毕业设计论文足球机器人的控制系统设计.doc

安徽建筑工业学院本科毕业设计（论文） 安徽建筑工业学院毕 业 设 计 （论 文）课 题： 足球机器人的控制系统设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 06城建机械1班 学生姓名： 学 号： 06290070119 指导教师： 2010 年6月8日61 摘要 本文主要介绍了对遥轮足球机器人运动控制算法的研究。首先，本文建立了四轮全向足球机器人运动学和动力学模型。通过对机器人运动学和动力学模型的分析，对其控制方程进行合理简化，提出了四轮全向足球机器人的运动控制算法。该算法可以对机器人同时完成或位置控制和速度控制，并且控制时间最优。该算法分为两个部分：机器人速度轨迹生成算法和机器人速度轨迹跟随算法。机器人速度轨迹生成算法基于开关控制(又称bangbang控制)原理，它根据机器人当前位置、当前速度、目标点位置和目标点速度，生成一条从“当前点”到“目标点”的时间最优的速度轨迹。机器人速度轨迹生成算法利用模糊PID复合算法实时控制机器人四组驱动轮速度。通过四组驱动轮的速度矢量合成，使得机器人跟随设定的速度轨迹。实验表明该速度控制算法完全满足控制足球机器人运动快速、准确、灵活的控制要求。本文还对四轮足球机器人的控制系统进行了研究和设计。控制系统采用主一从式双DSP为核心的设计方案。系统中，主DSP对从DSP进行管理和控制、双DSP配合，完成速度跟随控制、无线通讯、传感器数据读取等任务。该方案传统方案相比，更加稳定、实用、可靠，功能更强。关键词：足球机器人、TMS320LF2407、DSP、运动控制ABSTRACTThe robot of RoboCup games must travels in a confused dynamic circumstance freely and achieve an accurate positioning in the competitionIn this paper，the kinematics equations and the dynamic equations of the holonomic omnidirectional wheeled mobile robot are presented Analysing those equations，this paper propose a motion control method for the robotThe method includes two pans，Velocity Trajectory Generation(VTG)and Velocity Trajectory Tracking(VTT)The VTG is based on BangBang control and generates a velocity trajectory from startpoint to endpoint for the robotThe VTT is based on PID control and controls the velocity of the robot tracking the velocity trajectory generated by VTGThis paper presents the design of Robot Soccers circuit systemThe core of the circuit is dual DSP,TMS320LF2407AOne DSP is the master, the other is slaveryUnder the control of the master ,the slavery DSP realizes the motion control AlgorithmKey words: Soccer robot、TMS320LF2407、Motion control、Digital signal processing 目录摘要21 绪论61.1.足球机器人的简介61.2 .RoboCup中型组足球机器人71.2.1. RoboCup中型组足球机器人的研究现状91.2.2.RoboCup中型组足球机器人研究意义101.3.足球机器人的发展前景101.4.论文的主要内容111.5本章小结.112 足球机器人的体系结构122.1. 