 人学、机u 体化、 l 乜力拖动与自动控制技术、高效电源、数字电路与单片机技术、精密安装与测 试等多方面的知识。 机器人小车子系统一般山动力驱动装置、无线通信接收单元、c p u 板和能 源部分组成。由于受到机器人尺寸的限制，选择一个在功能、尺寸、能量f 【j 耗 适合的c p u 是很重要的，能源系统必须存储足够的能量以驱动机器人参加足 球比赛，同州为了保硼【l 蹄扳的正7 ( n 】运行，必须保持l 乜压的稳定。这部分为吱 汁的咂心，我们将税i - 帝l h 洋钏时沦小午予系统的硎。究与没计。 2 2 足球机器人系统的总体结构 n j 白了机器人系统组成，对设计者来晚，选择硬件( 核心c p u 、执行钳能 体及传感器) 和软件( 控制策略算法) ，还应该考虑整体的结构。足球机器人 系统足是以视觉子系统为反1 ：| i 环节的闭环系统，其总体结构如图2 3 所示。 r 一，。一一一一一一一一+ ”一1 幽2 3 足球机器人系统构成 f i 目i r c2 3 c o n f i g u r a t i o n o f s o c c e rr o b o ls y s l e m 恨“i 视觉系统的构成分为四种结构形式： ( 1 ) 通用结构如图2 , 4 所示，匡j 际上火多数的队是采用这种结构。主机接收 视频数掘进行图像处理，得出球和队员l ! i c 位置、方陬速度等，辨识攻守念势， 做出决策，并将命令通过串行口送到发射器。特点足结构简单，成本较低，但 视觉子系统的算法要占用许多主机c p u 的时1 1 = i j 。 j q 华人学硕十学位论文 圈2 4 通_ _ 绱构 f i g u r e2 4g e n e r “s t r u c t u r e ( 2 ) 视觉用p c i 卡实现做成p c i 板卡的形式，利用p c i 总线的高速度，采 _ i _ 1 ja d + f p g a + d s p 芯片的结构，视觉子系统的算法由硬件来完成，将队员位 置等数据传给主机，以减轻主机负荷。特点是主机p c 只要做决策子系统，大 大减小了整个系统的控制周期，但成本较高，丌发技术难度较大。 图2 5 视觉月jp c i 卡实现 f i g u r e2 5v i s i o nr e a l i z e dw i t hp c ic a r d ( 3 ) 视觉在p c 机外部实现视觉的处理部分与( 2 ) 相仿，但不是做成p c i 卡 是在p c 机外用板卡来实现，再用并口或串口通信，将处理结果送给p c 机。 2 足球机器人系统 幽2 6 视觉在p c 机外部实现 f i g u r e2 6v i s i o nr e a l i z e do u t s i d ep c ( 4 ) 用两台p c 机来实现如图2 7 所示，用两台p c 机分别来完成决策和视 觉的弹法，j 明者通过并口电缆通信米交换数掘和控制信息，构建了一种决策和 视觉并行处理的硬件环境。 图2 3 用两台p c 机米实现 f i g u r e2 7 v i s i o nr e a l i z e dw i t h2p c 足球机器人系统的实时响应速度是狄定系统竞争能力的重要因素。但对于 足球机器人这种信息量大、资源配置有限和实时性要求很高的系统来说，研究 如何选择系统的总体结构来提高系统的实h - j 性能的问题有重要的现实意义。随 着大规模集成电路和e d a 技术的发展，各种高性能的的器件会大量现，并 m 成本会越来越低。我个人认为，视觉部分用p c i 卡来实现会成为以后发展 j 0i - 流力m 返种结 = f ! j 构建1 ；l i l 真t l i l l j 决策_ = f l i 见觉= j = 行处理的硬件朋、境，满足 机器人系统突时性j j 要求，人大减小了整个系统的控制周划。 2 3 足球机器人的技术要求 足球机器人小车在整个机器人足球系统中相当于执行机构，但它的作川又 小仪限川l 。从比赛的角度蜕，它足上场比赛的队员。