足球機(jī)器人畢業(yè)論文

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）</p><p>　　題 目：基于ARM的ROBOCUP足球機(jī)器人</p><p>　　學(xué) 院：機(jī)電工程學(xué)院</p><p>　　專 業(yè)：電氣工程及其自動化</p><p><b>　　班 級： </b></p><p>

2、<b>　　學(xué) 生： </b></p><p><b>　　學(xué) 號： </b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　機(jī)器人足球比賽是近時(shí)年在國際上迅速興起的一種高技術(shù)對抗競賽。主要涉及到微機(jī)械、機(jī)器人學(xué)、多傳感器信息融合、通信、圖像處理、機(jī)電一體化、計(jì)算機(jī)技術(shù)

3、、對策與決策、智能控制和人工生命等多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域。是研究多智能體系統(tǒng)和分布式人工智能理論的良好實(shí)驗(yàn)平臺。</p><p>　　足球機(jī)器人系統(tǒng)分為通訊子系統(tǒng)，決策子系統(tǒng)，視覺子系統(tǒng)，和機(jī)器人小車子系統(tǒng)四個(gè)部分。機(jī)器人小車子媳統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的性能好壞直接由車載嵌入式系統(tǒng)決定，論文分析了目前國內(nèi)外對于足球機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究情況，從系統(tǒng)的提升性能、簡化設(shè)計(jì)、擴(kuò)展功能和應(yīng)用移植的角度出發(fā)，嘗試使用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4、理論設(shè)計(jì)了基于ARM微處理器的車載嵌入式系統(tǒng)。論文的主要研究工作具體如下:首先，分析了足球機(jī)器人底層控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，完成了RoboCuP小型組足球機(jī)器人—三輪全向驅(qū)動機(jī)器人的運(yùn)動控制算法的設(shè)計(jì)。建立了三輪全向移動機(jī)器人的系統(tǒng)模型，分析了機(jī)器人的運(yùn)動特性，制定了以ARM微處理器為核心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。其次，論文重點(diǎn)闡述了足球機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)原理，主要包括以ARM7嵌入式處理器為核心的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和直流電機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)。論

5、文對核心器件的選型，單元電路的設(shè)計(jì)，控制原理以及控制算法都進(jìn)行了詳盡的說明。</p><p>　　關(guān)鍵詞:RoboCup；ARM；nRF2401；PID；三輪全向機(jī)器人運(yùn)動控制； </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Robot Soccer is a high-tech competition which

6、 rise rapidly in the last decade. It mainly related to micro-machinery, robotics, multi-sensor data fusion, communications, image processing, electromechanical integration, computer technology, countermeasures and decisi

7、on-making, artificial intelligent control, and other related fields. It is a good experimental platform to study multi-agent systems and distributed artificial intelligence theory.</p><p>　　The soccer robot

8、assembly system divides into four parts: the communication subsystem, the policy-making subsystem, the visual subsystem, and robot car subsystem. The robot car subsystem is overall system's implementing agency, its p

9、erformance quality immediate influence overall system's performance; The paper has analyzed present domestic and foreign regarding the soccer robot control system's research situation, from system's promotion

10、 performance, the simplified design, the extended function </p><p>　　Key words: RoboCup；ARM；nRF2401；PID； Three round omnidirectional robot motion control；</p><p><b>　　目 錄</b></p&

11、gt;<p><b>　　第1章 緒論2</b></p><p><b>　　1.1引言2</b></p><p>　　1.2足球機(jī)器人的研究背景2</p><p>　　1.2.1研究背景2</p><p>　　1.2.2研究意義4</p><p&

12、gt;　　1.2.3RoboCup簡介5</p><p>　　1.3足球機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r5</p><p>　　1.4足球機(jī)器人的發(fā)展前景6</p><p>　　第2章 足球機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7</p><p><b>　　2.1引言7</b></p><p>　　2.2設(shè)計(jì)目標(biāo)

13、7</p><p>　　2.3足球機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7</p><p>　　2.3.1機(jī)器人小車系統(tǒng)8</p><p>　　2.3.2視覺子系統(tǒng)9</p><p>　　2.3.3無線通訊系統(tǒng)9</p><p>　　2.3.4決策子系統(tǒng)10</p><p>　　2.4足球機(jī)器人系

14、統(tǒng)的工作模式10</p><p>　　2.5本論文的研究工作11</p><p>　　第3章 足球機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)12</p><p><b>　　3.1引言12</b></p><p>　　3.2機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)概況12</p><p>　　3.2.1運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)概況12</p

15、><p>　　3.2.2球處理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)概況12</p><p>　　3.3設(shè)計(jì)目標(biāo)13</p><p>　　3.4運(yùn)動機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.4.1電機(jī)的選擇和整體結(jié)構(gòu)13</p><p>　　3.4.2輪子設(shè)計(jì)思想14</p><p>　　3.4.3輪子

16、布局15</p><p>　　3.5球處理機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.5.1帶球機(jī)構(gòu)16</p><p>　　3.5.2擊球機(jī)構(gòu)17</p><p>　　3.5.3挑球機(jī)構(gòu)18</p><p>　　第4章 足球機(jī)器人的電路系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)19</p><p>

17、<b>　　4.1引言19</b></p><p>　　4.2主芯片介紹及選擇19</p><p>　　4.2.1主芯片性能22</p><p>　　4.2.2最小系統(tǒng)22</p><p>　　4.3電路系統(tǒng)總述24</p><p>　　4.4各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動和控制電路2

18、5</p><p>　　4.4.1運(yùn)動機(jī)構(gòu)控制電路及其原理25</p><p>　　4.4.2速度檢測電路及其原理28</p><p>　　4.5通訊系統(tǒng)30</p><p>　　4.5.1串口通訊電路30</p><p>　　4.5.2人機(jī)交互電路30</p><p>　　

19、4.5.3無線通訊電路31</p><p>　　第5章 足球機(jī)器人的控制實(shí)現(xiàn)及基本動作35</p><p><b>　　5.1引言35</b></p><p>　　5.2足球機(jī)器人的控制實(shí)現(xiàn)35</p><p>　　5.2.1坐標(biāo)系的確定35</p><p>　　5.2.2車型

20、機(jī)器人的數(shù)學(xué)描述36</p><p>　　5.3足球機(jī)器人的底層運(yùn)動控制38</p><p>　　5.3.1PID控制原理38</p><p>　　5.3.2PID增量式算法39</p><p>　　5.3.3PID參數(shù)的整定原則41</p><p>　　5.3.4PID參數(shù)整定的一些經(jīng)驗(yàn)和方法4

21、1</p><p>　　5.4足球機(jī)器人的行為41</p><p>　　5.4.1跑位(Position)41</p><p>　　5.4.2踢球(Kick)42</p><p>　　5.4.3特殊功能動作42</p><p>　　第6章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)43</p><p>&l

22、t;b>　　6.1引言43</b></p><p>　　6.2軟件設(shè)計(jì)基本思想43</p><p>　　6.3主程序設(shè)計(jì)44</p><p>　　6.4通信子程序設(shè)計(jì)44</p><p>　　6.5中斷服務(wù)程序44</p><p>　　6.6PI子程序設(shè)計(jì)45</p>

23、;<p><b>　　第7章 總結(jié)47</b></p><p>　　第8章 參考文獻(xiàn)48</p><p><b>　　第9章 致謝49</b></p><p>　　第10章 附錄50</p><p>　　10.1硬件電路圖50</p><p>　　1

24、0.2主要元器件清單53</p><p>　　10.3實(shí)物照片54</p><p>　　10.4部分源程序清單55</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　機(jī)器人足球最早是由加拿大大不列顛哥倫比亞大學(xué)

