毕业设计（论文）-基于ARM的ROBOCUP足球机器人.doc

江西理工大学2008届本科生毕业设计（论文）江 西 理 工 大 学本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：基于ARM的ROBOCUP足球机器人学 院：机电工程学院专 业：电气工程及其自动化班 级：学 生：学 号：31指导教师： 职称：教授57江西理工大学2008届本科生毕业设计（论文）摘 要机器人足球比赛是近时年在国际上迅速兴起的一种高技术对抗竞赛。主要涉及到微机械、机器人学、多传感器信息融合、通信、图像处理、机电一体化、计算机技术、对策与决策、智能控制和人工生命等多个相关领域。是研究多智能体系统和分布式人工智能理论的良好实验平台。足球机器人系统分为通讯子系统，决策子系统，视觉子系统，和机器人小车子系统四个部分。机器人小车子媳统是整个系统的执行机构，它的性能好坏直接由车载嵌入式系统决定，论文分析了目前国内外对于足球机器人控制系统的研究情况，从系统的提升性能、简化设计、扩展功能和应用移植的角度出发，尝试使用嵌入式系统设计理论设计了基于ARM微处理器的车载嵌入式系统。论文的主要研究工作具体如下:首先，分析了足球机器人底层控制系统的设计要求，完成了RoboCuP小型组足球机器人三轮全向驱动机器人的运动控制算法的设计。建立了三轮全向移动机器人的系统模型，分析了机器人的运动特性，制定了以ARM微处理器为核心的系统设计方案。其次，论文重点阐述了足球机器人控制系统的硬件和软件设计原理，主要包括以ARM7嵌入式处理器为核心的系统组成结构和直流电机控制模块的设计。论文对核心器件的选型，单元电路的设计，控制原理以及控制算法都进行了详尽的说明。关键词:RoboCup；ARM；nRF2401；PID；三轮全向机器人运动控制； AbstractRobot Soccer is a high-tech competition which 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 decision-making, artificial intelligent control, and other related fields. It is a good experimental platform to study multi-agent systems and distributed artificial intelligence theory.The soccer robot 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 systems implementing agency, its performance quality immediate influence overall systems performance; The paper has analyzed present domestic and foreign regarding the soccer robot control systems research situation, from systems promotion performance, the simplified design, the extended function and application transplants angle embarking, the attempt used the embedded system design theory to design based on the ARM microprocessors embedded system. The paper main research work is specifically as follows: First, the bottom of the soccer robot control system design requirements, completed the robot soccer