教练的i2 戈术意图，最终 要通过队员机器人来实现。所以机器人整体陛能的好坏对整个系统起着举 足轻重的作用。 对于m i r o s o t 机器人比赛来酿，小车应满足以下技术要求： ( 1 ) 几何尺寸按照比赛规则，机器人小车长宽高r 寸必须在 7 5 7 5 7 5 c m 3 之内。 ( 2 ) 基本功能总体来北足球机器人应能准确接受主机指令并迅速做山反 应，完成带球，传球。拦截，射门，防守等技术动作。为此，机器人应贝徭以 f 功能： 无线数字接受： 电机驱动及调速； 障碍识别与遍障： 4 二载控制器实现划上述功能的协涧及剥f 4 i 几器各部分的控制。 ( 3 ) 运动性能为适应激烈剥抗的比赛环境，机器人应具备高度的机动性能 耳u 父活性，能平稳迅速地完成各 l i i h 进，后退，转向及急睁等基本动作，且满 足以下要求： 前进，后退：要走直线； 转向：转弯半径尽量小； 2 足球机器人系统 急停或碰撞：不能翻车。 ( 4 ) 可靠性( 高抗二r 扰性) 参赛机器人的工作环境比较恶劣。二r 扰来自各方 山j ，诸如赛场激烈的光线照射及j 嫩相机闪光灯刑。红外检洲的二l 二扰：电机的电火 花对无线通讯及控制器的干扰；猛烈的对抗，碰撞等。所以这些不汉对机器人 结构而且对控制系统的设计，包括硬件线路及软件程序的设计都提出了更高的 要求，都应具备高可靠性，在强干扰下也不死机，不失控。 ( 5 ) 坚固性比赛中碰撞及顶牛现象经常发生，这就要求机器人具有良好的 峰吲性，一旦发生碰撞，机器人不能变形，电缆插接件不能松动，零部件不能 脱落。顶牛( 电机堵转) l l , j ，电路元器件不能烧毁。 ( 6 ) 可维护性剥一个装置而高，可维护性是很重要的，其包括硬件和软r 卜 维护：在硬件结构的设计方面，要考虑便于安装测试和检修：软件设汁i - ，要 虑采用模块化结构设计，便二j 悯试、纠错及升级。可充电电源应6 哆及时方 蚀地补允能量。 ( 7 ) 经济性性能价格比一直是方案设计中必须考虑地问题，如何在满足性 能要求的f j u 提下尽量选择国产或通用器件，如何通过软件或结构悯整提高系统 性能，亦是设计方案优劣的鉴别标准。 2 4 足球机器人机电结构设计 整个足球机器人硬件系统设计包括两个方面：控制系统设计和机电系统设 n 在进行足球机器人控制系统i 5 2 计之6 “，先讨论机电系统的改玑以便1 ：后 面的控制系统的选型和控制电路设计。机电系统设计包括控制电机选型及性能 参数、机器人底盘选型和没计。 2 4 1 咖u 乜结构设计 进行机器人机电结构的设计的主要任务是将硬件的各部分组装起来，形成 个整体。考虑到机器人的尺寸限制，各部分应合理安排，使得各个部分空间 安排和性能达到最优。机电结构设计总体包含以下几个方面：控制板扳层结构 奠州， j 1 1 j f 动f l j i u 射【选择。j 、f 分”j - ，j 沦。 ( 1 ) 控制板结构安排 考虑到足球机器人的各项技术要求，并且参考国内外各机器人【h ：界杯参赛 队伍的经验，机器人的机电结构没计为金属框架单层p c b 板结构，雨加l , h 【 器人的底扳。 f 2 ) 机械传动 列于足球机器人小车，有轮式和履带式两种可以考虑。履带式尽管运动平 稳，但山于结构复杂，加工制作困难，故不宜选用。为获得较好的机动性和灵 活性，选用轮式结构较好。在轮式结构中，由于三个或三个以上的轮予独立控 制系统过于复杂，在本系统r i i 也没有必要。所以选用两轮由两i 乜机独立驱动的 - l ；, f t l f l 方式。除了两个主动轮外，为保持- t z 衡，还应安排两个支撑4 ，主动轮采 用余属轮毂或塑制轮毅均可。为增大摩擦力可d i l j l 变圈作为4 ：e l l f i 。支撑轮可以 朵川ji f l j4 。c - ，似比铰容易挺l ：删【臻人小f d l ( , j 重心，降低了系统的稳定性。在本 系统h 采川了块橡胶皮代替j 轮，在实验中既起到了良女i ：i i ；j 支, f | ,