25、教授Alan Mackworth在1992年的一次國際人工智能會議上首次提出的，他的目的是通過機(jī)器人足球比賽，為人工智能和智能機(jī)器人學(xué)科的發(fā)展提供一個(gè)具有標(biāo)志性和挑戰(zhàn)性的課題。此想法一經(jīng)提出，便得到了各國科學(xué)家的普遍贊同和積極響應(yīng)，國際上許多著名的研究機(jī)構(gòu)和組織開始開展研究，將其付諸實(shí)現(xiàn)并不斷推動其發(fā)展。</p><p>　　2050 年前研制一隊(duì)全智能類人型機(jī)器人足球隊(duì)員，并擊敗世界杯冠軍，這個(gè)夢想離我們到底有

26、多遠(yuǎn)？國際機(jī)器人杯的組織者與愛好者勇敢接受挑戰(zhàn)，義無反顧地向著這個(gè)目標(biāo)努力，但它決不僅是他們的夢想，更是我們大家共同的夢想。</p><p>　　足球運(yùn)動作為一項(xiàng)體育競技項(xiàng)目，完美地體現(xiàn)著人類追求配合、協(xié)作、體能、競爭……揭示著人類對于美的追求。正是因?yàn)樗?dú)特的魅力，才能如此長久地鼓舞人們的熱情，讓你哭、讓你笑，讓你激動、讓你為之瘋狂、讓你欲罷不能……機(jī)器人足球則是以足球?yàn)檩d體的前沿高科技研究和高技術(shù)對抗，是連接

27、基礎(chǔ)研究與實(shí)際應(yīng)用的中介和橋梁，它廣泛涉及人工智能計(jì)算機(jī)視覺自動控制、精密儀器、傳感和信息等一系列學(xué)科的創(chuàng)新研究，是人工智能和機(jī)器人學(xué)新的標(biāo)準(zhǔn)問題，其研究成果可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事信息技術(shù)等實(shí)際領(lǐng)域，是自動化前沿研究成果的窗口和促進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合的新途徑，集中反映出一個(gè)國家的高科技水平和綜合國力。</p><p>　　足球機(jī)器人的研究背景</p><p><b>　　研究背

28、景</b></p><p>　　在人工智能發(fā)展的歷史上，博奕曾經(jīng)作為典型問題極大的推動了人工智能的發(fā)展。40年代提出了用計(jì)算機(jī)與人類下棋的目標(biāo)，1997年IBM的超級計(jì)算機(jī)“深藍(lán)”擊敗了世界冠軍卡斯帕羅夫，是人工智能學(xué)科的一個(gè)里程碑，實(shí)現(xiàn)了研究人員40年的夢想。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，多機(jī)器人的應(yīng)用需求不斷的增加，多主體動態(tài)不可預(yù)測環(huán)境中的問題求解已成為信息-自動化領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的重大挑戰(zhàn)性課

29、題。因此博奕已經(jīng)不能作為這些研究的載體，必須尋找新的標(biāo)準(zhǔn)問題來考核人工智能技術(shù)的發(fā)展。而足球機(jī)器人為此提供了一個(gè)典型的應(yīng)用和測試平臺。</p><p>　　與機(jī)器人象棋比賽不同，足球機(jī)器人是人工智能的全面體現(xiàn)，也就是說除了“思維”之外，還包括“感知”與“行動”。它涉及的學(xué)科也更廣泛。足球機(jī)器人是智能機(jī)器人的一個(gè)新領(lǐng)域，集高新技術(shù)和體育比賽于一體，是科技理論和實(shí)際密切結(jié)合的極富生命力的成長點(diǎn)，興起僅僅幾年，便引起各

30、國學(xué)者的普遍關(guān)注。</p><p>　　足球機(jī)器人系統(tǒng)是多個(gè)機(jī)器人活動在一個(gè)實(shí)時(shí)、噪聲以及對抗性的復(fù)雜環(huán)境下，通過協(xié)作、配合朝向一個(gè)共同的目標(biāo)（或完成復(fù)雜任務(wù)）。足球機(jī)器人研究的目的是研究對未來社會有深遠(yuǎn)意義的多機(jī)器人（或多智能體）在復(fù)雜動態(tài)環(huán)境和多重制約下，完成多任務(wù)和多目標(biāo)所需的實(shí)時(shí)推理和規(guī)劃技術(shù)。所以，一個(gè)新興的領(lǐng)域-足球機(jī)器人領(lǐng)域已逐漸形成，它是一個(gè)多學(xué)科交叉領(lǐng)域，包括：智能機(jī)器人系統(tǒng)、多智能體系統(tǒng)、實(shí)時(shí)

31、圖像處理與模式識別、智能體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)規(guī)劃和推理、移動機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器傳動與驅(qū)動控制、傳感器與數(shù)據(jù)融合和無線通訊等。它既是一個(gè)典型的智能機(jī)器人系統(tǒng)，又為研究發(fā)展多智能體系統(tǒng)、多機(jī)器人合作等理論提供了生動的研究模型和標(biāo)準(zhǔn)的測試平臺。</p><p>　　首次提出用機(jī)器人進(jìn)行足球比賽，是Alan Mackworth(University of British Columbia,Canada )于1992年在“On

32、Seeing Robots”一文中提出的。與此同時(shí)，1992年10月在日本東京召開的關(guān)于“人工智能領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)”學(xué)術(shù)研討會（Workshop on Grand Challenges in Artificial Intelligence,Oct.1990,Tokyo）上，與會者認(rèn)真討論了開展機(jī)器人足球比賽對于發(fā)展科學(xué)技術(shù)的意義。他們普遍認(rèn)為讓機(jī)器人踢足球是機(jī)器人與人工智能領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的研究課題。這一提議得到了廣泛的贊同。韓國學(xué)者金鐘煥

33、于1996年開始主辦微型機(jī)器人足球比賽；日本學(xué)者北田宏明提出了機(jī)器人世界杯足球賽，并在1997年得以實(shí)施。目前，國際上機(jī)器人足球已發(fā)展為兩大系列：一是由國際機(jī)器人足聯(lián)（FIRA）組織的微型機(jī)器人世界杯足球賽（MIROSOT），成立于1997年6月5日，總部設(shè)在韓國大田的韓國科學(xué)（技術(shù)）院（KAIST）。目前已有30余個(gè)國家的近百個(gè)學(xué)校與科研院所是其成員單位，到目前為止已經(jīng)成功舉行了八屆機(jī)器人足球</p><p>

34、　　1997年，日本本田技研公司成功的研制了雙足行走機(jī)器人，這一重大突破引起了全世界的關(guān)注。由六足機(jī)器人發(fā)展到雙足機(jī)器人用了將近20年的時(shí)間，在機(jī)器人的手、足、視覺方面都有突破，達(dá)到了一定的水平。通過機(jī)器人足球賽，將在大腦的思維方面進(jìn)行重點(diǎn)的研究。正是近20年的輿論準(zhǔn)備與技術(shù)準(zhǔn)備，進(jìn)入90年代一些國家開始研制足球機(jī)器人并在近幾年取得令人矚目的成績。相信在不久的將來具有人體體型的以及思考能力的類人機(jī)器人一定會出現(xiàn)在足球場上。也許那時(shí)機(jī)器人

35、足球隊(duì)將與世界足球冠軍同場比賽，展開一場別開生面的“人機(jī)大戰(zhàn)”。</p><p><b>　　研究意義</b></p><p>　　機(jī)器人足球是人工智能和機(jī)器人學(xué)新的標(biāo)準(zhǔn)問題，是連接基礎(chǔ)研究與實(shí)際應(yīng)用的中介和橋梁，是展示信息自動化前沿研究成果的窗口和促進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合的新途徑。進(jìn)行機(jī)器人足球系統(tǒng)的研究具有重要的科研和現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>

36、　　1.人工智能和機(jī)器人學(xué)新的標(biāo)準(zhǔn)問題</p><p>　　過去50年中人工智能研究的主要問題是“單主體靜態(tài)可預(yù)測環(huán)境中的問題求解”，其標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)平臺是國際象棋人一機(jī)對抗賽;而未來50年中，人工智能的主要問題是“多主體動態(tài)不確定環(huán)境中的問題求解”。足球比賽是一個(gè)動態(tài)實(shí)時(shí)的過程，賽場情況變化萬千，存在著大量的不確定性，需要運(yùn)動員相互協(xié)作，自主地對賽場上的情況迅速做出反應(yīng)。這些特點(diǎn)滿足了人工智能對研究對象的要求。因此，