RoboCuP small group three round omnidirectional actuation robots motion control algorithm design. Established three round omnidirectional motion robots system model, analyze the movement of a robot, developed the system design as ARM microprocessor core. Secondly, the paper focused on soccer robot control system hardware and software design principles, including embedded ARM7 processor to the system as the core structure and composition of DC motor control module design. Papers to the core of the device selection, the unit circuit design, control theory and control algorithms have carried out a detailed description.Key words: RoboCup；ARM；nRF2401；PID； Three round omnidirectional robot motion control；目 录第1章 绪论21.1引言21.2足球机器人的研究背景21.2.1研究背景21.2.2研究意义41.2.3RoboCup简介51.3足球机器人的发展状况51.4足球机器人的发展前景6第2章 足球机器人系统结构72.1引言72.2设计目标72.3足球机器人系统结构72.3.1机器人小车系统82.3.2视觉子系统92.3.3无线通讯系统92.3.4决策子系统102.4足球机器人系统的工作模式102.5本论文的研究工作11第3章 足球机器人的机构设计123.1引言123.2机构设计概况123.2.1运动机构设计概况123.2.2球处理机构设计概况123.3设计目标133.4运动机构的分析与设计133.4.1电机的选择和整体结构133.4.2轮子设计思想143.4.3轮子布局153.5球处理机构的分析与设计163.5.1带球机构163.5.2击球机构173.5.3挑球机构18第4章 足球机器人的电路系统分析与设计194.1引言194.2主芯片介绍及选择194.2.1主芯片性能224.2.2最小系统224.3电路系统总述244.4各个执行机构的驱动和控制电路254.4.1运动机构控制电路及其原理254.4.2速度检测电路及其原理284.5通讯系统304.5.1串口通讯电路304.5.2人机交互电路304.5.3无线通讯电路31第5章 足球机器人的控制实现及基本动作355.1引言355.2足球机器人的控制实现355.2.1坐标系的确定355.2.2车型机器人的数学描述365.3足球机器人的底层运动控制385.3.1PID控制原理385.3.2PID增量式算法395.3.3PID参数的整定原则415.3.4PID参数整定的一些经验和方法415.4足球机器人的行为415.4.1跑位(Position)415.4.2踢球(Kick)425.4.3特殊功能动作42第6章 系统软件设计436.1引言436.2软件设计基本思想436.3主程序设计446.4通信子程序设计446.5中断服务程序446.6PI子程序设计45第7章 总结47第8章 参考文献48第9章 致谢49第10章 附录5010.1硬件电路图5010.2主要元器件清单5310.3实物照片5410.4部分源程序清单55第1章 绪论1.1 引言机器人足球最早是由加拿大大不列颠哥伦比亚大学教授Alan Mackworth在1992年的一次国际人工智能会议上首次提出的，他的目的是通过机器人足球比赛，为人工智能和智能机器人学科的发展提供一个具有标志性和挑战性的课题。