足球机器人运动控制系统研究与实现

足球机器人运动控制系统研究与实现

山东大学硕士学位论文足球机器人运动控制系统研究与实现姓名：石建萍申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：尹义龙20080405\n山东大学硕士学位论文摘要机器人足球比赛是近年来在国际上迅速开展起来的高科技对抗活动，是将高科技和人们喜爱的足球运动结合在一起的产物，是集机器人学、智能控制、无线通讯、图像处理、机械学等多种学科和技术于一体的综合性产物。本文研究并实现了机器人的全向运动机构、运动控制系统和无线通信系统，并在此基础上进行了机器人的状态检测算法的研究。本文的主要工作如下：研究了足球机器人的硬件平台，并重点对运动机构、击球机构和带球机构进行了设计与实现。为了更好的满足RoboCup中型组比赛的实时性要求，采用了全向运动机构，包括三个通过直流伺服电机驱动的全向轮，每只电机都连有行星减速器和光电编码器。三轮全向运动机构满足了完整运动约束，同双轮差分运动机构相比，可以在复杂的动态环境中更加自如、准确的到达目标位置。击球机构采用高压电磁阀提供动力，在电磁阀导通时将球击出，并通过弹簧复位。带球机构采用由红外传感器控制的直流电机和两侧护板，有效减少了丢球现象。研究并实现了足球机器人的运动控制系统。设计了分层的控制结构，上位机采用笔记本电脑，下位机采用两块通过cAN总线进行通信的DSP芯片，对直流伺服电机和击球器进行控制。上位机通过维护有限状态自动机，根据视觉系统获取的图像信息和下位机的返回速度，给出下一步的动作决策，并通过速度规划模块计算出下一时刻期望的运动速度，发送给下位机。下位机采用PID算法，形成闭环控制，对电机的运动速度进行控制，并加入了扰动解耦环节，提高了机器人运动的精确性。设计并实现了场外Coach程序，通过无线网络将裁判盒给出的裁判和动作命令转发给场上己方机器人。研究并实现了机器人运动机构的自动状态检测系统，使得机器人能够感知自身状态，并可以结合决策系统改变控制方式和比赛策略。文中讨论中型组足球机器人自动状态检测涉及的内容，研究了运动机构状态检测的方法，并提出了基于图像信息和阈值分类器的算法，对击球器的状态进行判断。我们以RoboCup中型组机器人足球比赛为应用背景，建立了自己的足球机器人队伍，于2005、2007年两度参加RoboCup中国公开赛中型组的比赛，并两次\n山东大学硕士学位论文获得三等奖。关键词：足球机器人：全向运动机构；分层控制结构；PlD控制算法：状态检测n\n山东大学硕士学位论文ABSTRACTR-0botSoccerg锄eisahi曲一techoppositionala曲访够whichdeVelopsr砸dlyinrec锄tvears．Itis也ecombinationofmepopul2ursoccergame锄dlli—tech．R0botS0ccermcludingmanyresearchfieldSsuch弱robodcs，血telligentcon订IDl，澌relesscomm岫ic撕on，imageprocessing，mechallics，锄dsoon．Wbdesi朗edmeomni．出rectionalnlotionch嬲sis，m嘶oncontrol夥stem觚d、^，irelesscommuIlic撕onsyStem，andresearchedin也efaultd戗ectionalgorimmof血erobot．Mainworkofmemssen撕onisaSfollows：Wbresearchedonthehardwareplatf0咖ofsoccerrobots，designedandimplementedmeomni．directionalmotionch髂sis，kicker锄dballroller．Tbsatis匆there2Lltime(1eman也weadoptedmemoStpopIllaromIli—mrecdonalVisions)rStem锄domni．directionalmotionchaSsis，、Ⅳhichiscomposedoftllreeo舳i—direc石onalwheelswhichareeach“venbyaDCservomot0r-Its撕sfiestheilltactmotioncons佩nt，mal(es也erobotcapableofmo啊ngmorefreely锄daccuratelyt0thedest血ation，inmee)【pectedposition锄dorierlt撕onm锄thedi毹rential“venrobot．WbusedⅡlehi曲．Voltageelec呐ma印舐cvalVet0血Vethekickertol【ick吐leballo伍硒ckerc锄ber印ositedby山esp曲gcollIlectedt0it．WeuSedt、ⅣoDCn10torScon仃olledb)rⅡlemfraredsensoraIldtwosideboardsformeballr01Ier，mal(ingitt0keepmeballmore6HIdy．Usinglayeredcontrolstmcture，alaptop嬲meupperlayer’觚DSPchips讹chcommuIlicatethrou曲CANBUS舾tlle10、verlayer，tocontrolt11eDCservomotora11dkicker．Wbmaintaineda6nite．stateautoma幻n，uSingtheimageinfomationf．romtlleVisionsystemandⅡlespeedret啪edbyDSPastheinput．n百Vesmene)【tacnon，calculatesmene妞expectedspeedⅡlrou曲thespeedplaIlmodule锄dsendSittoDSPWea(10ptedthePIDalgoritllmintheclosedcontrolcirclet0controlthespeedofⅡlemotort0improvethemotionprecision．Wedesigneda11dimplementedtlleCoachpro矿arIl，Ⅵdlichnmsinal印topoutsidethefield．ntransfers血ecomm锄dSreceiVedf．rommeRefereeBoxto也erobotsonitsside，mrou曲thewirelessnet、Vork．Desi朗锄dimplementoftheau向m撕cf．aultdetections)rsteIn，whichmakestherobotc印ableof“feeling’’itssitu撕on．Thisinf．om嘶onc锄beuSedb)rt11edecision．mal(ingsystemWbmscussedmecontentcoveredintheMiddle—sizedsoccerrobotstateestim撕onfield．researchedⅡlememodsuSedinInotionChaSsis’sstate\n山东大学硕士学位论文estim撕on，aIldproposedanalgorimmuSedimageinfo丌nation锄dt11resholdcl笛sifierf-0rkicker’sstateestimation．webuiltupouro啪soccerrobotte锄formeR0boCupMi砌e-SizedLeagueconlpetition．WbpanicipatedinRoboCupChinaopen2005锄d2007，锄d90tmeThirdAwardeach．Keywords：Soccermbot；Omni-di他ctionalmotionch嬲sis；LayeredcontmIstmctIl他；PⅢcontml山goI．ithm；stateestimation\n原创性声明和关于论文使用授权的说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：乏垂乙名，≥压之lY?关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名期：鲨墨：牛S’\n山东大学硕士学位论文1．1机器人足球简介第1章绪论Robocup是TheRobotworldcupSoccerG锄es的简称，1997年正式成立，总部设立在瑞士，现有成员国40多个。它是由国际人工智能学会组织的机器人世界杯足球赛(RoboCup)。Robocup机器人足球世界杯赛及学术大会是国际上级别最高、规模最大、影响最广泛的机器人足球赛事和学术会议，每年举办一次。1996年，RoboCup国际联合会在日本成立，并于1996年举行了表演赛，同时决定以后每年举办一届。自此机器人足球活动波及的范围越来越广泛，比赛的类型也不断升级。目前，RoboCup竞赛现分有仿真组比赛(si叫lationLeague)、小型机器人组比赛(Small一sizeLeague(F一180))、中型机器人组比赛(Middle—SizeLeague(F2000))、Sony四腿机器人比赛(s0NYLeggedRobotLeague)、类人机器人组、家庭组(RoboCup@Home)等比赛【1】：迄今中型组代表该领域的最高水平。中型机器人组比赛是Robocup机器人足球世界杯赛的主要项目之一，自1997年第一届Robocup比赛开始即是正式比赛项目。中型组的机器人是完全自主的，拥有局部视觉系统，多种传感器，是典型的多智能体分布式控制的测试平台。所有的机器人必须完全自主控制，并且不得在场地外设置和使用全局传感器。比赛机器人通过颜色来识别场地上的特定目标，比赛规定如图卜1所示，场地为绿色，官方比赛用球是任意橙色国际足联标准尺寸5号球，边界为白色，双方球门分别为黄色和蓝色，球门左右两边的角柱上下三分之一涂成己方球门的颜色，，中间三分之一涂成对方球门的颜色，而比赛用的机器人必须涂成黑色，参赛双方机器人一方贴有紫色(Magenta)数标，另一方贴有蓝色数标(cyan)【2J。中型组比赛中机器人的尺寸要求是不超过O．5m木O．5m术O．8m，重量不超过75kg。机器人之间可以通过无线网络进行数据通讯，从而协调机器人之间的动作，实现多机器人合作完成比赛目标。\n山东大学硕士学位论文图卜1中型机器人比赛场地图RoboCup机器人足球赛的目的主要是通过各种项目的竞赛，提供一个标准的平台，使人工智能、精密机械设计、控制系统、传感器设计、机器视觉、多传感器信息融合等技术能够在这个平台上试验、整合。选择足球作为这个研究的平台可以使众多最新的科技能够在这个富有挑战性和吸引力的平台上得到最快的检验，也可以吸引更多的人和组织参与到这个项目中，促进机器人领域的发展。足球机器人是在动态环境中组建一支高速运动、机动灵活的机器人球队和一支具有等同实力的机器人球队的比赛，极具挑战性。倡导者们预言：“到2050年，一个全部由自主的人形机器人组成的足球队，按照国际足联(FIFA)的规则将与当时的世界杯冠军队进行足球比赛，并且要赢得这场人机大战的胜利。"这也是机器人足球发展的目标。1．2课题研究的背景和意义机器人足球世界杯(RoboCup)是国际上一项为促进分布式人工智能、智能机器人技术及相关领域的研究与发展而举行的大型比赛和学术活动。它通过提供一个标准的比赛平台来检验各种智能机器人技术。机器人足球之所以受到如此厚爱，就是因为足球机器人涵盖了诸多的高新技术，是一项人工智能与机器人领域的应用基础研究课题。而机器人足球比赛便是这些研究成果的较量，是一种很有显示度的小型高科技对抗平台。相关的理论与技术可应用于工业生产、自动化流水线、救援、教育服务业等实践领域，从而有效推动社会科技经济等各方面的发展。Robocup的比赛水平直接反映了机器人与\n山东大学硕士学位论文智能控制技术的研究水平；同时，其产生的国际影响又大大促进了机器人与智能控制技术的研究与发展。机器人足球是一项包含多项技术领域的综合研究，特别是中型组的足球机器人，要求各个机器人都是独立自主的。这就对技术提出了很高的要求。机器人足球融合了实时视觉技术、智能控制、无线电通讯、机器人技术、人工智能等多个领域的技术，可以说机器人足球比赛是研究多agent系统的标准试验平台。机器人足球比赛不仅需要人工智能中的分布式问题求解技术，还需要模糊控制、共享控制、仿真技术以及其它学科如无线通讯、机电一体化乃至管理科学等技术。不仅每种技术要过得硬，而且只有将所用技术有机地集成为一体，才能战胜对方。它需要研究的相关课题包括智能机器人系统、多智能体系统、图像处理与模式识别技术、伺服驱动控制系统、实时模式识别与行为系统、实时规划和推理、动态实时系统、分布式合作与协调等。