37、機(jī)器人足球可以作為人工智能研究和機(jī)器人學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)問題。</p><p>　　2.連接基礎(chǔ)研究與實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的橋梁</p><p>　　從科學(xué)研究的觀點(diǎn)看，無論是現(xiàn)實(shí)世界中的智能機(jī)器人或機(jī)器人團(tuán)隊(duì)(如家用機(jī)器人和軍用機(jī)器人團(tuán)隊(duì))，還是網(wǎng)絡(luò)空間中的軟件自主體都可以抽象為具有自主性、社會性、反應(yīng)性和能動性的“智能體”(Ageni)。這些智能體以及相關(guān)的人構(gòu)成了多智能體系統(tǒng)。多智能體系統(tǒng)基本問題是智

38、能體(包括人)之間的協(xié)調(diào)，可細(xì)分為智能體設(shè)計(jì)、多智能體體系結(jié)構(gòu)、多智能體合作和通訊、自動推理、規(guī)劃、機(jī)器學(xué)習(xí)與知識獲取、認(rèn)識建模、生態(tài)系統(tǒng)和進(jìn)化等一系列專題。這些都是人工智能的主攻方向。但是，當(dāng)前的基礎(chǔ)研究與其應(yīng)用背景之間的距離過大，導(dǎo)致注重實(shí)際背景的工作就事論事，而注重基本問題的研究“紙上談兵”。為了改變這種現(xiàn)狀，不僅需要各種類型研究工作的大量積累，而且必須采取必要的手段，在基礎(chǔ)研究與實(shí)際背景之間尋找恰當(dāng)?shù)闹薪楹蜆蛄?。值得注意的是，?/p>

39、述一系列問題中的大多數(shù)都在機(jī)器人足球中得到了集中的體現(xiàn)。在這個(gè)意義下，機(jī)器人足球可以作為連接基礎(chǔ)研究與實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的橋梁。</p><p>　　3.一種素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育與前沿研究相結(jié)合的生動形式</p><p>　　機(jī)器人足球課程是素質(zhì)教育、創(chuàng)新教育與前沿研究相結(jié)合的一條可行途徑。與傳統(tǒng)的知識傳授和技能培養(yǎng)為目標(biāo)的課程不同，足球機(jī)器人及球隊(duì)的研制具有實(shí)踐性強(qiáng)、探索性強(qiáng)和綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)，有

40、利于迅速接觸前沿研究，并促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新能力和專業(yè)素質(zhì)的提高。是一種很好的教育資源。</p><p><b>　　RoboCup簡介</b></p><p>　　國際RoboCup聯(lián)合會是世界上規(guī)模最大的、占主導(dǎo)地位的機(jī)器人足球國際組織，總部設(shè)在瑞士，現(xiàn)有成員國近40個(gè)。聯(lián)合會現(xiàn)任主席是國際著名科學(xué)家、在IJCAI-93大會上獲得國際人工智能最高獎(jiǎng)--"計(jì)算機(jī)

41、與思維"大獎(jiǎng)的北野宏明。聯(lián)合會負(fù)責(zé)世界范圍的學(xué)術(shù)活動和競賽，包括每年一屆的世界杯賽和學(xué)術(shù)研討會，并為相關(guān)的本科生和研究生教育提供支持（教材、教學(xué)軟件等）。</p><p>　　RoboCup機(jī)器人足球世界杯賽一般由5個(gè)機(jī)器人，體積不超過直徑17cm和高15cm的圓柱機(jī)器人小車組成的一個(gè)球隊(duì)，在球場上自主運(yùn)動，目的是將足球踢入對方球門，球場上空（2米）懸掛的攝像機(jī)將比賽情況傳入計(jì)算機(jī)，由預(yù)裝的軟件做出決策

42、，再通過無線通訊方式將命令傳給場上的機(jī)器人，多個(gè)足球機(jī)器人協(xié)同作戰(zhàn)，雙方對抗形成一場激烈的足球賽。在比賽中，各機(jī)器人不但可以發(fā)揮個(gè)人的運(yùn)球、踢球、截球等技巧，而且還能根據(jù)戰(zhàn)術(shù)策略統(tǒng)一接受中央控制器的命令，為了戰(zhàn)勝對方，不但要有過硬的機(jī)器人硬件，而且還要有先進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)策略軟件，所以機(jī)器人足球賽不僅是集中體現(xiàn)多個(gè)機(jī)器人合作的范例，而且是推動各機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要手段。</p><p>　　足球機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r<

43、;/p><p>　　國際上兩大足球機(jī)器人組織已成規(guī)模，其中國際機(jī)器人足聯(lián)（FIRA）從1996年開始，每年組織一次機(jī)器人足球世界杯賽（FIRA RWC），相伴而行的還要舉辦這一領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研討會，F(xiàn)IRA RWC‘97在韓國舉行，2個(gè)項(xiàng)目比賽，有來自9個(gè)國家的22個(gè)參賽隊(duì)。FIRA RWC‘98在巴黎舉行，與第16屆足球世界杯同期舉行，由13個(gè)國家的39個(gè)隊(duì)參加了四個(gè)項(xiàng)目的決賽階段的比賽；FIRA RWC‘99則首先分

44、四個(gè)大區(qū)（北美、南美、亞太、歐非）進(jìn)行預(yù)選賽。角逐決賽階段4個(gè)項(xiàng)目的32個(gè)名額，比賽已達(dá)到相當(dāng)?shù)囊?guī)模和水平。FIRA RWC’2000第五屆在悉尼與奧運(yùn)會相伴而行。FIRA RWC’2001第六屆在首次在中國北京舉行。FIRA RWC’2002已經(jīng)在韓國舉行。FIRA RWC’2003在奧地利維也納舉行，此次大賽有21個(gè)國家參賽，96個(gè)球隊(duì)在半自主型、全自主型、仿真型、二足類人型、歐洲流行型、超小型共六類九種比賽項(xiàng)目中進(jìn)行了比賽。各參賽

45、隊(duì)進(jìn)行了緊張、激烈的比賽和廣泛的學(xué)術(shù)交流。</p><p>　　機(jī)器人足球的另一賽事是由國際人工智能學(xué)會組織的機(jī)器人世界杯足球賽（RoboCup）。第一屆于1997年8月在日本東京舉行，共40個(gè)參賽隊(duì)。第二屆于1998年在巴黎舉行，有近60個(gè)隊(duì)參賽。第三屆機(jī)器人世界杯比賽于1999年在瑞典舉行，90多個(gè)參賽隊(duì)。第四屆機(jī)器人世界杯足球賽和學(xué)術(shù)會于2000年8月在澳大利亞舉行，本屆杯賽分為仿真組、小型機(jī)器人組、中型機(jī)

46、器人組、四腿組四種類型，來自約30多個(gè)國家的54支球隊(duì)參加，綜合參與規(guī)模，競賽成績、學(xué)活動組織、競賽管理等諸多因素來看，美、日、德三足鼎立主格局初現(xiàn)。2001年8月，第五屆機(jī)器人足球世界杯賽在美國西雅圖舉行。2002年6月，日本福岡第六屆RoboCup世界杯賽，清華大學(xué)蟬聯(lián)仿真組冠軍。2003年7月，第七屆RoboCup世界杯在意大里帕多瓦結(jié)束。</p><p>　　由此可見，自九十年代初開始的機(jī)器人足球活動，其