此想法一经提出，便得到了各国科学家的普遍赞同和积极响应，国际上许多著名的研究机构和组织开始开展研究，将其付诸实现并不断推动其发展。2050 年前研制一队全智能类人型机器人足球队员，并击败世界杯冠军，这个梦想离我们到底有多远？国际机器人杯的组织者与爱好者勇敢接受挑战，义无反顾地向着这个目标努力，但它决不仅是他们的梦想，更是我们大家共同的梦想。足球运动作为一项体育竞技项目，完美地体现着人类追求配合、协作、体能、竞争揭示着人类对于美的追求。正是因为它独特的魅力，才能如此长久地鼓舞人们的热情，让你哭、让你笑，让你激动、让你为之疯狂、让你欲罢不能机器人足球则是以足球为载体的前沿高科技研究和高技术对抗，是连接基础研究与实际应用的中介和桥梁，它广泛涉及人工智能计算机视觉自动控制、精密仪器、传感和信息等一系列学科的创新研究，是人工智能和机器人学新的标准问题，其研究成果可广泛应用于工业、农业、军事信息技术等实际领域，是自动化前沿研究成果的窗口和促进产、学、研结合的新途径，集中反映出一个国家的高科技水平和综合国力。1.2 足球机器人的研究背景1.2.1 研究背景在人工智能发展的历史上，博奕曾经作为典型问题极大的推动了人工智能的发展。40年代提出了用计算机与人类下棋的目标，1997年IBM的超级计算机“深蓝”击败了世界冠军卡斯帕罗夫，是人工智能学科的一个里程碑，实现了研究人员40年的梦想。随着信息技术的飞速发展，多机器人的应用需求不断的增加，多主体动态不可预测环境中的问题求解已成为信息-自动化领域基础研究和应用研究的重大挑战性课题。因此博奕已经不能作为这些研究的载体，必须寻找新的标准问题来考核人工智能技术的发展。而足球机器人为此提供了一个典型的应用和测试平台。与机器人象棋比赛不同，足球机器人是人工智能的全面体现，也就是说除了“思维”之外，还包括“感知”与“行动”。它涉及的学科也更广泛。足球机器人是智能机器人的一个新领域，集高新技术和体育比赛于一体，是科技理论和实际密切结合的极富生命力的成长点，兴起仅仅几年，便引起各国学者的普遍关注。足球机器人系统是多个机器人活动在一个实时、噪声以及对抗性的复杂环境下，通过协作、配合朝向一个共同的目标（或完成复杂任务）。足球机器人研究的目的是研究对未来社会有深远意义的多机器人（或多智能体）在复杂动态环境和多重制约下，完成多任务和多目标所需的实时推理和规划技术。所以，一个新兴的领域-足球机器人领域已逐渐形成，它是一个多学科交叉领域，包括：智能机器人系统、多智能体系统、实时图像处理与模式识别、智能体结构设计、实时规划和推理、移动机器人技术、机器传动与驱动控制、传感器与数据融合和无线通讯等。它既是一个典型的智能机器人系统，又为研究发展多智能体系统、多机器人合作等理论提供了生动的研究模型和标准的测试平台。首次提出用机器人进行足球比赛，是Alan Mackworth(University of British Columbia,Canada )于1992年在“On Seeing Robots”一文中提出的。与此同时，1992年10月在日本东京召开的关于“人工智能领域的巨大挑战”学术研讨会（Workshop on Grand Challenges in Artificial Intelligence,Oct.1990,Tokyo）上，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。他们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战性的研究课题。这一提议得到了广泛的赞同。韩国学者金钟焕于1996年开始主办微型机器人足球比赛；日本学者北田宏明提出了机器人世界杯足球赛，并在1997年得以实施。目前，国际上机器人足球已发展为两大系列：一是由国际机器人足联（FIRA）组织的微型机器人世界杯足球赛（MIROSOT），成立于1997年6月5日，总部设在韩国大田的韩国科学（技术）院（KAIST）。目前已有30余个国家的近百个学校与科研院所是其成员单位，到目前为止已经成功举行了八届机器人足球比赛；之所以得到迅速的发展，主要是MiroSot中所包含的技术含量以及它对相关产业的推动作用。