足球机器人的系统原理组成122.2.足球机器人的系统工作模式142.3足球机器人控制系统总体结构152.4.足球机器人的系统结构组成162.5.机器人总体结构设计212.6.足球机器人的机电结构设计232.7.本章小结253 以双DSP为核心的控制系统电路设计263.1 控制电路系统结构263.2 MCU模块设计273.3.主从工作模式下的软件设计303.4. 驱动电路模块的设计333.5.传感器电路模块设计363.6. DC-DC升压电路模块设计373.7. 本章小结384 四轮全向足球机器人运动控制算法研究394.1.运动控制模式394.2.1.运动控制模型404.2.2.控制方程解析424.2.3.算法原理434.2.4.各方向上速度轨迹的时间同步454.3 .速度轨迹跟随(Velocity Trajectory Tracking)控制464.3.1机器人驱动机构设计与动力学分析464.3.2.速度轨迹跟随算法总体控制框图524.3.3.机器人速度矢量分解534.3.4.驱动轮控制算法原理544.4.本章小结565 研究工作总结及展望57参考文献59致 谢61附录一 毕业设计任务书781 绪论1.1足球机器人的简介RoboCup是The Robot world cup Soccer Games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、小型机器人组比赛(Small-size League(F-180)、中型机器人组比赛(MiddleSize League(F2000)、Sony四腿机器人比赛(S0NY Legged Robot League)、类人机器人组、家庭组等比赛：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1.1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)。中型组比赛中机器人的尺寸要求是不超过0.5m0.5m0.8m，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。图1.1中型机器人比赛场地图1.2 RoboCup中型组足球机器人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。RoboCup的比赛项目主要有：Simulation League(仿真2D3D组比赛)、Smal1-Size League(小型组比赛)、middle-Size league(中型自主机器人比赛)和SONY Legged Robot League(SONY四腿机器人足球赛)等几种。RoboCup中型组是RoboCup Soccer中的很重要的一种比赛项目，每届比赛都有很多世界的知名大学和科研结构参加，代表了机器人研究相应领域的世界最高水平。RoboCup中型组比赛的最大特点是比赛中没有场地的全局信息，因此机器人必须携带自己的传感器和视觉设备(摄像头)，比赛时，机器人完全自主：其传感器、驱动器、电源以及外部控制单元都必须是安装在机器人本体上，除了将机器人放入场地和拿出场地外，其他场合不允许人的外部干预，允许使用外部控制单元，但很多队伍都没有采用，比赛中，机器人与主机之间使用无线通讯系统。 根据RoboCup中型组2004年比赛规则，比赛场地为12m×8m的绿色矩形区域，球门一方为黄色，在其球门线两侧球场边界处是两端黄色中间蓝色的标志杆，球门另一方为蓝色，在其球门线两侧球场边界处是两端蓝色中间黄色的标志杆，球场用白线作为边界和点球、罚球、半场等的标记。比赛用球是橙色的FIFA标准5号球。比赛双方机器人队员个数必须相等，并且最多不能超过11个球员，其中必须有一个守门员机器人。队员机器人基色为黑色，在顶部带有一个标志其所属代表对的颜色，每个机器人的大小大概在50×50×80cm的范围内，重量最多不能超过40kg。在整个RoboCup中型机器人比赛系统中，一共需要八种颜色来区分物体和边界，它们分别是：球场表面一绿色、球场线和球场边界一白色、球一橙色、一方球门一黄色、另一个方球门一蓝色、机器人一黑色、一方代表队颜色一浅蓝色、另一方代表队一紫色。