在RoboCup的实时对抗比赛中，对于机器人的运动机构和运动性能提出了前所未有的更高的要求。它要求机器人实时接收控制命令，以期望的速度、方向和轨迹灵活自如地移动，在动态环境下实现快速准确的到达目标点，他对运动控制提出了严格要求，同时还要求机器人实现带球、射门等功能。移动机器人按照移动方式可分为轮式、履带式、腿式等，其中轮式机器人具有机构简单、活动灵活等特点尤为受到青睐。根据移动特性又可将移动机器人分为非全向和全向两种。物体在平面上的移动存在前后、左右和自转三个自由度的运动，若所具有的自由度少于三个，则为非全向移动机器人，典型应用如汽车等，如文献【31介绍的四轮移动机器人，可以前进、拐弯而不能横向移动：若具有完全的三个自由度，则称为全向移动机器人，有独轮、三轮、四轮等。它非常适合工作在空间狭窄有限、对机器人的机动性要求高的场合中【4】。全向轮有效的避免了普通轮子不能侧滑带来的非完整性约束。全向移动机器人具有平面运动的全部三个自由度，机动性好，理论上可以在任何角度以任何速度在机器人所处平面上运动。基于以上分析，全向移动的轮式移动机器人成为基于robocup平台下最理想的选择。移动机器人的运动控制直接影响机器人的性能，是目前移动机器人研究\n山东大学硕士学位论文的热点之一。因此，对自动控制系统的深入研究有重大的理论意义和应用价值。由于中型组比赛中场上机器人之间，及机器人和场外coach程序之间通过无线网络通信，因此机器人足球赛也是无线通讯的良好实验平台。研制全自主移动机器人、参与RoboCup比赛是一项具有挑战性的课题。1．3国内外研究现状RoboCup中型组比赛中的足球机器人主要涉及硬件和软件两方面。就硬件方面而言，国际比赛中各队伍的硬件结构以全向运动机构和全向视觉系统为主。我们的全向运动机构是将运动机构设计成三个车轮，均匀分布在同一圆周上，每个车轮分别由直流伺服电机、减速器、码盘和车轮等零部件组成；在每一个大轮子圆周上均匀分布若干个小轮子，大轮子受电机驱动，小轮子自由转动，这样整车可以很方便的实现任意主方向运动【孓61。国内比赛的各队伍中仍有一些采用非全向运动机构。非全向运动结构一般都是采用双轮差分驱动，在车体两侧布置有两个驱动轮，由两个电机分别进行控制，运动轨迹可以归结为直线和圆弧的组合；这种机器人地平面上只有两个自由度，在某些运动之前要先进行转向运动，而且运动轨迹规划复杂，一些路径规划需要分解为多次的直线和圆弧运动，因此在球场上的运动速度和灵活性受到一定的影响。全向视觉系统主要由高分辨率摄像头和全向反射镜面组成，全向反射镜面就是利用基于水平不变形结合垂直不变形原理做成的反射率极高的锥形镜面，这种反射镜面能够反射来自360度方向的环境光，由于它是锥形的所以能将所有光线反射入高分辨率摄像头内进行采集。中型组的比赛机器人是全自主机器人，其自主性就是通过软件来实现的。软件系统包括视觉系统、运动控制系统、无线通信系统及决策系统。其中视觉处理模块完成对前向和全向视觉系统获取的图像通过图像处理和模式识别的手段来获取所需的场上信息：运动控制系统负责上位机和下位机之间的通信、控制全向运动机构执行所需动作并将传感器的信息反馈给决策系统；无线通信系统包括场上队员之间及队员和场外Coach程序之间的通信及场外Coach程序和场上队员及裁判盒之间的通信；决策系统利用获得的图像信息、反馈运动信息和无线通信信息通过人工智能的手段进行角色、动作和速度的决策。足球机器人智能水平的高低主要取决于决策系统的先进性、合理性和实时性。决策系统在整个足球机器人4\n山东大学硕士学位论文系统中处于非常重要的地位，如同人脑对于人这个系统一样。决策系统的优劣将直接关系到比赛的结果，关系到整个系统的成败。Robocup中型组比赛机器人，很少具备自动状态检测功能。自动状态检测功能的实现进一步提高了机器人的智能程度，便于场上的实时的策略调整和机器人队员的替补。在日常调试过程中，也使得人类队员以往繁琐的工作得以减轻。这是一个值得深入研究的领域。一支出色的中型组比赛队伍必定在软件和硬件方面都做得很优秀，并实现了两者良好的结合。1．4本文的主要贡献及组织结构本文的主要贡献为：1．运动机构的研究与实现。采用了三轮全向运动机构、以电磁阀为动力的击球机构、利用红外传感器控制的带球机构。全向运动机构满足了完整性约束，比以往的双轮差分运动机构更加灵活。2．运动控制系统及上层决策和通信系统的研究与实现。采用分级控制结构，上位机为笔记本电脑，下位机为DSP对全向运动机构及击球机构进行控制。决策系统通过有限状态自动机根据视觉信息、下位机的反馈信息及无线通信系统的信息进行动作和速度的规划。无线通信系统实现了机器人之间、机器人和Coach程序、Coach程序和裁判盒之间的通信。3．自动状态检测系统的研究与实现。利用机器人自身的视觉系统所获取的图像信息，并结合编码器等其他传感器，通过软件手段进行分析，判断机器人自身的运行状况。对RoboCup中型组机器人状态检测涉及的内容进行了分析，研究了运动机构和击球机构的状态检测，并实现了击球机构的状态检测。本文的组织结构：第一章为绪论，主要介绍机器人足球的相关信息，课题研究的背景、意义及国内外研究现状。第二章为运动机构硬件研究与实现。研究并实现了山东大学“浩然队’’足球机器人运动机构的部分硬件结构，包括全向运动机构、击球机构、带球机构等，并详细介绍了全向运动机构的作用及特点。\n山东大学硕士学位论文第三章为控制系统的研究与实现。主要介绍了全向运动机构的控制模块的设计思想及上层通信和决策系统。详细介绍了分级的控制系统整体设计及各个模块的完成的功能及具体设计和实现。第四章为机器人的故障检测系统研究与实现。主要研究了状态检测的相关工作和中型组机器人状态检测的内容，提出了利用图像信息和阈值分类器进行击球器状态检测的算法。第五章为结束语，主要是对自己研究内容的一个简要概述及对未来工作的一些展望。6\n山东大学硕士学位论文第2章硬件平台的研究与实现硬件平台，是基于合作协议，由山东大学和清华大学智能技术与系统国家重点实验室联合完成设计与开发的，本人作为主要研究人员之一，全程参加了这一工作。R。boCup通过提供一个标准的比赛平台来检验各队伍的研究成果，足球机器人则是各队伍研究内容的一个载体，因此组建自己的足球机器人队伍是一切研究的基础。按照比赛要求，中型组机器人的体积不得大于50木50木80厘米，所以机构设计原则主要体现为五项：降低重心；降低转动惯量：增强稳定性；加强抗碰撞能力；转动中心与质量中心同心。图2—1足球机器人根据以上要求，山东大学“浩然队”足球机器人的硬件平台从上往下分为三层：最上面是视觉系统硬件结构，主要由摄像机和全向反射镜构成；中间是控制系统的上位机和下层电路板；最下面是电机、减速传动、车轮等机械结构的车体部分。山东大学“浩然队”足球机器人如图2—1所示。足球机器人在球场比赛时要不断的完成发球、传接球、击球、防守、断球、7\n山东大学硕士学位论文射门等动作，要求反应迅速，运动灵活，运动性能往往是决定比赛成绩的关键凶素之一。如何使足球机器人运动性能最佳是进行车身和运动机构设计的首要因素。因此本文研究并实现了机器人的全向运动机构、击球机构与带球机构。2．1三轮全向运动机构的研究与实现运动机构主要是完成能够自由、灵活运动的轮子结构的设计。RoboCup中型足球机器人的基本运动结构有两种，一种是非全向结构，另一种是全向结构。非全向结构主要是指双轮驱动的足球机器人。如图2—7所示，车体两侧布置有两个驱动轮，由两个电机分别进行控制。因电机位置不同，车体前后两端也可根据需要安装有一个或二个从动轮，形成三点或四点布置形式。机器人靠驱动轮与地面产生附着力改变运动状态，因此不论何种布置形式在小车的运动过程中的某一瞬时状态只能是三点支撑。即，要么前一个被动支撑轮与两个驱动轮同时着地，要么后一个被动支撑轮与两个驱动轮同时着地。虽然，由于驱动轮上轮胎的弹性会使得在小车的运动过程中的某一瞬时呈现四轮着地的现象，但这种情况应尽力避免出现，多一个被动支撑轮着地只会增加小车与地面的摩擦力，从而消耗更多的能量(由于小车尺寸受到严格限制，车载能量是有限的)。在小车的运动过程中，绝对不允许出现两个驱动轮离开地面的现象。图2—2非全向结构两个主动轮需要保证在一根轴线上，这样将减少很多运动误差，因此最好是采用共轴设计。两轮车的运动轨迹可以归结为直线和圆弧的组合，两轮车的运动轨迹规划复杂，一些路径规划需要分解为多次的直线和圆弧运动，因此在球场上的运动速度和灵活性受到一定的影响。所谓的全向驱动是在任一时刻，不用转向就可以向任意方向运动。它可以产生自身坐标系内任意方向的线速度，而两轮车所采用的双轮差分驱动只能够产生\n山东大学硕士学位论文沿着自身坐标系的Y轴方向的线速度。全向驱动方式使得机器人具有优越的可操作性，能够同时完成平移和旋转。全向驱动方式有三个自由度，要比双轮差分驱动方式更加灵活。全向运动机器人与非全向运动机器人相比较在赛场上的优势是比较明显的，在国际大赛中，几乎所有的强队都采用的是全向机器人。目前，国内RoboCup中型足球机器人大部分队伍采用的是非全向结构，因为非全向机器人结构简单，设计制造容易，运动学和动力学模型也容易建立，控制也相对简单。而全向机器人的机械结构比较复杂，控制比较困难，对其进行运动学建模和动力学建模相当重要。全向运动足球机器人的主体结构布局如图2—8所示，我校足球机器人的具体结构设计如图2．9所示。运动机构设计成三个车轮，分布在同一圆周上，每个车轮分别由直流伺服电机、减速器、码盘和车轮等零部件组成。图2—3全向轮结构图2—4实体中的全向轮为了使车身底盘前部有足够的空间以安放击球机构，因此三个轮子并不是均匀分布的(相邻的两个轮子之间的夹角为120。)，而是前面的两个轮子之间的夹角为130。，而他们各自与第三个轮子的夹角为115。。三轮全向系统有三个主动轮，对于机器人运动模型来说是完整约束，从一点到另外一点可以直线运动，并且能够在行进中转向，轨迹可以归结为折线。图2—5给出了几种速度的分解示意图。9\n山东大学硕士学位论文嚣月，—、麓秽2．1．1全向轮图25三轮全向运动机构速度分解示意图全向移动机器人的关键结构为全向轮。远在1907年的时候，发明家们就在考虑设计一种不用操纵轮子就能够实现前向和侧向运动的车辆。2．1．1．1瑞典轮最初的全向轮是由JGrabo撕ec“于1919年在美国注册专利的。它就像现在Roboc叩中使用的全向轮一样，是由一个主轮和很多滚轮组成。而最早的现代全向轮是在1973年左右由瑞典发明家Ben百Ⅱon改进的”回【啊。图2-6n引中给出了瑞典轮的示意图及采用这种全向轮实现的机器人。现在，人们将这种设计的全向轮称之为“瑞典轮”。其中不同的设计中主轮和滚轮之问\n山东大学硕士学位论文的角度可能不一样，但通常采用的有90。(s髓dish90)和450(swedish45)两种。装在主轮周围的滚轮是被动的，主轮的主轴是唯一的有动力的连接。这个设计的主要优点在于：虽然轮子旋转仅沿主轴供动力(通过轮轴)，轮子以很小的摩擦，可以沿许多可能的轨迹按运动学原理移动，而不仅仅是向前或者向后。图2．7给出了我们所设计采用的全向轮。在一个主轮圆周上均匀分布18个滚轮，主轮受电机驱动，滚轮自由转动。这种设计属于分割的瑞典轮【16】，其中主轮和滚轮之间成90。。在这种情况下，由于滚轮的存在，正交于轮子平面没有滑动约束，可以产生任何的运动向量，所以轮子是全向的。这样整车可以很方便的实现任意主方向运动。图2—6左图：瑞典轮㈣：右图：卡内基梅隆的uraIlus机器人，一个具有四个带动力一瑞典45。轮的全向机器人图2—7分割的瑞典轮\n回时国零\n山东大学硕士学位论文2．1．2电动机电动机是把电能转换为机械能的电磁装置。电动机分为直流电动机和交流电动机。足球机器人一般选用直流电动机。我们的机器人使用了世界第一电机品牌瑞士Maxon电机公司生产的直流伺服电机，功率为70w。每只电机都通过联轴器与轮子进行连接。伺服电机驱动器接收电机编码器的反馈信号，并和指令脉冲进行比较，从而构成了一个位置的半闭环控制。所以伺服电机不会出现丢步现象，每一个指令脉冲都可以得到可靠响应，对于位置的控制具有很高的精确性。直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可以很方便的在宽范围内实现平滑无极调速，多应用在对伺服电机的调速性能较高的生产设备中。2．1．3减速器减速器是一种动力传动机构，利用齿轮之间的啮合传动进行速度转换，将电机的转速减到要求的转速，并获得较大转矩的机构(不超过减速器的额定输出扭矩)。机器人中使用的直流电机的直接输出转速通常都在6000r／min，但是转矩非常小，不能够带动的所要求的负载，所以需要使用带有减速器的电机。有两类常用的齿轮减速器：直齿轮减速器和行星齿轮减速器。行星减速器包含与直齿轮减速器一样的小直齿轮，但是它的小齿轮是在大齿轮的内部转动。重叠在一起的基层行星齿轮组成了一个完整的减速器。