另一个是由国际人工智能学会组织的机器人世界杯足球赛（RoboCup），成立于1996年，总部设在日本名古屋，主席是SONY公司计算机科学研究院的北野宏明教授。在此之前，日本的国家电子技术实验室（ETL）研制了用于机器人足球仿真比赛的软件平台，而日本大坂大学和美国卡内基-梅隆大学的学者也都率先开发了足球机器人。RoboCup正式成立之后，先后举行了七届机器人足球世界杯赛，数十个国家的上百支球队前来参加比赛。1997年，日本本田技研公司成功的研制了双足行走机器人，这一重大突破引起了全世界的关注。由六足机器人发展到双足机器人用了将近20年的时间，在机器人的手、足、视觉方面都有突破，达到了一定的水平。通过机器人足球赛，将在大脑的思维方面进行重点的研究。正是近20年的舆论准备与技术准备，进入90年代一些国家开始研制足球机器人并在近几年取得令人瞩目的成绩。相信在不久的将来具有人体体型的以及思考能力的类人机器人一定会出现在足球场上。也许那时机器人足球队将与世界足球冠军同场比赛，展开一场别开生面的“人机大战”。1.2.2 研究意义机器人足球是人工智能和机器人学新的标准问题，是连接基础研究与实际应用的中介和桥梁，是展示信息自动化前沿研究成果的窗口和促进产、学、研结合的新途径。进行机器人足球系统的研究具有重要的科研和现实意义。1.人工智能和机器人学新的标准问题过去50年中人工智能研究的主要问题是“单主体静态可预测环境中的问题求解”，其标准实验平台是国际象棋人一机对抗赛;而未来50年中，人工智能的主要问题是“多主体动态不确定环境中的问题求解”。足球比赛是一个动态实时的过程，赛场情况变化万千，存在着大量的不确定性，需要运动员相互协作，自主地对赛场上的情况迅速做出反应。这些特点满足了人工智能对研究对象的要求。因此，机器人足球可以作为人工智能研究和机器人学的标准问题。2.连接基础研究与实际应用技术的桥梁从科学研究的观点看，无论是现实世界中的智能机器人或机器人团队(如家用机器人和军用机器人团队)，还是网络空间中的软件自主体都可以抽象为具有自主性、社会性、反应性和能动性的“智能体”(Ageni)。这些智能体以及相关的人构成了多智能体系统。多智能体系统基本问题是智能体(包括人)之间的协调，可细分为智能体设计、多智能体体系结构、多智能体合作和通讯、自动推理、规划、机器学习与知识获取、认识建模、生态系统和进化等一系列专题。这些都是人工智能的主攻方向。但是，当前的基础研究与其应用背景之间的距离过大，导致注重实际背景的工作就事论事，而注重基本问题的研究“纸上谈兵”。为了改变这种现状，不仅需要各种类型研究工作的大量积累，而且必须采取必要的手段，在基础研究与实际背景之间寻找恰当的中介和桥梁。值得注意的是，上述一系列问题中的大多数都在机器人足球中得到了集中的体现。在这个意义下，机器人足球可以作为连接基础研究与实际应用技术的桥梁。3.一种素质教育和创新教育与前沿研究相结合的生动形式机器人足球课程是素质教育、创新教育与前沿研究相结合的一条可行途径。与传统的知识传授和技能培养为目标的课程不同，足球机器人及球队的研制具有实践性强、探索性强和综合性强的特点，有利于迅速接触前沿研究，并促进学生的创新能力和专业素质的提高。是一种很好的教育资源。1.2.3 RoboCup简介国际RoboCup联合会是世界上规模最大的、占主导地位的机器人足球国际组织，总部设在瑞士，现有成员国近40个。联合会现任主席是国际著名科学家、在IJCAI-93大会上获得国际人工智能最高奖-计算机与思维大奖的北野宏明。联合会负责世界范围的学术活动和竞赛，包括每年一届的世界杯赛和学术研讨会，并为相关的本科生和研究生教育提供支持（教材、教学软件等）。RoboCup机器人足球世界杯赛一般由5个机器人，体积不超过直径17cm和高15cm的圆柱机器人小车组成的一个球队，在球场上自主运动，目的是将足球踢入对方球门，球场上空（2米）悬挂的摄像机将比赛情况传入计算机，由预装的软件做出决策，再通过无线通讯方式将命令传给场上的机器人，多个足球机器人协同作战，双方对抗形成一场激烈的足球赛。