RoboCup中型组机器人比赛的规则非常详细和具体，涉及到了方方面面，这样就能够使得根据比赛现场的任何情况都有章可循，为比赛的公平，公正奠定了良好的基础4 图1-1 RoboCup中型组的比赛场面根据RoboCup中型机器人的特点，可见整个RoboCup中型机器人的系统包括的研究内容主要有移动机器人的本体设计与控制技术、机器人视觉、多传感器信息融合技术、智能机器人系统、实时规划与推理、智能体结构设计、多智能体协调设计、有限带宽下的通讯技术等。移动机器人的本体设计和控制技术以及智能体结构设计主要涉及到机械加工和自动化控制等方面的内容，良好的设计、精细的加工等要求都很高。机器人视觉既可以通过软件来实现也可以通过硬件来实现。软件实现的优点是成本低，但是在实时性方面不如硬件实现效果好。如果用硬件实现则价格过于昂贵，我们认为只要用软件实现的速度达到要求就是可行的，因为即使用硬件虽然速度很快，但是我们的机器人本体运动速度最快为2ms，用软件实现也比这个速度快得多。所以我们最终采用了机器人视觉用软件实现的方案。多传感器的信息融合技术主要包括场外的教练机如何根据多个机器人通过无线网络发送来的数据信息进行筛选、计算而得到正确的数据，因为单个机器人得到的信息有可能出现误差。智能机器人系统和实时规划与推理涉及到机器人的许多方面的内容，是人工智能在机器人上的充分体现，以前还有许多技术没有实现关键突破。多智能体协调控制主要涉及多机器人在比赛中如何进行战术配合，因为RoboCup机器人足球比赛跟人类的足球比赛一样，只希望一个队员就能破门得分是很困难的，而大部分的进球都是多个机器人灵活配合下的结果。有限带宽下的通讯技术主要是机器人之间、机器人和教练机之间的及时通讯技术，由于现在传递的信息不是太多，在现有的网络条件下可以满足比赛的要求。1.2.1 RoboCup中型组足球机器人的研究现状我国的足球机器人事业起步比较晚，但是充分利用快速优势，发展迅速，有些方面已经接近或者达到国际水平。1998年东北大学的NEWNEU机器入足球队成立，它是一支硬件、软件完全自主开发的机器人足球队。先后获得了国家863智能机器人主题办和国家自然科学基金委的资助。1999年8月，东大NEWNEU IK 出征巴西，参加世界杯赛FIRA CUP99，获MIROSOT第五名，标准动作比赛冠军，实现金牌“零”的突破；1999年10月，东大NEWNEU参加在重庆大学举行的第四届全国大学生课外科技成果“挑战杯”赛，荣获一等奖；1999年11月，东大NEWNEU机器人足球队参加在哈工大举行的首届中国机器人足球锦标赛，获S-MIROSOT和MIROSOT两项冠军；1999年9月，东大EWNEU足球机器入系统作为中国科技领域的最高成就被调进京参加光辉的历程-中华人民共和国建国50周年成就展；1999年10月NEWNEU足球机器人系统作为国家863计划成果参加在深圳举行的中国国际高新技术成果交易会：2000年3月，辽宁省科委主持了威望足球机器人研究与开发技术鉴定会，国内权威专家一致认为：该系统“添补了国内空自”，“达到国际先进水平”。在经历了2001年的低谷，2002年东大NEWNEU在软件和硬件方面都有了很大的提高，取得了不错的战绩：5月在韩国举行的机器人足球世界杯赛上取得了一项亚军和两项季军；6月全霞锦标赛包揽了圈颈冠军；10月受FIRA总部指派参期予德国举行的六强邀请赛并获得了季军。在东北大学机器人足球队自身发展的同时也为国内十多个兄弟院校提供软件硬件系统，致力于促进中国的机器人足球事业发展。在RoboCup比赛项目上，清华大学和中国科技大学代表了中国最高水平。国内的参赛队伍一般都是参加RoboCup仿真组比赛。中国科技大学是国内最早开展RoboCup工作的单位，第一个闯入了世界杯16强。清华大学则后来居土，在2001的RoboCup仿真组中第一次参加比赛即一举夺得金牌，实现了中国RoboCup金牌零的突破，2002年又在日本摘桂，蝉联冠军，获得该项目比赛亚军的是北京理工大学，这说明我们国家在RoboCup仿真比赛中己居世界前列。目前也有一些院校在进行其它比赛项目的研究，并取得了不错的成绩。今天中国的机器人足球正在逐渐发展和壮大起来，引起社会各界的极大兴趣，国内己有几十所大学和科研团体在开展这方面的研究。他们对于中国的机器人足球事业的推动和发展作出了不可磨灭的贡献。1.2.2RoboCup中型组足球机器人研究意义RoboCup 中型组足球机器人比赛是近几年国内外新兴的一个组别,它要求多个机器人在完全自主的状态下完成控球,传球, 配合,射门等动作,相当于一个分布式多智能体控制系统。其中需要解决的关键问题包括：图像采集以及信号处理、路径规划、无线通讯、控制决策、多传感器信息融合等技术。