行星齿轮减速器的优点是结构紧凑，回程间隙小，精度较高，使用寿命长，额定输出扭矩可以做的较大。对于带有直齿轮减速器的电机来说，如果减速器的齿轮级数是奇数，那么减速器输出轴的旋转方向与电机原始的输出轴旋转方向是相反的。如果是带有行星齿轮减速器的电机，则减速器输出轴的方向是不受齿轮级数的影响，即与电机原始的输出轴旋转方向相同。与直齿轮减速器一样，行星齿轮减速器也是与直流电机的顶部相连。行星齿轮减速电机的输出转轴是从中心伸出的，而不是像很多直齿减速电机那样偏离中心。一个行星齿轮减速电机与普通直流电机一样容易控制。\n山东大学硕士学位论文2．1．4编码器运动控制系统中反馈装置的作用是将物理参数转换成电信号，以便可由仪表转换成数据表示，或者形成反馈通道给控制器提供决策的依据。为了实现运动控制系统的闭环控制，就需要反馈装置把运动机构的位置、速度、转矩、电流和电压等参数反馈给控制器。编码器分为码尺和码盘。码尺是用来测量线性位移的，而码盘是用来测量角度位移的。我们的足球机器人选用光电编码器。光电编码器是把表征物体运动状态的物理量(位移、速度、加速度等)转换成相应的电学数字量，再通过微电子和计算机技术处理，实现自动检测和自动控制。2击球机构的研究与实现击球机构主要是设计一套符合机器人足球比赛规则并能很好的完成击球任务的硬件装置。足球机器人处于一个实时性很强的动态环境中。为了出色地完成比赛任务，不仅要求机器人具有良好的动力学特性，还要求机器人具有和人类球员一样的盘球和击球等能力。因此，击球机构设计也是一个很重要的问题。击球机构必须满足有关的物理上的和性能方面的约束条件。在设计击球机构时，主要有三个方面的限制：1．机器人的空间。击球器的所有部分必须在占用空间上做到最小化；2．功率及电池的消耗：3．满足最低的性能要求。比如，最高球速的要求。击球机构的基本任务是在机器人的某一方向产生一个有力的击球动作。为了提供机器人的击球效率，增加击球机构的可控性，机器人使用进口的电磁阀直接作为击球机构，并通过控制电路进行控制。当电磁阀导通时，会吸引中央铁心高速击出，在很短的行程内会产生很大的力，当击球结束后，控制电路切断电流，中央铁心的弹簧会引导铁心归位。但是，电磁阀消耗的功率大。考虑到电池容量的限制，我们采用一种蓄能装置来减少对电池的功率需求。其基本原理是把做功和蓄能在时间上分开。利用大电容组成的升压蓄能电路充电蓄能，然后使用高压大电流放电驱动电磁阀，击球器两次动作之间需要一段时间重新充电。14\n山东大学硕士学位论文击球机构控制电路是～块单独的控制电路板，通过逻辑接口，可以控制产生瞬间的大电流，驱动电感元件完成击球动作。电路具有自动保护功能和屏蔽功能，不会对于其他电路产生干扰。3带球机构的研究与实现基本带球机构主要是设计一套符合机器人足球比赛规则并能很好的完成击球任务的硬件装置。带球机构对于机器人的传接球、带球突破有重要的意义。由于规则规定不可以限制球的自由度，球不旋转即为持球。所以带球机构只有一种方法，即利用摩擦力令球向后自旋。产生摩擦力的机构是塑料滚轮，当塑料滚轮以一定速度旋转的时候，将带动球向后旋转。在机器人的前方，由一个直流电机带动一个橡胶滚轮自始至终旋转，方向是由上往下，由外向里，当机器人前进的时候，由于球在向后旋转，因此能保持在机器人前端，当机器人后退的时候，球高速向后旋转，能够跟随机器人运动，像吸住球一样，但又不持球。塑料滚轮的设计一是要选择合适摩擦力的塑料材料，并且塑料要有一定的强度，既不能太硬也不能太软，摩擦力和软硬度可以通过试验确定。二是塑料滚轮的形状要设计合理，机器人在带球的时候，最理想的是让球保持在机器人正面的中心位置。图2—1005年带球机构\n山东大学硕士学位论文图2—1107年带球机构带球机构产生的问题是，当机器人前进的时候，由于主动滚轮的作用，球在高速向后旋转，这时容易将机器人顶起来，致使前轮不能着地，而机器人不能前进或抖动，解决的办法是主动滚轮采用悬挂装置，即令主滚轮的轴有上下移动的裕量。07年的比赛中，我们针对05年比赛中带球机构的一些不足，研究并实现了新的带球机构。相对于05年，带球机构的改进主要有以下两方面：第一，接触滚轮的改进。如图2—10所示，05年的比赛中，我们使用的是旱冰鞋的橡胶滚轮。但是这种滚轮外凸的的轮廓使得它与球之间只有线的接触，面积很小，作用力也就相对的小。因此，在07年的比赛中，我们自行加工了新的滚轮，其外轮廓向内凹进，且眭线符合球的表面，如图2—11。这样就大大加大了滚轮与球之间的接触面积，并在其表面粘贴了一层增加摩擦力的材料。我们同时在下面增加了一个卷球器，这样球就带得很牢了。由于两侧的白色小耳轮可能将球弹出，我们将其去掉，同时在两侧的护板上贴上适当厚度的泡沫。改造之后的带球机构比之前性能得到了显著提高。第二，控制方式的改进。在05年的比赛中，带球机构从机器人开启直至关闭一直都在运转，而大多数时间机器入是没有拿到球的，在这种情况下带球机构依然在消耗电能。在07年的比赛中，我们采用红外光电传感器作为控制信号，当传感器感应到前方有球时，才启动带球电机。这样不仅节省了能量，而且还可以将传感器与DSP相连，将感应信号经由下位机发送到上位机中的决策系统，作为决策的辅助信息。这种传感器信息的冗余增加了系统的稳定性。2．4本章小结本章研究并实现了中型组足球机器人的硬件平台，主要介绍了其中的全向运\n山东大学硕士学位论文动机构、击球机构和带球机构的设计原理及其实现。全向运动机构由三只电机带动三只全向轮组成。每只电机上都连有编码器和行星齿轮减速器。全向运动机构具有更好的运动灵活性和精确性，更好的适应了中型组比赛实时性的要求。击球机构由高压电磁阀带动击出，在弹簧的作用下复位。击球机构能够高速的将球击出一定距离，完成传球和射门的动作要求。带球机构由两只直流电机组成，两旁用铁板对球进行挡护，并用红外传感器作为控制开关。该带球机构能够有效的护住球并完成带球前进、转身等动作。该硬件平台经过2007年RoboCup中国公开赛比赛的测试，表现出了一定的稳定性和优越性。\n山东大学硕士学位论文第3章运动控制系统的研究与实现足球机器人运动控制系统按控制结构分有三种类型：集中控制、主从控制、分级控制。集中控制：在这种控制系统中，机器人是具有单一的高性能计算机系统。该计算机系统不仅用于系统决策规划，还通过运动控制卡负责控制机器人低层的行为。由于是单机控制，因而构造较为简单，也比较经济。但由于控制过程中需要进行坐标变换，因此这种控制结构速度较慢。主从控制：这种控制方式中，系统用主、从两个CPU控制，主CPU是一个高性能的计算机系统，主要负责环境建模、决策规划等工作。从CPU由低档的计算机充当，负责控制机器人的底层行为(如转弯，加速，减速，刹车等)。主、从CPU之间通过串行连接等方式进行通信。分级控制：这种运动控制系统采用多个微机分上下两级共同完成机器人的控制功能。上面一级主控计算机负责整个系统的决策以及路径规划。下面一级可选用微处理器或DSP，主要负责机器人速度控制和姿态控制以及伺服控制处理．由于机器人的不同功能可由不同的处理器并行地完成，因而提高了工作速度和处理能力。本系统中采取分级控制。上级计算机主控系统(上位机)的功能由一台笔记本负责完成，这也是国际主流的控制系统。下级控制系统(下位机)的选择比较复杂。其中下位机主要负责进行电机控制，包括：全向运动解算、PID速度控制、梯形控制、位移控制等运动计算。图3—1给出了这种结构的示意图。我们选择德州仪器的DSP2407控制板。因为数字信号处理器(DigitalSigllalProcessor，或DSP)，是专门用来处理数字信号的控制器。与单片机相比，DSP有着更适合用于数字信号处理的优点。它采用了改进的哈佛结构，内部有硬件乘法器、累加器，使用流水结构，具有良好的并行特性，并有专门设计的数字信号处理的指令系统等。这些特点使得DsP在实时性要求较高的场合如蜂窝电话、电机控制等有着广泛的应用。由于每块2407DSP板中有两个事件管理器，而我们设计的全向运动机构中有三个电机，我们使用了两块2407电路板来组成上位机。其中，一块称为主板，\n山东大学硕士学位论文负责控制位于底盘前部呈对称分布的l，2号电机的运动；另一块板称为从板，负责控制位于地盘后部的三号电机的运动，以及击球器的击发与否。两块电路板之间通过CAN总线进行通信。上位机和下位机之间通过RS232接口与笔记本的USB接口进行通信。图3．1运动控制系统设计示意图3．1DsP下位机程序的研究与实现DSP主要完成以下功能：1、根据一定的协议接收上位机的指令；2、进行速度检测：3、根据上位机速度给定和实测值并按预定控制算法得到控制量，实现PWM\n山东大学硕士学位论文方式调速，完成单轮的速度闭环控制。3．1．1指令格式上位机和下位机之间通过固定的信息格式进行通信。上位机对下位机的发送的指令格式为：＆aaaa，+bbb，+ccc，d．下位机向上位机返回的反馈格式为：＆+aaaa，+bbb，+ccc．命令格式解析如下：＆——开始符；+aaaa一自身坐标系中机器人的线速度大小；+bbb——自身坐标系中机器人的线速度方向(0—359)；+ccc——自身坐标系中机器人的角速度大小和方向(逆时针方向为正，顺时针方向为负)；d——击球器是否击球，1为击球，0为不击球；3．1．2速度检测LF2407的事件管理器(Event-ManagerModule)产生2路频率为20I(HZ高分辨率的PwM信号控制两个电机的速度，2个计数器进行电机转速的测量，串行通信接口(SCI)可以解释接收的速度指令信息。编码器发出的两路正交脉冲通过直接送入DSP的QEP单元，并进行可逆计数，同时获得电机的转速和方向。3．1．3PID速度控制模块运动控制系统按照有没有反馈单元，可以分为开环控制和闭环控制两种。反馈把关于控制结果的信息回传给控制中心，使得控制中心能够依据反馈回来的信息对过去的控制行为进行评估，从而改变或改进控制行为。反馈有两种基本的方式：负反馈和正反馈。负反馈倾向于使系统稳定，正反馈倾向于使系统不稳定。因此在控制中我们需要负反馈。闭环控制比开环控制有更优的控制性能。这两种类型的伺服驱动系统的基本\n山东大学硕士学位论文组成不完全相同。但不管是哪种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为驱动执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。开环运动控制系统由驱动控制单元和执行元件组成。这里的执行元件为直流电机。执行元件对系统的特性具有重要影响。闭环运动控制系统由执行元件、驱动控制单元，以及反馈检测单元、比较控制环节组成。反馈检测单元将工作台的实际位置检测后反馈给比较控制环节，比较控制环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为运动控制系统的跟随误差经驱动控制单元，驱动和控制执行元件带动电动机运动。各种具体的闭环控制系统的组成可能有很多差异，但从基本结构上看，闭环控制系统主要由控制律、功率变换器、受控对象、反馈装置组成。如图3—2所示：指令能源上扰动l。八-J．～⋯．1-J～⋯．．I：≯L1．．．1，＼门控制律广—]功率变换器l二＼j7I对冢ILl反馈l反馈传感器卜l⋯‘。。‘。l⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一I控制器受控机械图3—2一般闭环控制系统可以看到，图中反馈信息的箭头末端是“一”号，正与我们上面提到的使用负反馈一致。本系统为保证速度的正确性，使用了经典的PID控制算法，也就是“比例(Proportional)+积分(Integral)+微分(Derivative)”控制算法。PID控制具有结构简单，应用方便等优点。对于较简单的被控对象，应用PID控制算法能够获得很好的控制效果，并且构成的控制系统具有较好的鲁棒性，是现今应用最广泛的控制方法。为减少计算量，本文中采用增量式PID算法。其公式为：△“=“(七)一“(七一1)=尺。【P(七)一P(七一1)】+K尸(七)+Kd【e(七)一2e(七一1)+P(七一2)】\n山东大学硕士学位论文其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。e(k)为k时刻现实与期望之间的差值，也就是误差值。u(k)为k时刻的控制量。PID控制具有明确的物理意义，便于理解。比例(P)控制的物理涵义：误差量越大，需要的控制量越大。微分(D)控制的物理涵义：误差量的变化率越大，意味着误差量正在向扩大的方向迅速变化，因而需要大的控制量，以抑制误差量的迅速增长。微分控制是一种具有预见性的控制机制。积分(I)控制的物理涵义：误差的累积量越大，需要的控制量越大。仅仅依靠比例控制和微分控制，系统可能会存在静态误差。假如积分控制后，静态误差的存在会随时间而积累，由此产生的积分控制量则倾向于消除静态误差。