47、涉及的范圍越發(fā)廣泛，比賽的類型也不斷升級。從幾十年前的軟件仿真比賽和輪式機(jī)器人足球賽，1999年SONY公司的四足機(jī)器狗足球比賽，到2000年已經(jīng)出現(xiàn)了雙足機(jī)器人踢球表演。到今天有類人二足機(jī)器人組的表演，機(jī)器人舞蹈表演等。智能機(jī)器人作為現(xiàn)代高科技的集成體，是21世紀(jì)的科技制高點(diǎn)之一。一些發(fā)達(dá)國家已把智能機(jī)器人比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段。智能機(jī)器人集成了數(shù)學(xué)、力學(xué)、機(jī)械、電子、自動控制、傳感器、通信、計(jì)算機(jī)、人工智能，是眾多領(lǐng)域的高科技

48、，能有效培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)造能力和協(xié)作精神。</p><p>　　足球機(jī)器人的發(fā)展前景</p><p>　　足球機(jī)器人之所以獲得如此迅速的發(fā)展，就是因?yàn)樗侨斯ぶ悄茴I(lǐng)域的理想突破點(diǎn)，又是吸引青年人科研興趣與高新技術(shù)攻關(guān)的完美結(jié)合點(diǎn)，參與比賽的機(jī)器人不僅要有對周圍場景做出判斷及控制自身的能力，還需要具有群體意識，要能夠識別敵友并相互配合，賽場上的情況瞬息萬變，雙方機(jī)器人都在不停的運(yùn)動，因

49、而機(jī)器人必須具有較強(qiáng)的跟蹤、決策、反應(yīng)能力和機(jī)動性。</p><p>　　理論與實(shí)際脫節(jié)是人工智能研究中存在的普遍問題，缺乏來自實(shí)際的問題和沒有應(yīng)用的載體是這方面研究的主要難點(diǎn)。應(yīng)運(yùn)而生的足球機(jī)器人為這些困難的解決創(chuàng)造了十分有利的條件。由于它造價(jià)不高，但“五臟”俱全，既不受企業(yè)條件的制約，又與許多實(shí)際的問題密切相關(guān)，這為智能化研究，尤其是多智能體系統(tǒng)的研究提供了理想的實(shí)驗(yàn)載體。今天足球機(jī)器人已成為人工智能領(lǐng)域發(fā)展

50、的歷史性目標(biāo)和智能機(jī)器人發(fā)展的代表方向。機(jī)器人足球賽既是高科技的競爭，又具有足球的觀賞性和娛樂性。因此，必將吸引大批的"球迷"。另外，隨著普及程度的提高，越來越多的非專業(yè)人員可以參與非專業(yè)性的機(jī)器人足球賽，特別是仿真組比賽?？梢灶A(yù)期，機(jī)器人足球賽將產(chǎn)生和人類足球賽類似的吸引力，進(jìn)而形成類似的"職業(yè)聯(lián)賽"和"俱樂部"體制。由于我國在機(jī)器人足球方面與世界最高水平的差距遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于我國人

51、類足球與世界先進(jìn)水平的差距，因而會對社會產(chǎn)生更大的吸引力。所以，機(jī)器人足球賽本身將可以形成一個(gè)與人類足球賽類似的產(chǎn)業(yè)。</p><p><b>　　足球機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　足球機(jī)器人比賽不僅包括多智能體系統(tǒng)要研究的全部內(nèi)容，而且通過比賽來驗(yàn)證各方策略的優(yōu)劣，

52、所以機(jī)器人足球比賽是研究多智能體系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)平臺。足球機(jī)器人系統(tǒng)由四大部分組成：機(jī)器人小車系統(tǒng)、視覺子系統(tǒng)、決策系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)目標(biāo)</b></p><p>　　足球機(jī)器人的設(shè)計(jì)無淪是在方案設(shè)計(jì)、選材、制作質(zhì)量、機(jī)器人本身的重量控制方而，還是在運(yùn)動的路徑的規(guī)劃、定位和避障等相關(guān)的因素都直接關(guān)系到在比賽過程中能否戰(zhàn)勝對手，取得比賽的勝

53、利。</p><p>　　針對上述分析，設(shè)計(jì)的機(jī)器人及其控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)達(dá)到下列目標(biāo)：</p><p>　　選擇最優(yōu)的運(yùn)動路徑。路徑的規(guī)劃要考慮到機(jī)器人的總路程盡量最短，在一定的運(yùn)動速度下能最快到達(dá)，在球場占領(lǐng)合適的位置以便進(jìn)退自如。</p><p>　　足球機(jī)器人的外形尺寸應(yīng)符合比賽要求且結(jié)構(gòu)應(yīng)具有高的穩(wěn)定性和剛性。選材上主要部件可以采用鋁合金，裝配時(shí)最好是三角形連接

54、增以強(qiáng)穩(wěn)定性，低的重心能具有較高的抗沖撞能力。</p><p>　　控制系統(tǒng)是核心，它必須具備對控制量和運(yùn)算的高速性，還要應(yīng)具有一定的抗干擾性和接口豐富的可擴(kuò)展性。機(jī)器人的控制量包括有位置、速度、方向、姿態(tài)調(diào)整和動作釋放等。</p><p>　　無線系統(tǒng)是連接上位機(jī)和足球機(jī)器人的橋梁，在器件選擇上要使在通信過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃赃_(dá)到最高，提高通信的效率。</p><p&

55、gt;　　輪子的設(shè)計(jì)要同時(shí)滿足全方位運(yùn)動和盡量提高運(yùn)動速度的要求，使車體靈活、高效的運(yùn)動。</p><p><b>　　足球機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　足球機(jī)器人系統(tǒng)有機(jī)器人小車系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、決策系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)組成，各個(gè)系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系如錯(cuò)誤！未找到引用源。所示。比賽控制方式有集中式和分布式兩種：</p><p>

56、　　圖 21各個(gè)子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系</p><p>　　集中式指比賽時(shí)通過掛在場地上方的攝像頭（1個(gè)或者多個(gè)）采集場上信息，提取出有用的信息后傳送給單個(gè)決策程序，決策程序根據(jù)場上情況做出決策，再通過無線通訊模塊傳送相應(yīng)的命令給自己方的機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)指令做出各種動作，如此循環(huán)反復(fù)。</p><p>　　分布式與集中式最大的不同在于，機(jī)器人共同使用一個(gè)視覺信息，但是每個(gè)機(jī)器人都有自己的

57、決策程序，機(jī)器人之間可以通過無線通訊來協(xié)作，做出相應(yīng)的動作。</p><p>　　由于分布式的控制比集中式要困難，目前世界各國的參賽隊(duì)仍然采用集中式控制，本論文的內(nèi)容便是基于集中式控制系統(tǒng)。</p><p>　　決策系統(tǒng)處理來自視覺系統(tǒng)的場景辨識實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上做出決策并發(fā)出命令，由無線通信模塊把控制命令字傳送給機(jī)器人，再由機(jī)器人完成決策要求的動作?？梢姏Q策系統(tǒng)是一個(gè)典型的非結(jié)構(gòu)化的知

58、識型系統(tǒng)。決策子系統(tǒng)就相當(dāng)于大腦，視覺系統(tǒng)此時(shí)就相當(dāng)于眼睛，而無線通信系統(tǒng)就相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng)，機(jī)器人車體相當(dāng)于人的身體。</p><p>　　除了特殊智能部分以外，每個(gè)機(jī)器人具有相同的控制結(jié)構(gòu)，特殊智能部分包含著某個(gè)機(jī)器人的特殊行為和策略，例如守門員就有不同于一般球員的特殊智能部分。</p><p><b>　　機(jī)器人小車系統(tǒng)</b></p><

59、p>　　當(dāng)小型組機(jī)器人成為RoboCup比賽最激烈的比賽之一的時(shí)候，機(jī)器人車體本身性能在一定的程度上影響該隊(duì)伍的水平高低，。機(jī)器人小車系統(tǒng)包含以下如下幾個(gè)部分：</p><p><b>　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)是決策系統(tǒng)發(fā)出命令的最終執(zhí)行者，包括運(yùn)動機(jī)構(gòu)和球處理機(jī)構(gòu)。運(yùn)動機(jī)構(gòu)包括各個(gè)輪子和驅(qū)動電機(jī)，則球處理機(jī)構(gòu)包括帶球機(jī)構(gòu)和射球機(jī)構(gòu)。&