因此,中型组机器人足球比赛最具挑战性,也最能体现研究单位的科研实力。对智能足球机器人的研究成果可广泛用于军事、民用等众多领域。1.3足球机器人的发展前景机器人足球方案的设计，反映出开拓者们对人工智能学科前沿的深刻理解与敏锐的洞察力。在足球机器人的开发过程中，不仅要遇到机器人学(Robotics)，机电一体化，通讯与计算机技术等，而且还要面对图像处(Image-Processing)，传感器数据融合(Sensor Data Fusion)，决策与对策，模糊理论与神经网络控制，智能控制等学科内容。机器人足球，它以高技术对抗的形式赢得了学术界的认同，一些学术刊物刊登了机器人足球的专辑，一些有影响的国际学术会议也安排了专题讨论。一年一度的FIRA CUP也同时召开国际学术会议，推动相关科技的发展。机器人足球成为高科技与体育，学术与兴趣，科技与娱乐的完美结合，这便是它发展的活力所在。机器人足球之所以获的如此迅猛的发展，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广泛的应用景，从技术的角度看，机器人足球的直接应用领域是各种智能机器人，包括家用机器人、医用机器人、工业机器人和军用机器人等。最大的应用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发展与技术进步有着促进和推动作用。1.4论文的主要内容中型自主足球机器人赛在RoboCup国际机器人足球世界杯中具有重要的地位，中型自主足球机器人要求控制系统感应灵敏、响应速度准确、重量轻、体积小。本课题目的是研究设计一种RoboCup中型机器人控制系统，着重于从电路设计方面提高其感应灵敏性、响应迅速性等。1.5本章小结：首先根据控制对象的控制要求来分析系统所需要的硬件结构，然后针对每一部分进行详细的电路设计分析，最后根据系统的结构通过对机器人系统的动力学建模，完成了速度轨迹规划，为各种机器人的速度规划提供了一个方法，再次通过机器人运动学建模，采用PID算法，实现电机的速度控制。2 足球机器人的体系结构足球机器人系统是一个典型的多智能体系统(Multi-agent System)，球队拥有五个足球机器人。五个机器人在场上具有各自的角色如：前锋、后卫、守门员，在比赛中分别承担不同的任务。比赛中，球队的五个足球机器人要根据场上的局势，通过互相配合的方式完成给定的任务，与对方对抗。足球机器人是机器人足球系统中的本体部分，一切控制策略及算法最终都是通过足球机器人来实现的。所以中型组足球机器人的本体设计对比赛起了至关重要的作用。不同的控制要求决定了不同机器人的结构设计和控制策略。所以本章首先讨论机器人足球赛中型组比赛的系统组成、工作模式及系统结构。然后简要介绍足球机器人的比赛的要求。图2-l RoboCup小型组机器人足球队工作场景示意图2.1 足球机器人的系统原理组成在机器人足球比赛中(如图2-1所示)，比赛双方都通过悬挂于球场上方3m的摄像头来采集信息，并且通过视觉系统的分析从而将比赛情况传入控制主机，由主机上的决策程序根据比赛情况做出恰当的决策和对策，然后通过无线通讯系统将最终的决策指令传给机器人。机器人接受到指令后做出相应的动作，从而完成整个工作流程。同时，在比赛场地上，机器人协同作战，双方对抗，各有攻防，从而形成一场激烈的比赛。我们可以把机器人足球系统分为下面几个部分:. 机器人小车子系统. 视觉子系统无线通讯子系统. 机器人控制子系统 决策子系统上述五个子系统构成了大的闭环系统。决策系统的指令通过无线通讯系统发送给机器人小车系统，控制子系统根据指令控制机器人相应的运动，再由视觉子系统采集场地信息，反馈给决策系统，完成闭环控制。下面分别简要介绍各部分的组成以及系统对各部分的设计要求。Strategies Making sub-systemWirelessCommunicationSub-systemSoccer RobotSub-systemplaygroundVisionSub-system 图2-2足球机器人系统组成原理图机器人小车子系统是比赛的本体部分，其性能的好坏直接关系到比赛的结果。它设计的关键在于机器人的软硬件设计。视觉子系统是整个比赛的最终检测反馈机构，它扮演机器人的“眼睛”。