但为了保证控制系统的实时性，这里只使用了PI控制。PI控制器是工业中最流行的一种。比例项提供稳定性与高频响应，积分项确保平均误差趋向于0。P工控制的优点是：只有两个增益需要调试，没有稳态误差，响应速度快。主要的缺点是对于阶跃指令信号，PI控制器通常会产生很大的超调。在控制时采样时间为4ms。即每4ms进行一次电机的PID控制。4ms的单位时间并不是使用一个单独的计时器产生的中断，而是使用了P删发生器的周期为时钟基准(20khz)，记录中断次数，当中断达到80次(4ms)时，对电机进行一次PID控制。数据的采集主要使用了DSP2407的硬件正交编码器进行采集。在实际的程序中，我们建立了一个motor类，其中数据成员SpeedI(p代表电机PID控制中的比例参数，SpeedKi代表电机PID控制中的积分参数。运动机构中的三个电机被实例化为Ⅲotor类的对象，分别为：MotorA，MotorB，MotorC。经过多次的调试，我们最终确定的每个电机控制所需的比例参数和积分参数为：MotorA．SpeedKp=1．4：MotorA．SpeedKi=1．25：MotorB．SpeedKp=1．4：MotorB．SpeedKi=1．25：MotorC．SpeedKp=1．3；MotorC．SpeedKi=1．25：PID是基于误差修正的速度控制，不需要将所需的转速直接赋予Plj『M控制寄\n山东大学硕士学位论文存器，只需要将速度赋予电机模块中的预期速度变量即可。PID控制器会自动修正误差并调整到所需要的速度。3．1．4矢量运动控制计算模块Robowarrior机器人采用全向控制，所以在运动控制时不仅要保证本体的速度，还要保证本体的运动方向正确性。矢量运动控制计算模块分两种情况对机器人的三只电机进行控制。第一种情况：机器人收到上层的通信指令。当收到控制指令后，首先进行指令解算。上层通讯指令只有一个极坐标的速度矢量，根据以下矩阵刚一未勤磊进行计算，得出机器人每个电机的正确转速和转动方向。计算后立即将当前计算结果赋予相应电机。第二种情况：在三只电机的速度数据都采集好后。在三只电机的速度都采集好后进行一次当前速度的反算，将当前反算的结果(主要是角度结果)进行累积和修正，以保证机器人本体的运动方向正确性。反算公式如下。=[毒舞3．1．5扰动解耦cos(日)一cos(万一∥一矽)一cos(∥／2+臼)矛㈢扰动是不希望有的输入，是应该被克服的输入，但它们在控制系统中是普遍存在的。扰动解耦法的优点首先对扰动进行测量或估计，然后在功率变换之前扣\n山东大学硕士学位论文除一个等效的量，以近似消除扰动。不管扰动信号是通过测量得到的还是通过观测得到的，都可以用同样的方法来实现解耦。加入扰动解耦之后的控制系统如图3—3所示：控制器受控机械图3—3加入扰动解耦之后的控制系统在三轮全向系统中，主要的扰动来自于地面的摩擦力和由于高速运动而导致的滑动，两者都会造成机器人的运动速度偏离预期。由于轮子的高速运动所带来的滑动是由于轮子失去对地面的附着力所致，这种滑动无论在轮子的主动还是被动运动时都存在。例如在机器人有很大的前向速度分量时，后面三号轮从动轮滚动的速度是前面轮子两个主动轮转动速度的好几倍。此时，垂直滚动轮的高速滚动改变了轮子的动态摩擦系数。因此，在机器人以很大的速度向前运动的同时有很小的横向运动分量时，横向位移分量会因为滑动而变小。这种运动误差与机器人的运动速度成比例，这个比例系数随着速度的变化是非线性的。为了满足RoboCup中型组比赛是实行的需求，本文采用查找表和线性插值的办法来计算机器人轮子的实际速度。让机器人分别沿3个轮子主动轴方向以很大速度分量进行运动，同时在其垂直方向有一定的速度分量。经过多次测量得到了如表3—1所示的系数表。在底层运动控制系统接受到上位机发送的速度信息指令之后，计算垂直于每个轮子主动轴的运动分量，在然后根据运动分量通过查表和线性插值得出比例系数，根据比例系数来调整轮子的运动速度。轮子速度的调整会改变垂直于其他轮子主动轴的运动分量，但是，这种改变量通常不大，为了计算的实时性，我们没有对此进行考虑，只进行了一次速度调整。24\n山东大学硕士学位论文表3—1比例系数表滚动速度(cⅢ／s)1号轮2号轮3号轮0110O．980．9720O．98O．97300．94O．95O．93400．9l0．90O．91500．83O．83O．8160O．770．772决策系统的研究与实现足球机器人系统作为研究多智能体系统的典型课题，其智能性主要体现在决策系统中。足球机器人智能水平的高低主要取决于决策系统的先进性、合理性和实时性。决策系统在整个足球机器人系统中处于非常重要的地位，如同人脑对于人这个系统一样。决策系统的优劣将直接关系到比赛的结果，关系到整个系统的成败。机器人自主决策要求决策模型能够在线处理大量的视觉、触觉数据，在有噪声、信息不完全的环境下进行实时任务规划，并且能够应对变动的环境。决策系统的开发过程就是对多智能体系统的基本问题，诸如工作任务描述、任务分解与分配、智能体间的一致性及协调性等的求解过程。足球机器人主要由轮式机器人、视觉子系统、无线通信子系统、决策控制子系统以及底层控制子系统组成。整个系统的控制闭环是：视觉子系统采集机器人的图像信息，通过图像处理后将场上的位置方向等信息传递到决策子系统；决策子系统将图像信息做预测处理后得到预测后的场上局势信息，根据预测的局势信息制定协调控制策略，确定每个机器人的角色分配及目标位置、速度、方向，有了战术安排以后对每个机器人行走的路径进行路径规划，找到到达目标位置和实现姿态控制的最佳路径；将规划好的路径交给控制子系统，速度曲线生成部分对已规划的路径用控制算法产生一条连续的速度曲线，通过无线通信系统将速度信息传递给机器人上的底层控制系统，底层控制系统把每点的机器人速度值分解到各个车轮上，采用PID速度控制保证每个轮子速度的实现，最终达到控制机器人\n山东大学硕士学位论文按指定的路径和速度运行的目的。足球机器人系统的决策系统应满足适应性好、具有自学习能力、实时性好等几方面的要求。以下介绍决策子系统使用分层递阶控制的方法。分层递阶控制方法对决策子系统进行逻辑上的分层。一般来说，决策是先根据场上信息确定机器人之间的协作模式，即信息一>策略一>角色对应关系，然后根据配合的要求确定每个机器人的运动方式。分层的具体方式可以多种，以下为一种分层结构的示意图。图3—4决策系统结构协调层是决策子系统的最高层，它接受来自视觉系统采集到的场地数据，包括机器人和球的位置，根据这些数据判断场上的形势，从策略库中抽取合适的协作模式，并将模式传入下一层。协调层的关键有两点：场上形势的判断和协作模式的选取。在比赛中，对场上信息的获得是直观和模糊的，人们的判断是建立在这些模糊的感觉上(如：场上形势是否对我们有利，站位是否好等)。而机器人视觉子系统得到的是具体的数字，这种对形势的判断常难以用具体的数字来表达。决策子系统必须要从具体的数字符号中抽象出对形势的估计，这涉及到如何从数字中进行知识表示和归纳。\n山东大学硕士学位论文协作模式的选取使用专家系统。组建策略库是决策系统的前提。可以根据不同情形形成不同的策略，如可将场地分为若干区域，机器人处于不同区域的时候选取对应的协作模式：或者根据机器人、球之间的相对位姿来选取协作模式。运动规划层是主要将协作模式分解为各个机器人的目标，并将目标进一步细化，进而形成小车运动的具体方式。它体现了群体协作与个体之间的对应，即如何通过个体的运动来反映群体协作的整体效果。简单说就是针对每个机器人所分配到的角色依据不同目标形成它的运动方式，如选择射门、传球、带球、断球、防守、破坏、盯人等个人技术。因此，它注重的是个体要完成什么动作。运动规划层设计要求规划生成速度要快，规划的运动方式本身应该平滑，并尽可能简洁。如果要求避障，规划层应考虑到有障碍物情况下的运动规划，寻找快速和避障的最佳平衡点。基本动作层是决策系统的最底层，它将运动规划层产生的阶段性目标和具体的行动指令对应起来，生成车轮的速度指令。如要求机器人到某个点或转过某个角度，基本动作就生成一定的运动指令，使机器人能完成走直线或转弯的动作。快速和准确是该层设计的关键。由于它是决策最底层和机器人运动的控制紧密关联，在某种程度上，它的功能和机器人车载控制器的功能有重叠。由于车载控制器的控制程序已经固化在车载芯片内，而且车载芯片处理能力受限，基于动作层有时必须能补偿车载控制器的不足，比如当机器人性能变化时，基本动作层应能修改部分参数，补偿性能损失。3无线通信系统的研究与实现在2007RoboCup中国公开赛中，比赛开始采用场外裁判盒。裁判盒由专门人员负责操作，根据场上人类主裁发出的裁判命令来发出相应命令。由于裁判盒和Coach程序是首次在国内比赛中出现，因此为了便于论文的阅读和理解，此处引用了【30】关于裁判盒的说明：RoboCup中型组比赛使用裁判盒是为了使比赛过程更加自动化，减少人类对比赛的干预，保证比赛更加公正的进行，并记录比赛中必要的信息。在比赛中，场外有一台计算机运行裁判盒程序，该程序有一名助理裁判操作，根据主裁判的判罚决定通过裁判盒给比赛双方球队发送比赛指令信息。因此每支\n山东大学硕士学位论文球队在场外需要有一台计算机运行Coach程序，该计算机与中型组裁判盒机器的连接通过有线网络，通讯协议为TCP／IP协议，也就是说要使用TCP网络通讯。具体来说，裁判盒程序首先会启动，创建其套接字，并侦听是否有其它程序试图连接自己；而球队要设计的程序则是首先创建自己的套接字，创建成功后再连接裁判盒的套接字(比赛时裁判盒机器的IP和端口都是已知的，端口为28097，我们则需要把自己机器的IP地址设置在与裁判盒机器IP同一个地址段里)，连接上以后即可接收裁判盒发送来的指令字，根据通讯协议解析后即可通过无线网络发送给场上比赛的机器人。RoboCup中型组比赛中裁判盒程序作用示意图如图3—5所示。『台amM【二Omm▲§琵墓辫蓊；≯赫缓翁麓翳籀#黪臻il鬻溯i；㈣缓籀簿季嚣黧鬻；蘑ll鏊ji荔缀戮lo．⋯舅／●▲{滋一，，～IJTeamMleBaSeStatiOn；i||?i∥户＼、ISTARTSTOP((t)厂GoAL莉≮＼＼／／盈THROWIN衔i⑦KICKOFCORNERKlCKFREEKICI(GOALKICK忿一l④囝TeamC—lBaseStaljOn鬈、、厂飞hfTeamCCⅪmml蘩镕霾缓zm鬻翳荔l荔鬻豢溯嘉磊易焉黪鬻糕锈缓缀戮魏缓獯勰《图3—5RoboCup中型组比赛中裁判盒的作用示意图上面说到的TCP通讯套接字类可以通过继承肝C中的CAsyncSocket类来实现，该类提供了需要的各种函数，如连接侦听机、接收信息、发送信息等。当然也可以使用windows的API函数编程实现。28\n山东大学硕士学位论文另外，在如下网站可以下载到最新的裁判盒程序，是用Java编程的，这样裁判盒的运行就与操作系统平台无关了，因此就不像原来的裁判盒程序必须在Linux下运行，现在在windOws下也可以运行。http：／／sourceforge．net／projects／msl一refbox／把裁判盒程序下载下来后，再在机器上装上Java最新的虚拟机，虚拟机可通过如下网站下载：http：／／w唧．java．com或者http：／／java．sun．c伽，把程序编译通过就可以运行裁判盒程序了。球队的Coach程序中得加上一个选项，能够在赛前选择自己是Magenta还是Cyan。根据该选项分析裁判盒程序发来的字符分别代表什么命令，再通过无线网络发送给场上比赛的机器人。因为裁判盒发送的命令是Magenta方开球CO眦KICKOFF—MAGENTA或者Cyan方开球CO删』ICKOFF-CYAN等，根据自己是Magenta还是Cyan，即可判断接收到的指令是对方开球还是我方开球。裁判盒程序发送的指令是字符数据，每个指令所使用的代表字符如下所示。／／playco衄ands#defineC0～邺TOP’S’#defineCOMMSTART’s’#defineCOMMHALT’H，#defineCOMMREADY’’／／gameflowcommands#defineCOMMFIRSTHALF’1’#defineCOMMHALFTI征’h’\n山东大学硕士学位论文#defineC0删SECONDHALF’2’#defineCOMM—END—GAME’e’#defineCOMMCANCEL’x’／／goalstatus#defineCOMMGOALMAGENTA’a’#defineCOMMGOALCYAN’A’#defineCOMMSUBGOALMAGENTA’d’#defineCOMMSUBGOALCYAN’D’／，I=gameflowcommands，Ic／#defineCOMMRESTART’n’#defineCOMMKICKOFFMAGENTA’k’#defineCOMMKICKOFFCYAN’K’#defineCOMMFREEKICKMAGENTA’f’#defineCOMMFREEKICKCYAN’F’#defineCOMM—GOALKICK—MAGEN了A’g’#defineCOMMGOALKICKCYAN’G’\n山东大学硕士学位论文#defineCOMMTHROWINMAGENTA’t’#defineCOMMTHROWINCYAN’T’#defineCOMMCOI淝RMAGENTA’c’#defineCOMMCORNERCYAN’C’#defineCOMM．