60、lt;/p><p><b>　　電路控制機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　電路控制機(jī)構(gòu)是控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接收決策命令，和上位機(jī)進(jìn)行通訊等等功能。電路控制機(jī)構(gòu)包括：</p><p>　　各個(gè)執(zhí)行的驅(qū)動和控制電路、傳感器電路、無線接收發(fā)送電路。</p><p><b>　　視覺子系統(tǒng)</b></p&

61、gt;<p>　　視覺子系統(tǒng)是足球機(jī)器人系統(tǒng)的信號檢測機(jī)構(gòu)，它由攝像頭、圖像采集卡等硬件設(shè)備和圖像處理軟件組成。</p><p>　　隨著圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，對視覺子系統(tǒng)的處理速度要求越來越高因此大都采用數(shù)字?jǐn)z像頭和高速采集卡。作為機(jī)器人的眼睛，視覺系統(tǒng)擔(dān)任了識別雙方的機(jī)器人車體和球的位置、速度、方向等信息，然后才能通過決策系統(tǒng)做出正確的決策，因此視覺系統(tǒng)是決策系統(tǒng)的基礎(chǔ)。</p>

62、<p><b>　　無線通訊系統(tǒng)</b></p><p>　　機(jī)器人足球比賽規(guī)定，上位機(jī)與機(jī)器人小車之間以無線方式通訊，主機(jī)的控制串行輸出至無線通訊模塊，經(jīng)調(diào)制后發(fā)射出去，機(jī)器人車體上的接收模塊解調(diào)出無線信號上所載的命令信息，然后傳送給主控MCU，過程如圖 22所示。</p><p>　　圖 22 通訊系統(tǒng)框圖</p><p>

63、　　足球機(jī)器人系統(tǒng)中一臺計(jì)算機(jī)控制場上5個(gè)機(jī)器人進(jìn)行比賽。每個(gè)機(jī)器人得到的命令又各不相同，因此要求通信系統(tǒng)能夠利用一臺發(fā)射機(jī)對不同的機(jī)器人發(fā)射不同的任務(wù)命令。為了避免相互干擾，每支球隊(duì)至少有兩種通訊頻率可選擇。在基于集中視覺的足球機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人的智能水平較低，要靠上位機(jī)的指揮完成精確的攻防動作，如果通訊失誤，必然造成機(jī)器人的誤動作，導(dǎo)致錯(cuò)失良機(jī)或是輸球，所以要求通訊系統(tǒng)有非常高的可靠性和抗干擾性。</p><p

64、>　　綜上所述，對足球機(jī)器人通訊子系統(tǒng)的要求歸納為五點(diǎn)：一對多、頻率可選、結(jié)構(gòu)緊湊、通訊頻率高和性能可靠。</p><p><b>　　決策子系統(tǒng)</b></p><p>　　在足球機(jī)器人系統(tǒng)中決策子系統(tǒng)的任務(wù)就是根據(jù)當(dāng)前場上的比賽形勢，作出部署，給隊(duì)員發(fā)出指令。它是整個(gè)足球機(jī)器人系統(tǒng)的核心，相當(dāng)于系統(tǒng)閉環(huán)中的控制器。真正參加機(jī)器人足球比賽，不僅要求機(jī)器人有好的

65、機(jī)動性，還要求系統(tǒng)能給出最優(yōu)或良好的策略，這就涉及到戰(zhàn)略決策，多機(jī)器人配合以及路徑規(guī)劃等智能化問題。角色分配是根據(jù)當(dāng)前的情況和策略庫信息給機(jī)器人分配任務(wù)，如：持球機(jī)器人主攻，另一個(gè)占據(jù)有利位置的機(jī)器人擔(dān)任協(xié)攻。與普通的足球比賽一樣，機(jī)器人足球比賽也應(yīng)根據(jù)場上的情況，實(shí)時(shí)的做出決策，如當(dāng)前比分、哪方控球以及對手的水平等因素安排各自的策略，決定我方應(yīng)采取何種策略，是進(jìn)攻還是防守，然后再調(diào)用策略庫作出戰(zhàn)術(shù)部署。</p><

66、p>　　策略庫應(yīng)根據(jù)比賽規(guī)則與經(jīng)驗(yàn)加以研究制定，并存入知識庫中，以供比賽時(shí)提取使用，知識庫還應(yīng)有一個(gè)學(xué)習(xí)的智能體，用以不斷豐富策略。各種智能算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、遺傳算法等也可應(yīng)用到構(gòu)造策略庫和策略選擇過程中去。根據(jù)采取的對策，計(jì)劃機(jī)器人的任務(wù)，轉(zhuǎn)化成路徑形式，然后發(fā)射出去，路徑由一系列命令序列組成。策略庫的建立；關(guān)于路徑和目標(biāo)點(diǎn)的效果情況判定；建立策略庫，類似情況可以作出相似決策。</p><p>　

67、　足球機(jī)器人系統(tǒng)的工作模式</p><p>　　構(gòu)造足球機(jī)器人系統(tǒng)有多種種類。不但在CPU選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器等系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)方面可以不盡相同，并且系統(tǒng)軟件如控制算法、策略以及系統(tǒng)集成方面也可以有所變化。因此在眾多方法中選擇合適的硬件和軟件組合并不容易。從功能上看，機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)可分為三種工作模式，即基于視覺的集中控制型足球機(jī)器人系統(tǒng)、基于視覺的半自主型足球機(jī)器人系統(tǒng)和完全自主型足球機(jī)器人系統(tǒng)。</p

68、><p>　　基于視覺的集中控制型足球機(jī)器人系統(tǒng)。</p><p>　　在該系統(tǒng)中，每個(gè)機(jī)器人具有：接收器、控制字解碼和速度控制器。電機(jī)控制模塊能夠接收到主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)控制其運(yùn)動方向和速度。視覺數(shù)據(jù)處理、策略決策以及機(jī)器人的位置控制都在主計(jì)算機(jī)上完成，就象遙控小汽車一樣。</p><p>　　基于視覺的半自主型足球機(jī)器人系統(tǒng)</p><p>　　

69、該系統(tǒng)是介于集中控制型與全自主型之間的混合型。在該系統(tǒng)中，機(jī)器人有速度控制、位置控制和自動避障等功能。主機(jī)處理視覺數(shù)據(jù)，根據(jù)策略庫選擇機(jī)器人的下一個(gè)周期的行為，并通過無線發(fā)射器將控制命令發(fā)給各個(gè)機(jī)器人。</p><p>　　完全自主型足球機(jī)器人系統(tǒng)</p><p>　　該機(jī)器人系統(tǒng)屬于完全自主的智能體系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，機(jī)器人有視覺處理功能，還有許多自主行為，所有的計(jì)算（包括決策）和控制都由

70、機(jī)器人自身完成。除了特殊智能部分外每個(gè)機(jī)器人有相同的控制結(jié)構(gòu)。特殊智能部分包括每個(gè)機(jī)器的特殊行為和策略，如守門員。每個(gè)機(jī)器人的中心控制器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，本身的傳感器數(shù)據(jù)以及自身的策略采取適當(dāng)?shù)牟呗??；拘袨橛幸苿?、旋轉(zhuǎn)和加速。基本動作有踢球、射門、攔截、守門和避障等。</p><p><b>　　本論文的研究工作</b></p><p>　　足球機(jī)器人系統(tǒng)研究的主要

71、內(nèi)容包括：視覺技術(shù)、高可靠的通訊技術(shù)、機(jī)器人小車技術(shù)、決策技術(shù)及仿真實(shí)現(xiàn)。本論文主要研究了足球機(jī)器人車體設(shè)計(jì)及控制技術(shù)。</p><p>　　足球機(jī)器人車體設(shè)計(jì)部分</p><p>　　機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)，主要包括：</p><p>　　運(yùn)動機(jī)構(gòu)——分析單排雙向輪的性能優(yōu)越性和修正三輪布局的運(yùn)動學(xué)性能。</p><p>　　帶球機(jī)構(gòu)——分析帶球機(jī)