在比赛中，各机器人不但可以发挥个人的运球、踢球、截球等技巧，而且还能根据战术策略统一接受中央控制器的命令，为了战胜对方，不但要有过硬的机器人硬件，而且还要有先进的战术策略软件，所以机器人足球赛不仅是集中体现多个机器人合作的范例，而且是推动各机器人技术发展的一个重要手段。1.3 足球机器人的发展状况国际上两大足球机器人组织已成规模，其中国际机器人足联（FIRA）从1996年开始，每年组织一次机器人足球世界杯赛（FIRA RWC），相伴而行的还要举办这一领域的学术研讨会，FIRA RWC97在韩国举行，2个项目比赛，有来自9个国家的22个参赛队。FIRA RWC98在巴黎举行，与第16届足球世界杯同期举行，由13个国家的39个队参加了四个项目的决赛阶段的比赛；FIRA RWC99则首先分四个大区（北美、南美、亚太、欧非）进行预选赛。角逐决赛阶段4个项目的32个名额，比赛已达到相当的规模和水平。FIRA RWC2000第五届在悉尼与奥运会相伴而行。FIRA RWC2001第六届在首次在中国北京举行。FIRA RWC2002已经在韩国举行。FIRA RWC2003在奥地利维也纳举行，此次大赛有21个国家参赛，96个球队在半自主型、全自主型、仿真型、二足类人型、欧洲流行型、超小型共六类九种比赛项目中进行了比赛。各参赛队进行了紧张、激烈的比赛和广泛的学术交流。机器人足球的另一赛事是由国际人工智能学会组织的机器人世界杯足球赛（RoboCup）。第一届于1997年8月在日本东京举行，共40个参赛队。第二届于1998年在巴黎举行，有近60个队参赛。第三届机器人世界杯比赛于1999年在瑞典举行，90多个参赛队。第四届机器人世界杯足球赛和学术会于2000年8月在澳大利亚举行，本届杯赛分为仿真组、小型机器人组、中型机器人组、四腿组四种类型，来自约30多个国家的54支球队参加，综合参与规模，竞赛成绩、学活动组织、竞赛管理等诸多因素来看，美、日、德三足鼎立主格局初现。2001年8月，第五届机器人足球世界杯赛在美国西雅图举行。2002年6月，日本福冈第六届RoboCup世界杯赛，清华大学蝉联仿真组冠军。2003年7月，第七届RoboCup世界杯在意大里帕多瓦结束。由此可见，自九十年代初开始的机器人足球活动，其涉及的范围越发广泛，比赛的类型也不断升级。从几十年前的软件仿真比赛和轮式机器人足球赛，1999年SONY公司的四足机器狗足球比赛，到2000年已经出现了双足机器人踢球表演。到今天有类人二足机器人组的表演，机器人舞蹈表演等。智能机器人作为现代高科技的集成体，是21世纪的科技制高点之一。一些发达国家已把智能机器人比赛作为创新教育的战略性手段。智能机器人集成了数学、力学、机械、电子、自动控制、传感器、通信、计算机、人工智能，是众多领域的高科技，能有效培养学生的动手能力、创造能力和协作精神。1.4 足球机器人的发展前景足球机器人之所以获得如此迅速的发展，就是因为它是人工智能领域的理想突破点，又是吸引青年人科研兴趣与高新技术攻关的完美结合点，参与比赛的机器人不仅要有对周围场景做出判断及控制自身的能力，还需要具有群体意识，要能够识别敌友并相互配合，赛场上的情况瞬息万变，双方机器人都在不停的运动，因而机器人必须具有较强的跟踪、决策、反应能力和机动性。理论与实际脱节是人工智能研究中存在的普遍问题，缺乏来自实际的问题和没有应用的载体是这方面研究的主要难点。应运而生的足球机器人为这些困难的解决创造了十分有利的条件。由于它造价不高，但“五脏”俱全，既不受企业条件的制约，又与许多实际的问题密切相关，这为智能化研究，尤其是多智能体系统的研究提供了理想的实验载体。今天足球机器人已成为人工智能领域发展的历史性目标和智能机器人发展的代表方向。机器人足球赛既是高科技的竞争，又具有足球的观赏性和娱乐性。因此，必将吸引大批的球迷。另外，随着普及程度的提高，越来越多的非专业人员可以参与非专业性的机器人足球赛，特别是仿真组比赛。可以预期，机器人足球赛将产生和人类足球赛类似的吸引力，进而形成类似的职业联赛和俱乐部体制。由于我国在机器人足球方面与世界最高水平的差距远远小于我国人类足球与世界先进水平的差距，因而会对社会产生更大的吸引力。所以，机器人足球赛本身将可以形成一个与人类足球赛类似的产业。