一PENALTY—MAGENTA’p’#defineCOMMPENALTYCYAN’P’#defineCOMMDROPPEDBALL’N’#defineCOMMDUMMY’木’／／acceptablerefereecommands#defineCOMM—CMD—STRING”pPkKNnCcTtdDgGfFxaAZe2h1HsS木”本人作为参赛的主力队员之一，独立负责完成了该模块的设计与实现工作。该程序用于2007年的比赛中，运行情况良好。coach程序是在vc++．net2005开发环境之下编写的。场上参赛机器人的ip和裁判盒的ip，以及己方颜色都在赛前以配置文件的形式进行编辑和保存。其中机器人的ip按照场上所标示的序号进行排列(其中守门员为O号)，所有己方机器人的ip都被保存而不仅仅是正在场上的机器人，后面我们将提到这样做的好处。Coach程序可以在与裁判盒或者场上机器人失去联系时主动再次尝试连接。由于场上机器人可能突然出现故障需要拖出场外，经过修理再次上场或者让其他\n山东大学硕士学位论文己方机器人替补上场，。由于替补机器人与拖下场的机器人的ip是不同的而且为了减少人工操作的时间，我们不对其ip进行重新配置。因此，在与场上机器人失去连接之后，coach程序会尝试连接该机器人一定次数，若仍未能连接，则开始尝试连接依次其他己方机器人，直至与某一个机器人建立连接为止，如该机器人的ip与原来机器人的ip不同，则将两者进行交换。但是配置文件中不做改变。3．4本章小结本章研究并实现了中型组足球机器人的运动控制系统。系统采用分级控制方式，上位及用笔记本电脑，实现视觉信息处理、运动决策和无线通信：下位机采用DsP芯片，负责运动分解，发送控制信号给电机驱动板控制直流伺伏电机的运动，并将三个编码器返回的速度合成并发送给上位机。下位机采用PID控制算法，并加入扰动解耦环节，使得电机的运动更加精确。上位机通过维护有限状态自动机来完成运动决策。无线通信系统负责从己方位于场外的coach程序转发的裁判盒命令，确保比赛的正常进行。该系统用于2007年的RoboCup中国公开赛中型组的比赛，表现出了良好的性能。\n山东大学硕士学位论文第4章自动状态检测系统的研究与实现移动机器人系统是一个高智能、多系统的复杂工程系统。内部系统包括多种硬件设施，有实时控制部件、多种信息处理部件、通讯部件等等：相应的包括多个功能特性各异的功能模块。移动机器人系统具有任务分析、规划、推理、决策等多种智能性很高的功能模块，要使他们组成一个性能良好的移动机器人系统，需要多种功能模块以不同方式在不同层次的协调工作。任何一个模块出现故障，都会对整个移动机器人系统产生影响。中型组足球机器人都是全自主的机器人，拥有类似于人脑的独立的“思考功能”，为了确保机器人在场上的正常比赛，并向“与人类队员进行一场足球赛”的目标前进，机器人势必要具有感知自己状态的能力。这也就是自动状态检测的任务。因此，自动状态检测系统的研究与开发值得我们倾注大量的时间和精力。机器人的自动状态检测包括机器人自动对其自身软硬件的检查和测试及其在场上所处环境的感知两方面。在硬件的损坏不是很严重的情况下，【4l】中将机器人可能出现的故障分为三种情况：第一种情况，机器人依然能够保持其物理功能。机器人的控制系统能够检测并定位硬件的故障。而且，控制系统能够通过类似重启故障的硬件部分或者重新配置机器人的硬件或底层控制软件的方式来修复故障。第二种情况，硬件的损失不能够得到完全的弥补。机器人的功能将出现退化。但是，如果机器人的控制系统能够推理出这种退化的话，它可以调整自身的行为以弥补受限的功能。因此，机器人可能但并不确保能够完成任务。第三种情况，如果机器人的硬件出现故障，且不满足以上两种情况，则机器人失去了完成任务所需的物理功能。由于此时机器人的高层控制系统可以将机器人设置到一个安全状态并通知操作人员，因此关于这一现状的知识仍然是有价值的。RoboCup中型组足球机器人的状态检测可以分为以下部分：1．视觉系统的状态检测。视觉系统由全向视觉系统和单向视觉系统两部分组成。全向视觉系统是由全向反射镜头和摄像机组成的折反射视觉系统，用来获取赛场上360。的信息。全向视觉系统的摄像机是通过机器人自带的充电电池进行\n山东大学硕士学位论文供电的。在电池供电不足的情况下，机器人获取的图像可能会出现失真。这种情况影响了机器人对于场上情况的正确感知。单向视觉系统是位于机器人前方的单向摄像头，主要负责获取球的位置信息。由于全向视觉系统在机器人自身近距离内存在视觉死角，如果单向摄像头出现故障，则可能会导致机器人在离球很近时不能够很好的靠近球并带球、射门。由于07年设计的带球机构通过光电感应信号来控制，那么在检测到单向摄像头出现故障的情况下，可以在一定程度上借助于光电感知器的信号进行辅助决策。2．全向运动机构的状态检测。全向运动机构有三只全向轮，每只全向轮由一只直流伺服电机带动，每只电机和全向轮之间通过联轴器进行连接。每只电机都配有行星减速器、光电编码器。电机的驱动力由机器人自带的电池提供。其中任何一个部件出现故障，都会导致机器人不能够按照预期的速度和路径运行。在比赛的过程中，机器人轮子出现的打滑情况也会影响到机器人的速度。3．击球机构的状态检测。机器人使用进口的电磁阀直接作为击球机构，由DSP从板给出的信号进行控制。电磁阀击出之后，通过弹簧自动复位。复位弹簧经过长时间的使用会丧失一定的弹性，导致击球机构不能够正常复位，下一次击球不能够达到应用的力度。与击球器相连的高压供电板的故障，会导致击球动作不能执行。4．带球机构的状态检测。带球机构由直流电机、塑料滚轮、光电传感器组成。目前，直流电机与电源的连线裸露在车身外面，在比赛中，很容易在机器人的碰撞中撞断。光电传感器的故障也同样会导致机器人不能够带球。5．控制系统的状态检测。控制系统由上位机和下位机组成。上位机通过USB转RS连线与下位机进行通讯。下位机由两块通过cANBUS通信的DsP板组成。下位机的主板负责对上位机发送的运动速度进行分解，确定三只电机的转速，然后通过与之相连的直流电机驱动板驱动电机转动。在日常调试过程中，经常会出现DSP板和驱动板的故障，导致整个机器人的行进路线混乱。6．无线通信系统的状态检测。07年的比赛规则中，要求每台参赛机器人都通过无线网络接收己方场外Coach程序转发的裁判盒给出的命令来启停和执行相应动作。整个过程完全是自动完成，不允许人类队员的干预。无线通信系统可能出现的故障有：无线网卡的故障、网络的拥塞等。7．连接线路的状态检测。中型组机器人一个由多个部件组成的整体，其中\n山东大学硕士学位论文包括大量的连线。在日常调试和比赛过程中，经常会出现凶为连线的故障而导致的机器人运作失常。比如，上位机的UsB接口由于多次的拔插，经常不能够识别所插元件：DsP板的电源线、编码器的连线、全向摄像机的电源线等都会由于机器人的高速前进或是碰撞而松动。8．电源的状态检测。通常机器人自身携带的充电电池维持机器人运作的时间比较短，而充电所需的时间有很长。目前，人类队员在比赛之前需要在现场对机器人做大量的标定和调试工作。中型组比赛的时间也在逐渐加长，因此机器入在比赛中可能出现电源电力不足的情况。9．软件系统的状态检测。软件系统由于编写过程中的规范性不足，各个模块内部和彼此之间接口的设计不当，以及测试不足等原因，导致在运行过程中经常崩溃。10．机器人对于自身所处环境的感知是状态检测的另一重要方面。在比赛的过程中，机器人处于一个动态环境之中，可能遇到各种意料之外的状况。比如球出了规定场地之外，机器人与其它机器人卡在一起，甚至是机器人撞到了类似球门、角柱之类。至今为止，大量文献在状态检测方面进行了研究。其中部分对硬件，主要是运动机构状态检测进行了研究，如‘411中利用基于混合模型的推理来进行运动机构的控制和故障检测，【471中利用决策理论的多分辨率粒子滤波器(Decision—theoreticvariableres01utionparticlefilter)进行六轮漫步者机器人运动机构的故障检测，【501中利用自适应的粒子滤波器实现移动机器人的故障诊断。也有很多论文研究了软件的故障检测，如H51中利用模型及模块之间的关系来进行控制软件的故障检测和恢复。【491中利用基于恢复的框架自动隔离和监测机器人的软硬件故障。由于时间和精力的原因，我们只实现了部分状态检测功能。4．1运动机构状态检测的研究运动机构涉及多个部件，可能出现的故障很多。仅硬件部分的故障就包括电动机的故障，编码器的故障，减速器的故障，甚至连轴器的故障和电源连线的故障。\n山东大学硕士学位论文运动机构状态检测『一时包括传感器和执行器。常见的传感器和执行器故障类型有三种：卡死、恒增益变化和恒偏差失效。常用的状态检测手段可以分为依赖于模型的方法和不依赖于模型的方法。其中，依赖于模型的方法主要有三种基本方法，基于状态估计的方法、基于参数估计的方法和等价空间的方法。不依赖于模型的方法主要有基于信号处理的方法和基于知识的方法。对于运动机构的状态检测，多利用依赖于模型的方法。通常，将机器人看作一个随机混合系统。机器人的传感器和执行器都可能出现噪声误差，为更为精确的估计机器人的真实状态，一般都会采用滤波器进行状态估计。经常采用的滤波器有卡尔曼滤波器(KF)、扩展的卡尔曼滤波器(EKF)、粒子滤波器(PF)等。其中卡尔曼滤波器适用于线性离散系统，扩展的卡尔曼滤波器可用于非线性连续系统，两者都要求噪声为高斯白噪声；粒子滤波器可用于非高斯概率分布的噪声污染的系统。其中，粒子滤波器的计算复杂度与粒子的数目有关而与模型的复杂度无关【651。通常粒子滤波器的计算复杂度较高，但是可以同时估计系统的离散状态和连续状态。很多国内外学者针对粒子滤波器计算复杂度的缺点，提出了许多改进方案，以降低其计算复杂度、提高其精确度。【41】中采用基于混合模型的故障检测算法，首先通过EKF(扩展的卡尔曼滤波器)进行滤波，之后利用混合自动状态机(ProbabilisticHybridAutomata)进行状态的检测，并利用人工智能的手段降低计算复杂度。Washington结合马尔可夫链和卡尔曼滤波器提出了一种传感器故障诊断的框架MAKSI(MarkovAndKalmanStateIdentification)，其基本思想是将系统看成是一个离散状态集合，每个状态的动力学模型用一个卡尔曼滤波器表示，利用部分可观测马尔可夫过程(PartiallyobservableMarkovDecisionProcess，P0佃P)表示离散状态转移，利用卡尔曼滤波器增强其性能【631。段琢华针对粒子滤波器逻辑推理能力弱的不足，提出了一种通用的框架将领域知识集成到粒子滤波器中，实现了模糊自适应粒子滤波算法，并应用于移动机器人航迹推算系统传感器故障的诊断；针对移动机器更频繁出现的车轮打滑、车轮受阻以及传感器噪声过大等“软故障”，提出两种自适应粒子滤波方法PD—PNAPF和PD—EAPF，利用激光雷达测量信息对软故障进行实时补偿；针对具有不完备模型的复杂系统，提出了检测未知异常以及诊断已知故障的粒子滤波器算法PFIM【5们。\n山东大学硕士学位论文白江坡在在研究机电伺服系统的故障检测问题时，针对传统基于EKF的故障检测方法的不足，引入了基于UKF的非线性系统故障检测方法惭】。利用了UKF不用进行非线性函数的近似，避免J0cabin矩阵的求导，且比EKF预测精度高且收敛快的优点。且算法对噪声的敏感性较弱，避免了漏报。中型组足球机器人运动机构的正常运行确保了机器人的运动能力，其状态检测是状态检测系统整体之中很重要的一部分。中型组的比赛具有高对抗性、实时性的特点，比赛场地环境高动态、结构化。目前专门针对中型组足球机器人的运动机构状态检测的研究还比较少。这值得我们倾注时间和精力。4．2Kicker状态检测的研究与实现Kicker是机器人车体中用来击球的装置。图4—4(a)给出了我们的机器人的一个全身图，(b)为Kicker的正视图，也就是机器人击球时接触球的部分。(c)为Kicker示意图。为了提高机器人的击球效率，增强击球机构的可靠性，我们使用进口的电磁阀直接作为击球机构，并通过控制电路进行控制。当电磁阀导通时，会吸引中央磁铁高速击出；当击球结束后，控制电路切断电流，中央铁心的弹簧会引导铁心归位。(a)机器人全身图(b)击球器图4—4Kicker的外观图片和构造示意图(cJ击球器示意图RoboCup中型组机器人击球器(Kicker)的状态检测到目前为止还没有得到应有的关注。