它的主要任务是利用摄像头实时采集比赛场地上的图像信息，通过图像卡处理并且辨别这些图像，得到场地上运动物体(包括双方8个机器人和球)的相关数据，主要是每个机器人的横坐标x、纵坐标和其方向角度，并且将这些数据传给主机，以供主机上的决策系统进行分析决策使用。无线通讯子系统的作用主要是完成决策指令的传输，将决策系统的结果发送给各个机器人，使其执行相关的动作。决策系统上接视觉子系统，下连通讯子系统，是整个智能系统的中心枢纽，是系统的“大脑”它主要功能是根据图像系统提供的一系列的场景信息与及各种传感器信息，对本方机器人的运动做出最佳的决策，同时将机器人的运动指令通过无线通讯系统传给机器人.它的优劣关系到机器人的智能化水平以及比赛的成败。控制系统是决策系统和机器人本体之间的联接部分，它是机器人运动的核心处理部分，如果决策系统是教练，那控制系统就是队员的本领，它的好坏关系到机器人体现决策系统指令的好坏。它的作用就是根据一定的算法来解析决策系统的指令将它转化为具体的机器人的运动指令，并且控制机器人实现相应运动。2.2足球机器人的系统工作模式明白了足球机器人的系统组成，对于我们来说，选择合适的硬件和软件系统还得考虑机器人系统的整体工作模式。根据机器人的决策部分在整个系统的作用位置，可以将足球机器人系统工作模式分为以下两种：（i）基于视觉的足球机器人系统(Vision-Based Mobile Robot System)；（ii）基于机器人的足球机器人系统(Robot-Based Mobile Robot System)，而根据机器人智能程度，(i)又可以分为：基于视觉遥控的无智能足球机器人系统(Remote Brainless Vision-Based Mobile Robot System)，简称遥控机器人。 基于视觉智能足球机器人系统(Brain On-board Vision-Based Mobile Robot System)。这样我们就可以得到三种足球机器人的系统工作模式第一种基于视觉遥控的无智能足球机器人系统，它所有的视觉处理、策略决策和位置控制都在主机上完成，就像遥控小车一样。第二种基于视觉智能足球机器人系统，这个时候机器人本体具有速度控制、位置控制和自动避障等功能。主机仅通过视觉数据来进行决策处理，然后发出命令给各个机器人，机器人在根据命令做出行动反应，为了实现自动避障和速度控制，机器人上面都装有红外、加速度等传感器。第三种基于机器人的足球机器人系统，这时足球机器人具有很多自主性，所有的计算包括决策、控制都在机器人上面完成，而主机只处理视觉数据，然后将有关信息传给机器人。这个时候视觉系统就类似于一种传感器。不过,任何一种模式的机器人都应该具备一些基本模块:驱动模块、通讯模块和CPU控制模块。不过采用的模式不同，其设计方案都不同而已。我们系统的软硬件设计就是基于第二种模式(即基于视觉智能机器人系统)来设计的。2.3足球机器人控制系统总体结构比赛中，机器人足球队的控制系统根据其功能层次，可以划分为决策控制和运动控制两个层次：图2-3足球机器人运动控制总体结构图如上层为决策控制部分，它是一个多智能体系统(Multi-agent System)的协调控制系统。它的主要功能是预测“球”和场上对手的运动，组织安排球队级的战术和配合，利用多智能体协调控制算法为每个机器人安排各自的“任务”。所谓“任务”即为机器人应该到达的位置及姿态。决策控制部分采用分层控制处理结构，由信息处理层、协调战术层、任务层和动作层组成，如图2-3所示。信息处理层：处理场上基本信息，经过预测分析，得出综合信息并更新旧的公共信息库为后续决策提供知识。协调战术层：根据公共信息库的知识，从战术库中选择有利于我方的战术，更新球员角色分配表。任务层：根据角色分配表中自己的角色，确定自己的动作类型与目标坐标，更新私有信息库。动作层：根据私有信息库的知识，结合场上现实情形，选择合适的执行方案并调用基本动作实现。底层为足球机器人运动控制部分，它的功能是根据多智能体协调控制部分的给定的“任务”控制机器人运动。足球机器人运动控制部分也可分为两个部分：速度轨迹生成(Velocity Trajectory Generation)部分：它针对决策控制部分制定的“任务”，根据机器人当前位置、当前速度、目标点位置和目标点速度，为足球机器人生成一条从“当前点”到“目标点”的时间最优的速度轨迹。速度轨迹跟随(Velocity Trajectory Tracking)部分：它控制足球机器人的驱动机构，实时控制足球机器人的速度跟随生成的速度轨迹，使足球机器人完成规定的“任务”。