第2章 足球机器人系统结构2.1 引言足球机器人比赛不仅包括多智能体系统要研究的全部内容，而且通过比赛来验证各方策略的优劣，所以机器人足球比赛是研究多智能体系统标准的实验平台。足球机器人系统由四大部分组成：机器人小车系统、视觉子系统、决策系统和通讯系统。2.2 设计目标足球机器人的设计无沦是在方案设计、选材、制作质量、机器人本身的重量控制方而，还是在运动的路径的规划、定位和避障等相关的因素都直接关系到在比赛过程中能否战胜对手，取得比赛的胜利。针对上述分析，设计的机器人及其控制系统应当达到下列目标：1. 选择最优的运动路径。路径的规划要考虑到机器人的总路程尽量最短，在一定的运动速度下能最快到达，在球场占领合适的位置以便进退自如。2. 足球机器人的外形尺寸应符合比赛要求且结构应具有高的稳定性和刚性。选材上主要部件可以采用铝合金，装配时最好是三角形连接增以强稳定性，低的重心能具有较高的抗冲撞能力。3. 控制系统是核心，它必须具备对控制量和运算的高速性，还要应具有一定的抗干扰性和接口丰富的可扩展性。机器人的控制量包括有位置、速度、方向、姿态调整和动作释放等。4. 无线系统是连接上位机和足球机器人的桥梁，在器件选择上要使在通信过程中数据传输的可靠性达到最高，提高通信的效率。5. 轮子的设计要同时满足全方位运动和尽量提高运动速度的要求，使车体灵活、高效的运动。2.3 足球机器人系统结构足球机器人系统有机器人小车系统、视觉系统、决策系统和通讯系统四个子系统组成，各个系统之间的相互联系如Error! Reference source not found.所示。比赛控制方式有集中式和分布式两种：视觉系统机器人小车决策系统通讯系统图 21各个子系统之间的相互关系集中式指比赛时通过挂在场地上方的摄像头（1个或者多个）采集场上信息，提取出有用的信息后传送给单个决策程序，决策程序根据场上情况做出决策，再通过无线通讯模块传送相应的命令给自己方的机器人，机器人根据指令做出各种动作，如此循环反复。分布式与集中式最大的不同在于，机器人共同使用一个视觉信息，但是每个机器人都有自己的决策程序，机器人之间可以通过无线通讯来协作，做出相应的动作。由于分布式的控制比集中式要困难，目前世界各国的参赛队仍然采用集中式控制，本论文的内容便是基于集中式控制系统。决策系统处理来自视觉系统的场景辨识实时数据，在此基础上做出决策并发出命令，由无线通信模块把控制命令字传送给机器人，再由机器人完成决策要求的动作。可见决策系统是一个典型的非结构化的知识型系统。决策子系统就相当于大脑，视觉系统此时就相当于眼睛，而无线通信系统就相当于人的神经系统，机器人车体相当于人的身体。除了特殊智能部分以外，每个机器人具有相同的控制结构，特殊智能部分包含着某个机器人的特殊行为和策略，例如守门员就有不同于一般球员的特殊智能部分。2.3.1 机器人小车系统当小型组机器人成为RoboCup比赛最激烈的比赛之一的时候，机器人车体本身性能在一定的程度上影响该队伍的水平高低，。机器人小车系统包含以下如下几个部分：(1) 执行机构执行机构是决策系统发出命令的最终执行者，包括运动机构和球处理机构。运动机构包括各个轮子和驱动电机，则球处理机构包括带球机构和射球机构。(2) 电路控制机构电路控制机构是控制各个执行机构，接收决策命令，和上位机进行通讯等等功能。电路控制机构包括：各个执行的驱动和控制电路、传感器电路、无线接收发送电路。2.3.2 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，它由摄像头、图像采集卡等硬件设备和图像处理软件组成。随着图像处理技术的不断发展，对视觉子系统的处理速度要求越来越高因此大都采用数字摄像头和高速采集卡。作为机器人的眼睛，视觉系统担任了识别双方的机器人车体和球的位置、速度、方向等信息，然后才能通过决策系统做出正确的决策，因此视觉系统是决策系统的基础。2.3.3 无线通讯系统机器人足球比赛规定，上位机与机器人小车之间以无线方式通讯，主机的控制串行输出至无线通讯模块，经调制后发射出去，机器人车体上的接收模块解调出无线信号上所载的命令信息，然后传送给主控MCU，过程如图 22所示。