我们结合自己的专业领域知识，实现了通过由图像处理的手段得到的球的运动状况来判断Kicker的状态。到目前为止，机器人的故障诊断的相关工作都是集中在其软件和运动机构上面。Kicker的状态检测一直都没有引起应有的关注。这实在是一件值得遗憾的\n山东大学硕士学位论文事情。从功能上来说，Kicker类似于人类足球队员的脚。在赛场上，Kicker一旦发生故障，必然会对比赛造成不利。4．2．1状态定义本文中将Kicker的状态分为三种：正常、故障、未知。这种分类方式出于以下考虑。-国(1a)正常情况下击球命令发出之前唾一(1b)正常情况F击球命令发出后，Kicker击出，并推动球前进蝴o(1c)正常情况下Kicker回缩到初始位置，球继续一o(2a)球距离Kicker过远时，击球命令发出之前睁●(2b)球距离Kicker过远时，击球命令发出后，Kicker击出，但接触不到球一O(2c)球距离Kicker过远时，Kicker回缩到初始位置，球的位置依然不变叫参(3a)故障情况下，击球命令发出之前-国(3b)故障情况下，击球命令发出，Kicker刁i动-宙(3c)故障情况下，Kicker一直处于初始位置图4—5Kicker分别处于三种状态时，击球过程Kicker与球的在击球命令发出之后，如果Kicker处于正常状态的话，Kicker击出，位于机器人车体前方的橙色足球被击球器向前弹出一定的距离，并向前滚动，直至遇到障碍物，或由于摩擦阻力而自然停止运动。见图4—5中1(a)至1(c)的示意图。如果Kicker出现故障的话，Kicker不能够击出，球的位置将不发生变化。见图4—5中2(a)至2(c)的示意图。击球的时刻，可能出现球不在Kicker击打的范围之内的情况。这就造成了Kicker击打之后，球没有出现前向的位移。见图4—5中3(a)至3(c)的示意图。按照上面的分析，这种情况会被误判为故障。本文将这种情况归入未知状态。这样分类更合理且有利于决策系统根据所得出的状态结果做出正确合理的决策。上面的分析没有将击球动作之后机器人自身的运动考虑在内，而机器人自身的运动必然会改变球与机器人之间的相对距离。但是，从我们采集的样本来看，机器人击球之后的运动速度并不会突然之间很大，球相对于机器人的运动依旧是一个前进的过程。因此，上面的分析依然成立。\n山东大学硕士学位论文4．2．2检测流程4．2．2．1图像采集置于机器人车体前方的单向摄像头，能够获取到机器人前方1米以内的图像信息。球是否发生有效前向位移，根据前向视觉系统的前几帧(MAX-IMG-姗)图像，完全可以判定。4．2．2．2图像处理对于获得的第i帧图像，i=0，⋯，MAXjMGMM一1，我们首先通过彩色图像阈值分割方法，将橙色的球从背景图像中分离出来。然后利用游程编码，将判断为橙色的像素连接成区域，求得球的图像距离。接着通过建立的距离转换模型，来得到球到Kicker的实际距离，记为ball一dis[i]，i=0，⋯，姒x．IMG』删一1．4．2．2．3特征提取根据上文的分析，我们采二维特征向量(x1，x2)来进行状态的判断。第一个特征分量x1是获取的第一帧图像中球的位置。第二个特征分量x2为获取的图像序列中球发生有效前向位移的次数。其中x2计算方法如下：1．我们用连续两帧图像中后一帧图像中球的位置减去前一幅图像中球的位置。2．如果其中一幅图像中球的位置大于阂值MAX_IMG_DIsTANCE(此值大于单向摄像头的视觉范围)，则球的位置并不准确，不计为运动。3．如果得出的结果小于某一个阈值MIN』0vE-DIsTANCE，则认为实际上球并没有发生位移，也不记为运动。4．2．2．4字0另0规贝0如果x1>MAX-KIcK-DISTANCE，此时球距离Kicker过远，Kicker正确击球与否都不能够造成球的位置的变化，判断为未知状态。否则，如果x2>0判断为正常状态；x2=O，判定为故障状态。4．2．3实验及其结果我们以图2(a)中给出的机器人作为实验的硬件平台。其中，前向视觉系统采用罗技Quickc锄Pr04000摄像头(位于图1中机器人车体右前方)，负责决策控制的上位机为DELLInspiron700m笔记本电脑。摄像头与笔记本电脑之间通过USB接口进行通信。上位机和下位机之间通过串口进行通信。编程环境为\n山东大学硕士学位论文VC+十．NE+l‘2003。4．2．3．1分类器的训练分类器需要确定的参数有：1．需要采集的图像帧数MAX-IMG-NUM：2．判断运动与否的阈值MIN—MO、，E—DISTANCE：3．击球器能够击打到球的最大距离MAX-KICK—DIsTANCE：4．计算出的球的运动为无效的图像距离值MAX—IMG-DISTANCE。我们选择了10组击球后球的运动数据样本，每组10个样本。其中样本分类已经确定。经过观察分析，我们得到的参数数值如下：MALIMG_NUM=4：MIN—MOVE_DISTANCE=1：MAX_KICK．DISTANCE=12：MAX_IMG_DISTANCE=110；4．2．3．2分类器的测试我们随机采用了训练集之外的50组样本进行分类效果的检验。其中，未知状态的样本8个，检测正确率为100％；Kicker故障，未能击球的样本6个，其一被误检为正确状态，检测正确率为83．4％；Kicker处于正常状态，将球击打出去的样本36个，检测正确率为100％。总体检测正确率为98％。表4—1：故障状态样本数据及检测结果样本序号第一帧位置第二帧位置第三帧位置第四帧位置检测结果16．06．O6．05．8故障25．76．25．75．O故障310．510．15．75．9故障46．76．66．7故障510．916．19．6正常64．7故障其中故障状态样本及检测结果在表4—1中给出。第5个故障样本被误检为正常状态。\n山东大学硕士学位论文4．3本章小结本章对Robocup中型组机器人的自动状态检测所包括的内容进行了分析，研究了运动机构的状态检测，提出并实现了一种基于图像处理的RoboCup中型组机器人的Kicker自动状态检测方法。这是Kicker的状态检测首次得到正式的关注。该方法首先通过视觉系统获取场上的图像信息，并运用图像处理手段求得球到击球器的实际距离，最后根据采集图像中有效前向位移的次数利用阈值分类器将Kicker判断为正常，故障，未知三种状态之一。实验结果表明，此方法能够很好的对Kicker的状态进行检测，并满足了RoboCup比赛时实行性的需要。鉴于研究方向的原因，本文中所采用的图像处理的手段来实现Kicker状态的检测，得到了不错的实验结果。然而，不能够令人满意的是，目前这种图像处理的手段仅能够确定Kicker处于故障状态，至于引起故障的具体硬件原因并没有给出。这使得我们在之后的人工检修当中，还是要做一些手动的测试。如果在以后的工作当中，能够给出更具体的故障定位的话，那势必会进一步减少人力工作量，也使得足球机器人的智能化程度有更大的提高。机器人自动状态检测的实现，使机器人具备了与人类相似的对自身状态的自我感知能力。更重要的是状态信息的合理利用提高了决策的合理性。首先，在单智能体的情况下，可以利用状态信息来对自身进行调整和重置，使自己处于完成任务的最优状态。再者，多智能体情况下角色分配的优化。RoboCup中型组的比赛，实际上是一项多智能体进行配合以取得最终胜利的项目。在已经实现了场上机器人之间相互通信的情况下，机器人能够“意识到’’自身的状态，并将自身的状态告知场上队友，以调整至于此时最佳的战略战术，彼此之间相互配合，扬长避短，则该队在场上的比赛得的表现必然会有很大的提高。4l\n山东大学硕士学位论文第5章结束语足球机器人的研究涉及多个学科领域，特别是全自主的中型组足球机器人。这就对技术提出了很高的要求。而机器人足球世界杯(Robocup)通过提供一个标准的比赛平台来检验各种智能机器人技术。本文的研究工作是构建了一套自己的足球机器人平台，主要设计并实现了运动控制系统、无线通信系统和自动状态检测系统部分模块。本文完成的主要工作如下：1．参与设计了足球机器人的三轮全向运动机构、击球机构和带球机构。全向运动机构在运动的速度、灵活性方面较双轮差分驱动都显示出了很大的优越性。硬件平台的建设为运动控制系统和故障检测系统的实现提供了基础。2．设计和实现了机器人的运动控制系统、无线通信系统和场外Coach程序。控制系统采用PID控制算法，实现了对直流伺服电机的闭环控制，并融入了故障解耦，使得运动部件的运动更加精确。无线通信模块和场外Coach程序，用于场上机器人之间、场外Coach程序和场上机器人及裁判盒之间的通信。3．研究了自动故障检测系统。对中型组足球机器人自动状态检测涉及的内容进行了讨论，并提出了基于图像信息和阈值分类器的击球器状态检测的算法，使得机器人有了类似于人类的对于自身状态的感知能力，减轻了人类队员对机器人进行故障排查时繁杂的工作。以上是对论文总体工作的总结，研究取得了一定的成果，但由于时间有限，在实验和比赛中也发现了许多的不足之处，需要进一步改进和完善：1．目前的全向轮是单层的，在运动中会由于滚动轮之间的间隙带来一定的震动，导致运动的不平稳。为了有效的解决这一问题，可以采用双层轮，使一层轮的滚动轮刚好位于另一层轮的间隙。但是在改动以后，电机的负载会加大。2．带球机构由于设计时考虑不周到，使足球机器人在实验或比赛中出现持球的违反比赛规则现象。需要对带球机构进行改进使足球机器人既能顺利带球又不持球违规。3．目前的全向运动控制系统只有速度的PID控制闭环，考虑在今后的工作42\n山东大学硕士学位论文采用速度、位置双层闭环，以更好的执行上层给定的运动命令。4．运行场外Coach程序的计算机的工作量很小，又能够同时跟场上参赛的所有机器人进行通信，了解他们的运行状况。在以后的工作中，可以对Coach程序进行改进，做一些简单的场外决策。比如，根据场上的情形调整机器人的角色，改变攻防战术。这样就无需在场上单独指派一个机器人来做这些工作，减轻了场上机器人的工作量。5．目前的编码器是与电机相连的，对于整个运动机构来说实际上只是一个半闭环，如果在轮子上连接编码器的话，可以反馈最终被控对象运行情况，也可以为故障检测中故障的具体定位提供信息。43\n山东大学硕士学位论文[1]www．robocup．org参考文献[2]MiddleSizeRobotLeagueRulesandRegulationsfor2004．[3]LucaCaracciolo，AlessandroDeLuca，StefanoIannitti．Trajectorytrackingcontrolofafour—wheeldifferentiallydriVenmobilerobot．[4]赵冬斌，易建强，邓旭碉．全方位移动机器人结构和运动分析．机器人2003，v01．25，№．5．[5]watanaeK．，ShiraishiY．，Tang，J．Fukuda，T．andTzafestasS．G．ConstructionoftheDynamicModelforanOmni—directionalMobi1eRobot，Procs．ofCESA’96IMACSMulticonference，SymposiuⅢonRoboticsandCybernetics，Lil1e，France，July1996，pp．643—647[6]KeigoWatanabe．ControlofanOmni—directionalMobileRobot．Procs．of1998IEEE，pp51—60．[7]FelixvonHundelshausen，MichaelSchreiber，Fabianwiesel，AchimLiers，andRa’u1Rojas．MATRIX：Aforcefieldpatternmatchingmethodformobilerobots，TechnicalReportB—08—03．[8]杨婧，基于参数估计的伺服系统的故障诊断方法研究．大连理工大学硕士学位论文，2006．[9]谭民，徐德等．先进机器人控制．高等教育出版社，2007．[10]R．西格沃特，I．R．诺巴克什著，李人厚译．自主移动机器人导论．西安交通大学出版社，2006．[11]J．Grabowiecki．“Vehiclewheel，，．USPatentl，303，535，June3，1919．[12]DavidCook著，崔维娜等译．机器人制作入门篇．北京航空航天大学出版社，2007．7．[13]卢志刚等．数字伺服控制系统与设计．机械工业出版社．2007．7．[14]Michae1W．Hofbaur，Member，IEEE，andBrainC．wil1iam．HybridEstimationofComplexSystem．IEEETransactionsonSystemsManandCybernetics—PartB：Cybernetics，V01．