72、構(gòu)的工作和性能優(yōu)化的原理與方法。</p><p>　　擊球機(jī)構(gòu)——分析螺線管電磁鐵式機(jī)構(gòu)的工作原理和影響性能的決定因素。</p><p>　　電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括：</p><p>　　基于NXP公司LPC2138 ARM7為主芯片芯片的控制電路設(shè)計(jì)，該電路具有資源豐富、高性能、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　基于L298N芯片H全橋電

73、路的輪子驅(qū)動電路設(shè)計(jì)、具有效率高輸出電流大等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　基于非隔離型開關(guān)電源原理的螺線管電磁鐵升壓電路設(shè)計(jì)，具有充電速度快，控制簡單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。</p><p><b>　　控制部分</b></p><p>　　機(jī)器人的運(yùn)動控制，包括：</p><p>　　三輪全向驅(qū)動機(jī)器人的運(yùn)動控制算法的設(shè)計(jì)。&

74、lt;/p><p>　　基于數(shù)字PID算法的電機(jī)調(diào)速，算法實(shí)現(xiàn)簡單，耗時(shí)少。</p><p>　　底層控制流程，包括：</p><p>　　指令幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，主函數(shù)循環(huán)接收，判斷和執(zhí)行指令幀數(shù)據(jù)的過程和方法。</p><p>　　定時(shí)中斷子程序執(zhí)行指令的過程和操作分類。</p><p>　　足球機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</

75、p><p><b>　　引言</b></p><p>　　車體系統(tǒng)包括兩部分：機(jī)器人機(jī)構(gòu)和電路控制系統(tǒng)?？偟膩碚f一個(gè)性能優(yōu)越的機(jī)器人應(yīng)具有運(yùn)動靈活、快速，良好的控球能力、進(jìn)攻能力兼?zhèn)涞牟拍?，以及可控性好等?yōu)點(diǎn)。這些都需要優(yōu)越的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，只有這樣才能適應(yīng)越來越激烈的比賽。隨著比賽多年的發(fā)展，各隊(duì)機(jī)器人主要機(jī)構(gòu)的種類已經(jīng)取得一定的共識，因此，大家都在為如何提高機(jī)器人各個(gè)

76、機(jī)構(gòu)的性能這個(gè)最重要的目標(biāo)而奮斗。</p><p>　　機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮兩個(gè)方面的問題，機(jī)構(gòu)的性能和可控制性。</p><p>　　機(jī)構(gòu)性能決定了機(jī)器人的潛能，而可控制性決定了這些機(jī)構(gòu)能不能高效有序的的利用起來。</p><p><b>　　機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)概況</b></p><p><b>　　運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)概況&l

77、t;/b></p><p>　　運(yùn)動機(jī)構(gòu)為了提高機(jī)器人的運(yùn)動性能，包括機(jī)器人的速度、加速度和運(yùn)動靈活性等等。其中機(jī)器人的速度和加速度需要優(yōu)良性能的電機(jī)來配合。這里選擇了日本的NamiKi電機(jī)。原裝電機(jī)有三級減速的齒輪箱和光電測速裝置，由于原裝電機(jī)的只是二線的光碼盤測速精度不夠，因此經(jīng)過改裝成為十二線的光碼盤；并且將三級減速齒輪箱改為兩級，使車體大小控制在要求范圍之內(nèi)。</p><p>

78、;　　運(yùn)動的靈活性是由輪子及數(shù)目和布局決定的。輪子的結(jié)構(gòu)和布局對速度和加速度也產(chǎn)生了很大的影響。為了讓機(jī)器人能夠不用轉(zhuǎn)向的情況下實(shí)現(xiàn)全方向的運(yùn)動，采用了萬向輪結(jié)構(gòu)，輪子數(shù)目為三輪結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　球處理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)概況</b></p><p>　　球處理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)良機(jī)決定了器人的控球能力和進(jìn)攻能力。</p><p>　　控球能力

79、能對場上的局勢起到至關(guān)重要的作用。因此采用帶球機(jī)構(gòu)來掌控比賽的主動權(quán)，傳統(tǒng)的帶球機(jī)構(gòu)靠電機(jī)帶動一個(gè)水平的輥軸給球一定的摩擦力以使球沿機(jī)器人方向轉(zhuǎn)動而實(shí)現(xiàn)，這樣會在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候容易丟失球。此時(shí)，設(shè)計(jì)機(jī)器人帶球機(jī)構(gòu)的方向有兩種：一種是基于開槽帶球機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，二是放棄帶球機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)到研究機(jī)器人不使用帶球機(jī)構(gòu)時(shí)的推球方法。</p><p>　　為了加強(qiáng)機(jī)器人的進(jìn)攻能力，采用了擊球機(jī)構(gòu)。把球從較遠(yuǎn)的距離射進(jìn)球門，需要很大的能量

80、，根據(jù)能量的存儲方式分為兩種：</p><p>　　機(jī)械儲能方式：通過電機(jī)帶動蝸輪蝸桿以進(jìn)行彈簧蓄能和釋放能量來實(shí)現(xiàn)擊球功能。</p><p>　　電容儲能方式：該方法通過升壓電路對電容充電，然后儲存的能量瞬間釋放給螺線管電磁鐵以完成擊球功能。</p><p>　　通過以上兩種擊球方式比較，選擇電容儲能方式，該方式具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、使用方法方便和擊球力度大等優(yōu)點(diǎn)。&

81、lt;/p><p><b>　　設(shè)計(jì)目標(biāo)</b></p><p>　　比賽規(guī)定，機(jī)器人的體積不能超出直徑17cm和高15cm的圓柱，全方位輪的設(shè)計(jì)就體現(xiàn)了機(jī)器人的靈活、快速、多變的特征。擊球和挑球機(jī)構(gòu)突破了傳統(tǒng)的二維模式，利用了三維空間，使足球面對對方機(jī)器人不必繞道，而是從其上方越過。這樣給上層決策系統(tǒng)很大的優(yōu)化，而對進(jìn)攻也多出一種方式，在比賽的時(shí)候也能夠得到很好的利用。

82、</p><p>　　由于隨著比賽的要求，機(jī)器人的性能不斷提高，為了接近世界強(qiáng)隊(duì)的水平和以后的發(fā)展趨勢，對設(shè)計(jì)的機(jī)器人的各項(xiàng)性能提出以下指標(biāo)：</p><p>　　機(jī)器人前后最高加速度不小于4m/s-2，最大速度不得低于1m/s-2。</p><p>　　球被擊出的加速度不低于3.5 ms-2，并且有兩種速度可調(diào)。</p><p>　　帶球穩(wěn)

83、定，在以0.5 m/s速度下，不丟球。</p><p>　　機(jī)器人能夠全方位的自由運(yùn)動。</p><p><b>　　增加挑球機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　運(yùn)動機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)</p><p>　　電機(jī)的選擇和整體結(jié)構(gòu)</p><p>　　電機(jī)的選擇對機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響明顯，并且對于小車的運(yùn)動靈活

84、性起關(guān)鍵作用。選擇電機(jī)主要是對于步進(jìn)電機(jī)和直流伺服電機(jī)的比較。</p><p>　　直流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是功重比大，能保證足夠的速度。但是要想保證準(zhǔn)確的速度，必須使用測速傳感器如光電編碼器，通過CPU對伺服電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)的PWM控制；伺服電機(jī)的速度過高，必須使用減速器傳動。并且伺服電機(jī)造價(jià)很高。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)是同樣功率下的重量比伺服電機(jī)大，體積也大，失步時(shí)達(dá)不到控制的目的

85、。但步進(jìn)電機(jī)是開環(huán)控制，無需測速器件，也不需要減速器，減少了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性。</p><p>　　目前，電機(jī)還是選用直流伺服電機(jī)為宜，為了方便控制，可以選擇高電壓低電流的電機(jī)，因此選擇了日本NaminiKi電機(jī)。該電機(jī)體積小，重量輕，而且很大的轉(zhuǎn)距。</p><p>　　圖 31足球機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu) 為機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，從上往下可分為三層：最上面是色標(biāo)識別板，用于視覺系統(tǒng)的識別色標(biāo)和天線；