2.4足球机器人的系统结构组成足球机器人系统由机器人、系如图2-4所示。决策子系统处理来自视觉的视觉、决策和通讯四个子系统组成，其相互联实时场景辨识数据，作出决策发出命令，通过无线通讯给机器人小车，决策子系统相当于机器人的“大脑”，视觉子系统相当于机器人的“眼睛”，机器人小车相当于机器人的“手脚”。模式识别决策子系统数字图像视觉子系统 通讯子系统小车子系统RB赛场图2-5 足球机器人系统结构图MIROSOT 机器人足球比赛的全视图如图2-1所示，它是由三个体积不超过7.5cm× 7.5c m× 7.5c m的机器人(小车)组成的球队，在150cm × 130cm球场上自主运动。目的是将足球(橘红色的高尔夫球)撞入对方球门而力保本方不失球或少失球。象我们所熟悉的足球比赛一样，它具有一套判罚规则，如点球、任意球等，由于电池容量有限，每半场五分钟，中场休息10分钟、下半场结束时若为平局，则有3分钟的延长期，也实行突然死亡法和点球大战。球场上(2m处)悬挂的摄像机将比赛情况传入计算机，由预装的软件作出决策，再通过无线通信方式将命令传给场上的机器人，机器人协同作战，双方对抗，形成一场激烈的足球赛。比赛过程中，双方的教练员与系统开发人员不得进行干预。足球机器人系统的基本控制结构见图2-5硬件结构在点线框内集中控制器基本动作动作行为障碍回避行为速度控制器左轮右轮编码器传感器RF通讯模块硬件特殊智能人的干预软件基于机器人的系统基于视觉的系统遥控无智能系统图2-5足球机器人基本控制结构除了特殊智能部分外每个机器人有相同的控制结构，特殊智能部分，包含着每个机器人的特殊行为和策略，如守门员。机器人基本行为有运动和障码回避，基本动作有射门、定点射门、截球、防守和拦截等，在足球赛中最基本也足最重要的动作。在此基础上在开发出特殊行为，决策层根据现场状态做出决策，具体是对每个机器人部署，即选择动作，再把动作分解成基本行为。这就是实时决策和动作决策选择智能体(ASM)。1 无线通讯子系统MIROSOT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发射机，经调制后发射出去，机器人内的无线接收机解调出无线信号上所载命令信息，然后传送给车载处理器。在这种于视觉的足球机器人系统中，机器人要靠上位机的指导来精确和快速完成攻防行为。如果通信有误，必然造成机器人的错误动作，直接导致错失良机或点球。再则，比赛中机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要求。此外，由于机器人尺寸的限制，通信装置的体积不能太大。综上所述，足球机器人系统中无线通信装置需满足以下四点要求频率可选，通信速率高、性能可靠、体积小。2 决策子系统决策子系统应根据现场的情况，如当前得分，谁控制球，对方的水平等因素安排各自的策略，决定是进攻还是防守，再山策略库做出战术部署，策略应根据比赛规则和经验进行提取，并存于知识库中。知识库中还应有一个学习智能体，用以不断丰富策略。各种智能算法如神经网络、模糊算法、遗传算法学也可以应用到构造策略库以及策略选择进程中，系统根据采取的对策，计划机器人的任务，转化为路径形式，然后发送出去，由一系列的指令决策机器人的运动。3 视觉子系统视觉子系统是足球机器人系统的信号检测机构，由摄像头、图像卡等硬件设备和图像处理软件组成。它的主要任务是不断地、快速地采集处理赛场上的彩色图像，并通过不断地辨识橘红色的高尔夫球和机器人外罩顶部的色标，及时得到场上运动物体的有关数据，并将这些数据传给主机供主机上的决策子系统进行分析、决策使用。目前广泛采用的是固态摄像头，因为它具有稳定性、可携性和精确性等特点。其中最具代表性的是电荷耦合器件摄像头，简称CCD摄像头。根据图像采集卡功能的不同，视觉系统的组成分为软件法、软硬件综合法和硬件法三种方式。采用软件法时，图像采集卡只完成图像的数字化转换。这种方式下，图像采集卡的结构简单、通用性强、成本低，但由于主机要完成大量的数字图像信息的处理，加大了CPU的开销。采用软硬件综合法时，图像采集卡完成图像的数字化转换，图像压缩等功能，这种方式的通用性强、成本低、主机处理的图像信息量可以随图像的压缩比的增大而减少。在图像处理的精度范围内，提高图像的压缩比可以提高主机的处理速度。这种方式的开发周期相对较短。采用硬件法时，图像采集卡完成图像的数字化转换、压缩、分析和处理的功能，向主机传送图像处理的结果。