图 22 通讯系统框图足球机器人系统中一台计算机控制场上5个机器人进行比赛。每个机器人得到的命令又各不相同，因此要求通信系统能够利用一台发射机对不同的机器人发射不同的任务命令。为了避免相互干扰，每支球队至少有两种通讯频率可选择。在基于集中视觉的足球机器人系统中，机器人的智能水平较低，要靠上位机的指挥完成精确的攻防动作，如果通讯失误，必然造成机器人的误动作，导致错失良机或是输球，所以要求通讯系统有非常高的可靠性和抗干扰性。综上所述，对足球机器人通讯子系统的要求归纳为五点：一对多、频率可选、结构紧凑、通讯频率高和性能可靠。2.3.4 决策子系统在足球机器人系统中决策子系统的任务就是根据当前场上的比赛形势，作出部署，给队员发出指令。它是整个足球机器人系统的核心，相当于系统闭环中的控制器。真正参加机器人足球比赛，不仅要求机器人有好的机动性，还要求系统能给出最优或良好的策略，这就涉及到战略决策，多机器人配合以及路径规划等智能化问题。角色分配是根据当前的情况和策略库信息给机器人分配任务，如：持球机器人主攻，另一个占据有利位置的机器人担任协攻。与普通的足球比赛一样，机器人足球比赛也应根据场上的情况，实时的做出决策，如当前比分、哪方控球以及对手的水平等因素安排各自的策略，决定我方应采取何种策略，是进攻还是防守，然后再调用策略库作出战术部署。策略库应根据比赛规则与经验加以研究制定，并存入知识库中，以供比赛时提取使用，知识库还应有一个学习的智能体，用以不断丰富策略。各种智能算法如神经网络、模糊控制、遗传算法等也可应用到构造策略库和策略选择过程中去。根据采取的对策，计划机器人的任务，转化成路径形式，然后发射出去，路径由一系列命令序列组成。策略库的建立；关于路径和目标点的效果情况判定；建立策略库，类似情况可以作出相似决策。2.4 足球机器人系统的工作模式构造足球机器人系统有多种种类。不但在CPU选择、执行机构、传感器等系统硬件的结构方面可以不尽相同，并且系统软件如控制算法、策略以及系统集成方面也可以有所变化。因此在众多方法中选择合适的硬件和软件组合并不容易。从功能上看，机器人足球比赛系统可分为三种工作模式，即基于视觉的集中控制型足球机器人系统、基于视觉的半自主型足球机器人系统和完全自主型足球机器人系统。(1) 基于视觉的集中控制型足球机器人系统。在该系统中，每个机器人具有：接收器、控制字解码和速度控制器。电机控制模块能够接收到主机发来的数据控制其运动方向和速度。视觉数据处理、策略决策以及机器人的位置控制都在主计算机上完成，就象遥控小汽车一样。(2) 基于视觉的半自主型足球机器人系统该系统是介于集中控制型与全自主型之间的混合型。在该系统中，机器人有速度控制、位置控制和自动避障等功能。主机处理视觉数据，根据策略库选择机器人的下一个周期的行为，并通过无线发射器将控制命令发给各个机器人。(3) 完全自主型足球机器人系统该机器人系统属于完全自主的智能体系统。在该系统中，机器人有视觉处理功能，还有许多自主行为，所有的计算（包括决策）和控制都由机器人自身完成。除了特殊智能部分外每个机器人有相同的控制结构。特殊智能部分包括每个机器的特殊行为和策略，如守门员。每个机器人的中心控制器根据接收到的数据，本身的传感器数据以及自身的策略采取适当的策略。基本行为有移动、旋转和加速。基本动作有踢球、射门、拦截、守门和避障等。2.5 本论文的研究工作足球机器人系统研究的主要内容包括：视觉技术、高可靠的通讯技术、机器人小车技术、决策技术及仿真实现。本论文主要研究了足球机器人车体设计及控制技术。1. 足球机器人车体设计部分(1) 机构分析与设计，主要包括：l 运动机构分析单排双向轮的性能优越性和修正三轮布局的运动学性能。l 带球机构分析带球机构的工作和性能优化的原理与方法。l 击球机构分析螺线管电磁铁式机构的工作原理和影响性能的决定因素。(2) 电路系统设计，主要包括：l 基于NXP公司LPC2138 ARM7为主芯片芯片的控制电路设计，该电路具有资源丰富、高性能、低功耗等优点。l 基于L298N芯片H全桥电路的轮子驱动电路设计、具有效率高输出电流大等优点。