86、中間是電路板；最下面是機(jī)械結(jié)構(gòu)的車體部分。其中電池倉置于電路板下邊，或者機(jī)器人兩邊。機(jī)械結(jié)構(gòu)的車體部分有兩種設(shè)計(jì)方案：整體結(jié)構(gòu)和板柱結(jié)構(gòu)。</p><p>　　整體結(jié)構(gòu)是指機(jī)器人的車體設(shè)計(jì)成一個(gè)完整的框架，這在加工上需要對鋁合金進(jìn)行鑄造或者銑床加工，將內(nèi)部掏空，然后來安裝電機(jī)和其他機(jī)構(gòu)。好處是裝配精度高，不易變形，耐碰撞。但是造價(jià)高、重量大。</p><p>　　板柱結(jié)構(gòu)是指機(jī)器人的車體設(shè)

87、計(jì)成幾塊鋁合金板和螺柱固定在一起裝配而成，這樣的結(jié)構(gòu)輕便易于加工，造價(jià)低廉，重量輕，但是裝配精度差，容易變形，不耐碰撞和長期運(yùn)動。</p><p>　　在設(shè)計(jì)機(jī)器人的時(shí)候按照實(shí)際情況選用了板柱結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖 31足球機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　輪子設(shè)計(jì)思想</b></p><p>　　

88、輪子的設(shè)計(jì)除了考慮到機(jī)器人的運(yùn)動性能（運(yùn)動速度和運(yùn)動加速度）還要考慮機(jī)器人的靈活性。隨著各隊(duì)技術(shù)的不斷加強(qiáng)，比賽日益激烈，機(jī)器人的全方向運(yùn)動已經(jīng)成為一個(gè)必要條件。為了達(dá)到這個(gè)目的，采用了萬向輪結(jié)構(gòu)。</p><p>　　萬向輪目前使用較多的有兩種制式：</p><p>　　圖 31足球機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)（a）為互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，始終有一個(gè)小輪的邊緣可以著地，但輪子的寬度比較大,給

89、空間布局帶來一定影響，另外著地點(diǎn)會內(nèi)外交錯(cuò)，這樣對機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)造成非線性影響，所以會使機(jī)器人在運(yùn)動方向上有偏移或左右搖擺。</p><p>　　圖 31足球機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)（b）中為非互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，使用較多的小輪,這種結(jié)構(gòu)輪子的寬度可以比較小，并且著地點(diǎn)始終在一個(gè)圓上，不會對機(jī)器人帶來非線性影響，但是，由于個(gè)小輪之間有間隙，所以輪子的直徑在運(yùn)動中會有變化，機(jī)器人的上下振動比較大。</p><p&

90、gt;　　圖 32雙向輪結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　比較兩者的優(yōu)缺點(diǎn)：</b></p><p>　　雙排雙向輪的小輪是橄欖形的，摩擦系數(shù)比較小，相比之下，單排雙向輪的摩擦系數(shù)有較大的提高。</p><p>　　單排雙向輪不必要占用很大的空間，相比雙排雙向輪有很大的優(yōu)越性，為電機(jī)和擊球機(jī)構(gòu)的擺放提供了很大的方便。</p>&

91、lt;p>　　雙排雙向輪的著地點(diǎn)不斷變化，不利于控制，而且精度不是很高，而單排雙向輪不存在這個(gè)問題。</p><p>　　和雙排雙向輪一樣可以實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動</p><p>　　這兩種萬向輪相比較而言，采用第二種比較好。單排雙向輪機(jī)構(gòu)，運(yùn)動靈活、效率較高，輪上的各個(gè)小滾子一般均處于純滾動狀態(tài)，不易磨損，滾子軸的受力情況也較好；對各個(gè)輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速控制得當(dāng)，即可實(shí)現(xiàn)精確定位和軌跡跟蹤。&

92、lt;/p><p>　　由于輪子尺寸的增加有利于提高最大速度，但是由于輪子的轉(zhuǎn)動慣量，隨輪子的尺寸的增大而減小，因此加速度也減小，結(jié)合比賽對機(jī)器人大小的限制，得出結(jié)論實(shí)際的輪子要取速度和加速度性能折中的結(jié)果，在此選用輪子半徑為27mm。</p><p><b>　　輪子布局</b></p><p>　　機(jī)器人運(yùn)動性能和驅(qū)動輪的擺放及輪子的數(shù)目有很大

93、的聯(lián)系，輪子的擺放和數(shù)目直接影響了機(jī)器人的性能，也間接決定了決策系統(tǒng)的算法和路徑規(guī)劃算法。如何使機(jī)器人的性能達(dá)到一個(gè)理想的指標(biāo)，目前國際的強(qiáng)隊(duì)上的主流采用四輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)。為了增加機(jī)器人帶球?qū)挾纫栽黾訋驒C(jī)會，以及方便放置擊球裝置和和挑球裝置，機(jī)器人沒有采用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)四輪結(jié)構(gòu)，在本設(shè)計(jì)中，采用的是三輪機(jī)器人，其分布如圖 33 輪子布局所示。</p><p>　　圖 33 輪子布局</p><p

94、>　　球處理機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)</p><p><b>　　帶球機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　帶球機(jī)構(gòu)主要用于爭球，帶球跑位同樣對于機(jī)器人的傳接球、帶球突破有重要的意義。由于規(guī)則規(guī)定不可以限制球的自由度，所以傳統(tǒng)的帶球機(jī)構(gòu)主要采用一種方法，即利用摩擦力令球向后自旋。</p><p>　　產(chǎn)生摩擦力的機(jī)構(gòu)是橡膠滾輪，當(dāng)橡膠滾輪高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)

95、候，將帶動球向后旋轉(zhuǎn)，如圖 34傳統(tǒng)帶球機(jī)構(gòu) 所示。在機(jī)器人的前方，由一個(gè)直流電機(jī)帶動一個(gè)橡膠滾輪自始至終旋轉(zhuǎn)，方向是由上往下，由外向里，當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)的時(shí)候，由于球在向后旋轉(zhuǎn)，因此能保持在機(jī)器人前端，當(dāng)機(jī)器人后退的時(shí)候，球高速向后旋轉(zhuǎn)，能夠跟隨機(jī)器人運(yùn)動。橡膠滾輪的設(shè)計(jì)一是要選擇合適摩擦力的橡膠材料，并且橡膠要有一定的強(qiáng)度，既不能太硬也不能太軟，摩擦力和軟硬度可以通過試驗(yàn)確定。二是橡膠滾輪的形狀要設(shè)計(jì)合理,機(jī)器人在帶球的時(shí)候，最理想的

96、是讓球保持在機(jī)器人正面的中心位置。傳統(tǒng)帶球機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是機(jī)器人橫向運(yùn)動的時(shí)候無法讓球保持在中心位置，而新規(guī)則規(guī)定禁止側(cè)帶球機(jī)構(gòu)，這樣球就很容易丟失。</p><p>　　圖 34傳統(tǒng)帶球機(jī)構(gòu)</p><p>　　設(shè)計(jì)采用了一種改進(jìn)型帶球機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)中間開了一個(gè)槽，其工作原理如圖 35 開槽帶球機(jī)構(gòu)所示，初使時(shí)刻，機(jī)器人原地帶球的時(shí)候如果球不在中間，由于左右方向的壓力Nl和Nr在水平方向的

97、合力指向帶球機(jī)構(gòu)的中心使球向中心移動。當(dāng)機(jī)器人將球左右移動，根據(jù)球速V可分解為Vx和Vy。由于Vx的存在，球有向中心移動的趨勢。但此時(shí)Nr增大，Nl減小，因此阻止了球的滑動，由圖可知，中心開槽越大，防止球滑落越好，但還是要受到車體大小的限制，不能無限的大。</p><p>　　圖 35 開槽帶球機(jī)構(gòu)</p><p><b>　　擊球機(jī)構(gòu)</b></p>