34，No．5，October2004．\n山东大学硕士学位论文[15]AlanK．Mackworth．OnSeeingRobots．InA．BasuandX．Li，editors，ComputerVision：Systems，Theory，andApplications，pages1—13，WorldScienticPress，Singapore，1993．[16]RaulRojas．Ashorthistoryofomnidirectionalwheels．[17]舒文杰，耿丽娜，郑志强．Robocup仿真研究．系统仿真学报，2004v01．16No．10[18]SvenB6ttcher．Principlesofrobot10comotion．[19]Www．robocup2005．org．[20]P．E．Hart，N．J．Nilsson，andB．Raphael．Aformalbasisfortheheuristicdeterminationofminimumcostpaths．IEEETransactionsonSystems，Man，andCybernetics，4(2)：100一107，1968．[21]王建中．足球机器人中若干问题的研究．山东大学硕士学位论文．2007：2—314—1520一21．[22]岑汉彬，杨宜民．足球机器人中电动机控制系统的研究．微特电机．2005年Ol期．10—1l1425．[23]杨涛，黄心汉，彭刚，曾劫，余瑶．足球机器人底层运动控制研究．华中科技大学学报(自然科学版)．2004年sl期．165—167．[24]陈盛，李永新，朱璐等，全向移动机器人的结构设计与姿态控制研究．2004中国机器人足球比赛暨学术研讨会论文集．2004年．[25]暨绵浩，曾岳南，曾建安．TMs320LF2407DSP控制器的串行通信设计机械与电子．2005年03期，2卜22．[26]卓清锋，刘和平，李远树．TMs320LF2407的CAN模块使用方法．设计天地。2002．5．A．41—43．[27]杜坤梅、李铁才．直流伺服电动机的位置反馈控制．哈尔滨电工学院学报．第17卷第2期．[28]李艳，林廷圻，高峰．～种3自由度移动机器人的动力学模型．机械科学与技术．第23卷，第4期．[29]吴志刚．光电编码器的原理与应用．浙江冶金．2001年2月第一期，50一52．[30]卢惠民．2007RoboCup中国公开赛裁判和说明文档．[31]GeraldSteinbauer，MartinM6rth，andFranzWotawa．Real．Time45\n山东大学硕士学位论文DiagnosisandRepairofFaultsofRobotControlSoftware．RoboCup2005：RobotSoccerWorldCupIX：13—23．[32]石建萍，尹义龙等．基于阈值法的足球机器人击球器状态检测．第3届全国普适计算学术会议(PCC2007)．[33]C．Plagemann，C．Stachniss，andW．Burgard．Efficientfailuredetectionformobilerobotsusingmixed—abstractionparticlefilters．InH．I．Christiensen，editor，EuropeanRoboticsSymposium2006，V01ume22ofSTARSpringertractsinadvancedrobotics，pages93—107．Springer—VerlagBerlinHeidelberg，Germany，2006．[34]MehmetIsmetCanDede，andSabriTosun091u．DesignofaFault—T01erantH010nomicMobi1ePlatform．F10ridaConferenceonRecentAdvancesinRobotics。FCRAR2006．[35]LuisJ．deMiguel，MargaritaMediavilla，JoskR．Perin．FaultDiagnosisSystemBasedonSensitivityAnalysisandFuzzyLogic．Proceedingsofthe26thInternationalSymposiumonMultiple—ValuedLogic(ISMvL’96)．[36]S．R01and．Introductiontoautonomousmobi1erobots．pp．12—45，2004．[37]张翮，熊蓉等．四轮全向移动机器人运动控制．2004中国机器人足球比赛暨学术研讨会论文集．2004年[38]阮晓钢．机器生命的秘密．北京邮电大学出版社，2005．7．[39]CarlsonJ，MurphyRR．HowUGVsPhysical1yFai1intheField．IEEETransactionsonRobotics，2005，2l(3)：423—437[40]carlsonJ，MurphyRR，NelsonA．F0110w—upAnalysisofMobileRobotFai1ures．ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation．USA：IEEE，2004：4987—4994[41]MichaelHofbaur，JohannesK6b，GeraldSteinbauer，Franzwotawa．ImprovingRobustnessofMobileRobotsUsingModel—basedReasoning．JournalofIntelligentandRoboticSystems，V01ume48，Issue1(January2007)，Pages：37—54[42]NikA．MelchiorWilliamD．Smart．AutonomicSystemsforMobileRobots．\n山东大学硕士学位论文ProceedingsoftheInternationalConferenceonAutonomicComputing(ICAC’04)O一7695—214—2／04[43]BrianP．GerkeyandMajaJMatari6．OnR01eAllocationinRoboCup．InRoboCup2003：RobotSoccerWorldCupVII，LNCSV01．3020DanielPolani，eta1．，eds，pages43—53．Springer—Verlag．2004．BerlinHeidelberg．[44]Gonzalez，R．c．．数字图像处理(第二版)(英文版)．北京：电子工业出版社．2002．7．[45]GeraldSteinbauer，andFranzWotawa．Detectingand10catingfaultsinthecontrolsoftwareofautonomousmobilerobots．In19thInternationalJointConferenceonArtificialIntelligence(IJCAI—05)．2005．Edinburgh，UK．[46](美)蒋浩天等著，段建民译．工业控制系统的故障检测与诊断．机械工业出版社．[47]VandiVerma，ReidG．Simmons．Scalablerobotfaultdetectionandidentification．RoboticsandAutonomousSysteⅢs54(2)：184—191(2006)[48]IsermannR，BalleP．Trendsintheapplicationofmodel—-basedfaultdetectionanddiagnosisoftechnicalprocesses．(：bntr01EngineeringPractice。1997(5)：709—719．[49]N．MelchiorandW．SⅢart．“Aframeworkforrobustmobilerobotsystems”．InProceedingsofSPIE：MobileRobotsXVII，y01．5609，2004．[50]段琢华．基于自适应粒子滤波器的移动机器人故障诊断理论与方法研究．中南大学博士学位论文．2007．[51]DuanZhuo—hua，Cai．Zi—xing，andYuJin—xia．Faultdiagnosisandfaulttolerantcontr01forwheeledⅢobilerobotsunderum(nownenVironments：ASurvey．Proceedingsofthe2005IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation．Barcelona，Spain，April2005，pp．3439—3444．47\n山东大学硕士学位论文[52]FrankPM．Analyticalandqualitativemodel—basedfaultdiagnosis—AsurVeyandsomenewresults．EuropeanJournalofContr01，1996，2(1)：6—28．[53]周东华，叶银忠．现代故障诊断与容错控制．北京：清华大学出版社，2000．[54]胡昌华，许化龙．控制系统故障诊断与容错控制的分析和设计．北京：国防工业出版社，2000．[55]闻新，张洪钱，周露．控制系统的故障诊断和容错控制．北京：机械工业出版社，1998．[56]王仲生．智能容错技术及应用．北京：国防工业出版社，2002．[57]林笠．基于模型诊断算法及应用．中山大学，博士学位论文，2002[58]deK1eerJ，WilliamsBC．Diagnosingmultiplefaults．ArtificialIntelligence，1987，32(1)：97—130[59]姜苍华，周东华．基于计算智能方法的动态系统故障诊断技术．控制工程，2003，10(5)：385～390[60]赵超，张君昌．控制系统故障检测与多模型混合估计．系统工程与电子技术，2001，23(7)：63—65[61]萧德云，莫以为．混合动态系统故障诊断研究进展．上海海运学院学报，2001，22(3)：5—12[62]王文辉，周东华．基于定性和半定性的故障检测与诊断技术．控制理论与应用，2002，19(5)：653—659[63]WashingtonR．On—boardreal一timestateandfaultidentificationforrovers．ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation．USA：IEEE，2000，v01．2．1175—1181．[64]柳玉甜，蒋静坪．未知环境中移动机器人故障诊断与容错控制技术综述．机床与液压，2007年11期，169—173[65]莫以为，萧德云．基于粒子滤波算法的混合系统监测与诊断．自动化学报，2003，29(5)：641—648．(MoYiwei，XiaoDeyun．Hybridsystemmonitoringanddiagnosingbasedonparticlefi1teralgorithm．ActaAutomaticSinica，2003，29(5)：641．648．)[66]白江坡．基于模型的机电伺服系统非线性故障检测方法研究．国防科学技\n山东大学硕士学位论文术大学硕士学位论文，200649\n山东大学硕士学位论文致谢三年的硕士生活，一如白驹过隙。在即将离去的日子里，回顾三年的时光，感慨良多。我的导师，尹义龙博士，给了我加入到课题组这个充满了温馨和关爱的大家庭的机会。三年以来，老师对我们每个人都倾注了大量的时间和精力，不论是学术，还是生活。可惜，我没有报之以出类拔萃。李铁军老师，一直在尽心的负责机器人这个多舛的项目，给我们的比赛和研究以帮助。工程训练中心的老师，对于机器人硬件方面的努力，给了我们更好的实验平台。杨栋，这个做事认真的男生，曾与我多次的讨论。初苗苗，我的同学和师妹，一直任劳任怨的去做那些繁琐的事情。付振中，这个赵合计老师的学生，他写作论文的积极与投入，带动了我。王建中、余存、王志红，是他们带领我走过最初的道路。感谢你们，曾经在一起努力过的我的战友，以及所有为了机器人比赛予以支持和鼓励的我的同学和老师。亓秀燕、骆功庆、刘懋，我的同门，我们一起讨论论文的初稿，感谢你们所尽的心力。我的家人，你们永远是我向上的动力，感谢你们对我的关心和无私的奉献。\n山东大学硕士学位论文攻读学位期间发表的学术论文[1]，基于阈值法的足球机器人击球器状态检测，第3届全国普适计算学术会议(Pcc2007)(2007．10，济南)，第一作者．\n山东大学硕士学位论文在读期间的获奖情况作为骨干人员代表山东大学浩然队参加了山东省机器人大赛，并获得二等奖。