由于大量的图像信息都由图像采集卡来完成，从而减轻了主机的负担，提高了系统的实时处理速度。目前，多采用DSP技术来实现。图像采集卡上有专用的数字信号处理芯片、采用这种方式，图像采集卡的结构和功能都是根据不同系统的具体要求来设计的，通用性不强，设计的周期较长，设计的成本也高。综上所述，视觉系统要尽量提高图像处理速度，提高辨识精度，还要对各自的不同的环境有迅速适应的能力。4 机器人车体子系统机器人车体子系统按照决策系统的意图去完成一定的行为，在整个系统中，它扮演着执行机构的角色，机器人车体子系统一般由动力驱动装置、通信接收器、CPU和能源系统组成。机器人一般采用两个电机分别驱动两个轮子，电机要考虑力矩、转速、能量消耗等因素，并选择合适的电机控制芯片，由于受到机器人尺寸的限制，选择一个在功能、尺寸、能量消耗适合的CPU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，同时为了保证电路板的正确运行，必须保持电压的稳定。微型机器人的四个子系统通过计算机视觉闭环而构成的智能决策与控制系统他们共同协调运作构成一个有机整体，其逻辑关系如图2-6所示。决策子系统无线通信子系统机器人车体子系统比赛现场视觉子系统图2-6足球机器人系统构成可以说，机器人足球赛实际上是目前国际机器人界关注的多机器人智能系统的演练，它涉及到机器人的相互作用，协调交换知识，通过相互动作配合以期望在整体上完成一些非常复杂的动作，多机器人的动作协调配合以及系统控制是当前机器人及人工智能研究中非常前沿的课题。2.5 机器人总体结构设计足球机器人是一种无线智能移动小车，为适应比赛需要，机器人设计应包括CPU板、通讯模块、传动驱动、传感器等部分。且应满足以下几点技术要求：满足尺寸要求：(切线、转速)运动性能好；反应灵活：平稳性好；强壮性；可维护性：制造成本低。1尺寸限制：参加MIROSOT比赛的机器人尺寸不大于7.5cm×7.5cm×7.5cm。2功能要求：根据系统所选择的：工作模式，机器人应具有以下功能：· 无线数字接收· 电机驰动及渊速控制· 基本障碍叫避3运动性能：为适应激烈对抗的比赛环境，机器人应具有高度的机动性及灵活性，能平稳迅速地完成前进、后退、转阳及急停等动作。4可靠性：参赛机器人的工作环境比较恶劣。有来自各方面的干扰，如赛场强烈的光线照射对机器人障碍检测的干扰；电机启制动火花的无线通讯及车载计算机的干扰：以及对抗、碰撞等产生的干扰。这些干扰以及比赛中经常出现 “顶牛”现象(电机堵转)，机器人控制系统硬件线路设计都提出了一定的要求。5强壮性：在机械设计上，机器人应具有较好的劳固性，在激烈的碰撞中不至于发生机械变形，各种接插件不能松动、脱落。6可维护性：对于一个装置而言。维护性是十分重要的。维护包括硬件维护和软件维护。因此在硬件结构设计上要考虑便于安装拆卸、调试检测；软件采用模块化结构设计，以便于调试、升级。7经济性：较高的性能价格比一直是开发设计中追求的目标。对于运动部件来说有轮式和履带式(Caterpillar Type)可供选择。履带结构直线性能好运动平稳，不会滑动，但转向性能不好、结构复杂，加工制作困难，故不易选用。为了获得好的运动特性，采用四个轮子，称为全方位机器人(Omni directional Robot)，增加灵活性，但同时也增加了制作和控制的难度。在轮式结构中双轮结构方式(Bi-wheel type)具有易于建模和控制，平滑性能较好等特点，只是轮子可能会与地面产生滑动。NEU队采用双轮式结构，且轮子为固定式的。为使得机器人在场上能够机动、灵活的运动，采用两个电机分别驱动两个主动轮。为增大主动论与场地的摩擦力，可加I胶圈作为轮胎。除主动轮外，还应安排两个支撑轮，采用万向轮为好。四轮的平面图如图2-9所示。图中(b)方式较好，同转!半径可以为零。在WMR(轮式移动机器人)设计有三种类型轮：传统型轮、全方位型轮和球型轮。另外传统类型轮上常安置一个导向杆提供一个自由度，在机器人小车中用作导向轮而球型轮有三个自由度，是最灵活的类型。全方位型轮结构复杂，故不常用。NEU队采用两个传统型轮作为主动轮，用两个小球形轮作为支撑导向轮，如图2-9(b)(a) (b) 图2-7 机器人四轮布置方案此结构的自由度(Degree of mobile abi1ity)为2，舵性自由度(Degree of Steer ability)为0(因为没有能够独立改变机器人方向的舵轮)。可以看出，在 7.5cm的尺寸限制内，设计具有上