98、<p>　　踢球機(jī)構(gòu)對于足球機(jī)器人的射門和傳接球具有重要意義，也是比賽中最重要的機(jī)構(gòu)，因此有多種可供選擇的方案，如直線電機(jī)、汽缸、齒輪齒條、電磁鐵、螺線管、翻板、絲杠等，同時(shí)還需要輔助的儲能機(jī)構(gòu)如彈簧、電容等，以及觸發(fā)機(jī)構(gòu)，比如位置開關(guān)、繼電器等。</p><p>　　通常選擇最有機(jī)械效率機(jī)構(gòu)，常用的有兩種：齒輪齒條、螺線管。</p><p>　　齒輪齒條機(jī)構(gòu)是在帶球滾軸的下方

99、，存在一個(gè)推板與滾軸平行，推板的上緣略高于球的中心高度，推板的后邊與一個(gè)可以移動的水平齒條垂直固定，齒條則與另外一個(gè)小直流電機(jī)軸上齒輪嚙合，此電機(jī)的控制電路使電機(jī)在需要的時(shí)候突然正轉(zhuǎn)擊球，然后縮回。齒條的前后應(yīng)各有限位卡口，以防止齒條沖出。</p><p>　　螺線管是一種螺線形式的電磁鐵，機(jī)械效率比較高，而且擊球力度大，使用方便，所以被越來越多的隊(duì)伍所使用。其基本實(shí)現(xiàn)方式如圖 36 擊球機(jī)構(gòu)（a）所示，主體為

100、一個(gè)推型螺線管和三角形的擊球裝置。圖 35 開槽帶球機(jī)構(gòu)（b）顯示了擊球原理。由于摩擦力相對F可以忽略不計(jì)，因此滿足Jζ=Fl，其中J = 2mbR2 /5。此外加速度a = F/mb。因?yàn)闈L輪滾動的時(shí)候球滾的很遠(yuǎn)，此時(shí)滿足a = ζR，由此可以得到l = 2R/5。</p><p>　　滿足純滾動的條件的擊球高度為：l + R = 7R/5</p><p>　　圖 36 擊球機(jī)構(gòu)&l

101、t;/p><p>　　如果忽略撞擊過程中的熱量損失，出球速度v可由下式得到：</p><p><b>　　式 1</b></p><p>　　其中Ws為電磁鐵所做的功，mk和mb分別為擊桿和球的質(zhì)量。</p><p>　　由以上分析可知道，影響擊球的效果的主要原因有三個(gè)：電磁鐵的性能、擊桿和球的質(zhì)量、擊球方式。</p&

102、gt;<p>　　電磁鐵的性能為主要因素。輸出力量越大，行程越長，其輸出的功就越大。</p><p>　　根據(jù)能量守恒定律，擊桿質(zhì)量越小，則球獲得的能量也就越大，因此射出去的速度就越快，但是當(dāng)電磁鐵輸出力量過大，擊桿容易變形。</p><p>　　擊球方式對球的速度也產(chǎn)生很大的影響。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)實(shí)際擊球高度為球的一般高度稍微偏上，為理想選擇。</p><p&g

103、t;<b>　　挑球機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　翻板機(jī)構(gòu)與帶球滾軸使用同一根用軸承接合的復(fù)合軸，上邊緊固一個(gè)翻板，一端與一個(gè)電機(jī)相連。踢球時(shí)打開電機(jī)，則翻板擊中球，其彈出。之后關(guān)閉電機(jī)即可。這種方案可以將球撬起越過對方機(jī)器人而進(jìn)入球門。</p><p>　　足球機(jī)器人的電路系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)</p><p><b>　　引言<

104、/b></p><p>　　嵌入式系統(tǒng)有著非常廣闊的應(yīng)用前景，其應(yīng)用領(lǐng)域可以包括:工業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)、環(huán)境監(jiān)測和機(jī)器人控制等方面。相對于其他的領(lǐng)域，機(jī)電產(chǎn)品可以說是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用最典型、最廣泛的領(lǐng)域之一。而機(jī)器人技術(shù)則是機(jī)電產(chǎn)品中，最具知識含量和技術(shù)水平的技術(shù)之一。它的發(fā)展從來就是與嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起的，嵌入式技術(shù)的發(fā)展必定促進(jìn)機(jī)器人智能化的水平。&l

105、t;/p><p><b>　　主芯片介紹及選擇</b></p><p>　　足球機(jī)器人小車底層控制系統(tǒng)的核心是微控制器，作為機(jī)器人控制器的核心部件，高性能的CPU是必需的，選擇一個(gè)什么樣的微控制器對于機(jī)器人小車的性能、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式有很大的影響，應(yīng)具體分析控制系統(tǒng)的特征和要求進(jìn)行微控制器的選擇，應(yīng)以整個(gè)足球機(jī)器人系統(tǒng)的控制速度和機(jī)器人小車的智能化水平兩個(gè)方面為立足點(diǎn)，

106、以如下幾個(gè)方面為依據(jù)來選擇合適的微控制器：</p><p><b>　　系統(tǒng)時(shí)鐘速度</b></p><p><b>　　運(yùn)算速度</b></p><p><b>　　功能</b></p><p><b>　　兼容性</b></p><

107、p><b>　　通信方式及通信速率</b></p><p><b>　　電機(jī)控制方式</b></p><p><b>　　控制板的結(jié)構(gòu)尺寸</b></p><p>　　目前應(yīng)用在機(jī)器人底層控制系統(tǒng)的微控制器主要有數(shù)字信號處理器DSP和8位，16位單片機(jī)兩種類型，單片機(jī)主要使用8位，16位處理器，

108、硬件技術(shù)比較成熟，軟件編程相對簡單。但數(shù)據(jù)處理能力不強(qiáng)，需要借助外加器件例如計(jì)數(shù)器，PID調(diào)節(jié)器或PWM產(chǎn)生器等，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不強(qiáng)，系統(tǒng)控制板的結(jié)構(gòu)尺寸也會很大。DSP具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、速度快等優(yōu)點(diǎn)，且其體積較小，有利于電路板布局，但是DSP在中斷處理、位處理或邏輯操作方面不如單片機(jī)，且其資料相對不多，芯片價(jià)格和相應(yīng)的開發(fā)套件昂貴，專用性比較強(qiáng)，通用性比較弱，表 41幾種處理器比較是幾種處理器的比較 。</p><

109、;p>　　與DSP具有同等性能的ARM微處理資源豐富，具有很好的通用性，以其高速度，高性能、低價(jià)格、低功耗，可以廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。ARM本身是32位處理器，但是集成了16位的Thumb指令集，這使得ARM可以代替16位的處理器例如C51系列單片機(jī)使用，同時(shí)具有32位處理器的速度。ARM的嵌入式系統(tǒng)其優(yōu)良的性能，良好的移植性，廣泛應(yīng)用與各個(gè)行業(yè)?？梢哉f，用單片機(jī)和DSP實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，ARM都可以實(shí)現(xiàn)。ARM集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)資源

110、，利用自身資源不必增加外圍器件就可實(shí)現(xiàn)控制要求的功能。同時(shí)使得機(jī)器人控制板的結(jié)構(gòu)尺寸可以做得更小。另外，利用ARM處理器設(shè)計(jì)的車載嵌入式系統(tǒng)還具有非常好的移植性，能夠使得技術(shù)真正用于生活，這是其他型處理器所不具備的特點(diǎn)。</p><p>　　表 41幾種處理器比較</p><p>　　ARM (Advanced RISC Machines )，既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名稱，也可以認(rèn)為是對一

111、類處理器的通稱。1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)(IP)核的微處理器，即我們通常所說的ARM微處理器，已經(jīng)遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場。</p><p>　　ARM處理器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)</p><p>　　ARM處理器采用RISC (Reduce Instruction Computer，精簡