作为骨干人员代表山东大学浩然队参加了2007Robocup中国公开赛中型组的比赛，并取得了4v4第5名、2v2第12名。52\n足球机器人运动控制系统研究与实现作者：石建萍学位授予单位：山东大学相似文献(10条)1.学位论文黄永贤全自主足球机器人运动控制系统的研制2008全自主足球机器人是当今机器人足球研究的一个热点。全自主足球机器人系统的研究不仅涉及机械电子学、机器人学、传感器信息融合、智能控制等技术，还涉及通讯、计算机视觉、计算机图形学、人工智能等各个领域。机器人足球将知识性和娱乐性融为一体，提供了一个展示高科技成果的形象化窗口。全自主足球机器人要完成踢球任务，需要一个高可靠性、高运动性能的运动控制系统。本文对足球机器人运动控制系统作了较深入的研究并研制出基于双DSP架构的足球机器人运动控制系统。经过反复的实验和机器人之间的比赛实战，证明了该控制系统具有高可靠性、硬件电路简洁、高可控性等特点，完全可以满足中型组足球机器人的运动控制的要求。本文的主要工作如下：(1)首先介绍了足球机器人比赛的起源和发展、比赛的意义、国内外在足球机器人比赛方面的研究进展和全自主足球机器人运动控制系统的国内外研究现状；重点介绍了全自主机器人足球比赛系统，阐述了全自主足球机器人的内部体系结构及其各个子系统：视觉系统、数据融合系统、决策系统、通信系统、运动控制系统的工作原理。(2)分析了足球机器人运动控制系统的功能要求，制定了总体设计方案，并详细阐述了运动控制系统的硬件设计过程。硬件设计分为处理器单元、电机驱动单元、轮速反馈单元、串行通信单元、踢球机构设计及其控制单元、电源单元等六个单元。(3)介绍了全自主足球机器人运动控制系统的软件开发环境以及软件设计流程。根据足球机器人运动控制系统的功能要求进行软件设计，详细阐述了运动控制系统的控制流程，包括：指令帧数据的结构定义，主循环接收、鉴别和执行指令帧数据的过程和方法，定时中断子程序执行指令的过程和操作分类，以及异常情况的预防和处理，给出控制系统的一些实验数据及其实验结果分析。论文最后进行总结，说明研究的创新点与研究成果，也对课题研究不足和改进之处提出了展望。2.学位论文付根平全自主足球机器人运动控制系统的研制2009全自主机器人足球比赛系统作为典型的多机器人系统，已成为人工智能和机器人领域的研究热点。每个机器人有独立的视觉、无线通讯、决策和运动控制四个子系统，它们通过无线通讯交换信息实现多机器人之间的协作。全自主机器人足球比赛系统的研究不仅涉及机械电子学、机器人学、传感器信息融合、智能控制等技术，还涉及通讯、计算机视觉、计算机图形学、人工智能等多个领域。它通过提供一个标准的、易于评价的比赛平台，促进多机器人系统、分布式人工智能及机器人学等领域的研究与发展。因此，全自主机器人足球比赛系统的研究极具挑战性，具有很高的理论研究价值和实际应用价值。全自主足球机器人要完成比赛任务，需要一个可靠性高、运动性能好的运动控制系统。本文对全自主足球机器人的运动控制系统作了较为深入的研究，研制出了基于dsPIC的全自主足球机器人运动控制系统。主要内容如下：（1）介绍了全自主机器人足球比赛的研究意义和国内外研究现状，介绍了全自主足球机器人运动控制系统的国内外研究现状和发展趋势。介绍了RoboCup中型组比赛系统的组成和工作原理，详细介绍了全自主足球机器人的各个子系统。（2）分析了全自主足球机器人运动控制系统的设计要求，制定了运动控制系统的总体设计方案，详细阐述了运动控制系统硬件部分的设计，并分别介绍了运动控制系统硬件部分各个功能模块的设计过程和工作原理。硬件部分各功能模块包括：控制器模块、电动机驱动模块、电动机编码盘接口模块、串行通信模块、电源模块、电子罗盘和带球机构。还介绍了硬件设计中需要注意的问题。（3）介绍了全自主足球机器人运动控制系统的软件开发环境，分析了运动控制系统的软件设计要求，阐述了运动控制系统的主程序流程。根据运动控制系统的功能要求进行软件设计，详细说明了运动控制系统软件各个组成模块的设计过程，包括：主程序、系统初始化、电动机转速的测量、电动机的控制、串口通信模块、定时中断子程序和电源电压检测。还给出了运动控制系统的一些实验数据及结果分析。最后进行了总结，说明了研究成果，对课题中需要改进之处提出了展望。关键词：RoboCup中型组；全自主足球机器人；dsPIC；运动控制系统3.期刊论文付根平.杨宜民.FuGen-ping.YangYi-min基于dsPIC的全向足球机器人运动控制系统-广东工业大学学报2009,26(2)介绍了基于dsPIC数字信号控制器的全向足球机器人运动控制系统的设计和实现.结合运动控制系统的体系结构框图说明了系统各部分之间的关系,硬件方面采用4片dsPIC对4个电动机进行模块化分级控制,并介绍了系统硬件电路的设计.软件方面给出了主控程序流程图,阐述了电动机转速测量算法、PID控制算法以及4个控制器间的通信.该运动控制系统已应用于中型组全向足球机器人比赛中,机器人响应迅速、运动灵活.实验证明该运动控制系统运行稳定、可靠.4.学位论文沈冬燕全方位移动足球机器人运动控制系统的研制2009全方位移动足球机器人具有全方位移动的功能，可以在不改变位姿的情况下向任意方向运动。全方位移动足球机器人以其此独有的运动优势，在众多类型的移动机器人中脱颖而出，引起研究者的广泛关注，尤其是在国内外的RoboCup机器人中型组大赛中，全方位移动足球机器人已经成为了RoboCup中型组比赛的主要研究平台。作为国内RoboCup中型组比赛的强队之一，上海交通大学“交龙”队早在05年就开始了对全方位移动足球机器人系统的研究，到目前为止，先后研制出了三个型号的全方位移动足球机器人。本文的主要内容就是关于“交龙”第三代全方位移动足球机器人运动控制系统的研制，具体包括以下几个方面：首先，通过运动学、动力学分析，对全方位移动足球机器人进行运动控制理论建模，并就可能对机器人运动控制系统性能产生不利影响的各种偶发因素进行了分析。其次，由于在足球比赛的过程中，由于比赛中机器人的碰撞非常频繁，任何偶发因素的产生都将对机器人运动产生不利影响，因此在利用Matlab对直流电机控制建模之后，采用基于速度的交叉耦合控制方式，对整个运动控制系统建立一个协调控制模型，最大程度的保证机器人的运动性能，并利用Matlab进行验证。最后，对全方位移动足球机器人运动控制系统的设计进行介绍，并通过实验验证了机器人运动性能的提高，控制方式的有效性。5.期刊论文曹建树.申爱明.黄光明微型足球机器人的运动控制系统设计-机电一体化2008(3)介绍了微型机器人足球赛中足球机器人的结构和控制方法,主要研究了小车的基于DSP的运动控制系统.综合考虑足球机器人底层运动控制系统的性能要求,采用TI公司的电机数字控制专用数字信号处理器(DSP)TMS320F2812芯片作为主控芯片,大大提高了控制系统的各项性能指标.基于该方案而设计的微型足球机器人小车运动控制器在实验室足球机器人比赛中已采用,运行取得了良好的效果.6.学位论文尚旭辉TSR-1足球机器人底层控制系统及通讯子系统的研究2004该文首先介绍了足球机器人的种类及工作模式,然后介绍了微型足球机器人系统的构成及开展足球机器人小车底层控制系统研究与开发的重要意义.最后分章节详细论述了TSR-1足球机器人底层控制系统及通信子系统的研究工作.机器人小车底层控制系统的主要任务是根据接收到的无线指令对小车左、右两轮电机的转速进行控制以实现决策子系统要求的运动轨迹.根据TSR-1足球机器人小车的总体设计思想,对足球机器人小车车体及行走机构进行了分析.详细论述了足球机器人底层控制系统有关硬件方面的设计思想及控制方案.从TSR-1足球机器人运动性能出发,论述了足球机器人子系统和上层策略的关系,并就如何更好的发挥策略的威力,使策略和球队更匹配等问题进行了讨论.给出了一种以80C196KC为核心辅以LM629运动控制器构成的双闭环微型足球机器人底层控制系统.由于采用了集成运动控制芯片,不仅简化了系统软硬件设计,提高了系统可靠性,减轻了设计工作量,而且提高了系统性能,反应快,控制精度高,伺服刚度大,还具有一定的自适应能力.堵转等问题也得到了较好的解决.该系统不仅可满足微型机器人控制需要,适当增加功能后还可方便地改造成Robocup小型足球机器人底层控制系统.在硬件设计的基础上该文还完成了所有底层控制软件的开发.系统软件的编制采用了模块化设计方法,各功能模块相互独立,便于修改和调试.文中给出了主要模块的流程图.文章还对通信子系统及充电器进行了研究,探讨了通信子系统存在的干扰及可靠性问题,设计出一套通信子系统;并对足球机器人锂电池的特殊性和充电特性进行分析,利用MAX1757为核心设计出充电器.7.学位论文张丛荣足球机器人运动控制系统的研究与完善2006机器人足球比赛是近年来人工智能与智能机器人研究领域中一个十分令人注目的热点，它为许多理论，包括人工智能、机器视觉、运动控制等提供了一个理想的实验平台。足球机器人系统可以分为视觉子系统，决策子系统，无线通讯子系统和机器人小车子系统四个部分。其中机器人小车子系统是\n整个系统的执行机构，是决策系统的决策执行者，无线通讯子系统则实现了决策系统与机器人小车子系统的通讯。机器人小车子系统和无线通讯子系统在整个系统中起着关键的作用。本文在总结原有系统基础上针对小车子系统和无线通讯子系统在硬件和软件方面做了进一步完善和改进。本文介绍了足球机器人的历史，对集控式足球机器人的四个子系统的结构和工作原理进行了介绍，并着重论述了NEWNEUⅣ足球机器人小车子系统、无线通讯子系统的软硬件设计以及对系统的改进。针对小车子系统，阐述了控制系统的硬件和软件设计原理，改进了机器人电路结构，并设计了决策下放、FLASH读写、点球任务等子程序，完善了系统功能。对无线通讯子系统，分别阐述了基于BIM模块的无线通讯子系统和基于nRF2401无线通讯子系统的软硬件设计，对两种方案的优缺点进行了比较分析，得出nRF2401模块比BIM模块更适合应用于足球机器人无线通讯子系统的结论，并对通讯协议进行了改进。对如何提高运动控制系统性能，分析了直流电机的静态和动态模型，论述了双闭环控制系统的特性，设计了电流环的控制环节。实验证明，该电路可以较好的对电流信号进行放大，为双闭环控制系统的开发奠定了基础。最后做了总结，指出了工作的成果和需要改进完善之处，并对今后的工作进行了展望。8.期刊论文曹建树.申爱明.黄光明.CAOJian-shu.SHENAi-ming.HUANGGuang-ming基于DSP的足球机器人的运动控制系统设计-机械与电子2007(11)介绍了微型机器人足球赛(MIROSOT)的结构,及其底层运动控制系统的性能要求,详细阐述了TMS320F2812作为主控芯片在足球机器人底层运动控制中的地位,及其在电机控制方面的具体应用.9.学位论文丁凤微型足球机器人底层控制系统的研究2002该文首先简要回顾了人工智能的发展历程并由此引出足球机器人问题.在介绍了足球机器人的种类及工作模式后重点分析了微型足球机器人系统的构成及开展足球机器人小车底层控制系统研究与开发的重要意义.然后分章节详细论述了全部研究工作.机器人小车底层控制系统的主要任务是根据接收到的无线指令对小车左右两轮电机的转速进行控制以实现决策子系统要求的运动轨迹.该文选用Intel公司的80C196KC单片机作为系统的微控制器,负责指令的接收、预处理及对LM629运动控制器的控制.电机速度的控制包括PID控制算法的实现等则由LM629完成.在硬件设计的基础上该文还完成了所有底层控制软件的开发.文章的最后对比赛操作界面进行了分析,提出了一些设计思想.10.学位论文阮玉峰全自主型足球机器人及其智能控制系统设计2003该文概述了机器人足球比赛的发展历史和研究动向,然后通过列举实例来说明全自主足球机器人发展现状及其关键技术.由哈工大计算机学院自主设计开发的HIT-Ⅱ型全自主足球机器人的硬件结构由五部分组成:嵌入式主控计算机、异构双目视觉系统、运动控制系统、无线通信系统和电源系统.该机器人最大的特点是以工业嵌入式工控计算机系统为核心,使之具有体积小、计算能力强、稳定性高等特点,可以适应各种比赛情况.视觉和运动控制系统是全自主足球机器人系统的基础,它对机器人的总体性能起着决定性的作用.运动控制系统的核心是电机驱动模块,而电机驱动模块的核心是基于LM629的电机驱动板和运动控制程序.视觉系统采用一种基于颜色的目标识别快速算法和基于单目的目标定位方法.该文尽力优化了算法得每一个步骤,确保视觉系统不但具备鲁棒性,而且具有极高的实时性.针对机器人足球比赛的动态非确定环境特点,提出了一种简单而实用的基于推理规则的实时避障与路径规划算法,并在HIT-Ⅱ型机器人上实现了该算法.路径规划实验表明该避障方法可以应用在全自主机器人足球比赛中.该文设计的运动控制和视觉系统良好的实时性和鲁棒性在路径规划实验中得到进一步的验证.