l 基于非隔离型开关电源原理的螺线管电磁铁升压电路设计，具有充电速度快，控制简单、性能稳定等优点。2. 控制部分(1) 机器人的运动控制，包括：l 三轮全向驱动机器人的运动控制算法的设计。l 基于数字PID算法的电机调速，算法实现简单，耗时少。(2) 底层控制流程，包括：l 指令帧数据结构定义，主函数循环接收，判断和执行指令帧数据的过程和方法。l 定时中断子程序执行指令的过程和操作分类。第3章 足球机器人的机构设计3.1 引言车体系统包括两部分：机器人机构和电路控制系统。总的来说一个性能优越的机器人应具有运动灵活、快速，良好的控球能力、进攻能力兼备的才能，以及可控性好等优点。这些都需要优越的机构设计来实现，只有这样才能适应越来越激烈的比赛。随着比赛多年的发展，各队机器人主要机构的种类已经取得一定的共识，因此，大家都在为如何提高机器人各个机构的性能这个最重要的目标而奋斗。机构设计主要考虑两个方面的问题，机构的性能和可控制性。机构性能决定了机器人的潜能，而可控制性决定了这些机构能不能高效有序的的利用起来。3.2 机构设计概况3.2.1 运动机构设计概况运动机构为了提高机器人的运动性能，包括机器人的速度、加速度和运动灵活性等等。其中机器人的速度和加速度需要优良性能的电机来配合。这里选择了日本的NamiKi电机。原装电机有三级减速的齿轮箱和光电测速装置，由于原装电机的只是二线的光码盘测速精度不够，因此经过改装成为十二线的光码盘；并且将三级减速齿轮箱改为两级，使车体大小控制在要求范围之内。运动的灵活性是由轮子及数目和布局决定的。轮子的结构和布局对速度和加速度也产生了很大的影响。为了让机器人能够不用转向的情况下实现全方向的运动，采用了万向轮结构，轮子数目为三轮结构。3.2.2 球处理机构设计概况球处理机构设计的优良机决定了器人的控球能力和进攻能力。控球能力能对场上的局势起到至关重要的作用。因此采用带球机构来掌控比赛的主动权，传统的带球机构靠电机带动一个水平的辊轴给球一定的摩擦力以使球沿机器人方向转动而实现，这样会在转弯的时候容易丢失球。此时，设计机器人带球机构的方向有两种：一种是基于开槽带球机构的设计，二是放弃带球机构，转到研究机器人不使用带球机构时的推球方法。为了加强机器人的进攻能力，采用了击球机构。把球从较远的距离射进球门，需要很大的能量，根据能量的存储方式分为两种：机械储能方式：通过电机带动蜗轮蜗杆以进行弹簧蓄能和释放能量来实现击球功能。电容储能方式：该方法通过升压电路对电容充电，然后储存的能量瞬间释放给螺线管电磁铁以完成击球功能。通过以上两种击球方式比较，选择电容储能方式，该方式具有机械结构简单、使用方法方便和击球力度大等优点。3.3 设计目标比赛规定，机器人的体积不能超出直径17cm和高15cm的圆柱，全方位轮的设计就体现了机器人的灵活、快速、多变的特征。击球和挑球机构突破了传统的二维模式，利用了三维空间，使足球面对对方机器人不必绕道，而是从其上方越过。这样给上层决策系统很大的优化，而对进攻也多出一种方式，在比赛的时候也能够得到很好的利用。由于随着比赛的要求，机器人的性能不断提高，为了接近世界强队的水平和以后的发展趋势，对设计的机器人的各项性能提出以下指标：(1) 机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。(2) 球被击出的加速度不低于3.5 ms-2，并且有两种速度可调。(3) 带球稳定，在以0.5 m/s速度下，不丢球。(4) 机器人能够全方位的自由运动。(5) 增加挑球机构3.4 运动机构的分析与设计3.4.1 电机的选择和整体结构电机的选择对机械结构的影响明显，并且对于小车的运动灵活性起关键作用。选择电机主要是对于步进电机和直流伺服电机的比较。直流伺服电机的优点是功重比大，能保证足够的速度。但是要想保证准确的速度，必须使用测速传感器如光电编码器，通过CPU对伺服电机进行闭环的PWM控制；伺服电机的速度过高，必须使用减速器传动。并且伺服电机造价很高。步进电机的缺点是同样功率下的重量比伺服电机大，体积也大，失步时达不到控制的目的。但步进电机是开环控制，无需测速器件，也不需要减速器，减少了机构的复杂性。目前，电机还是选用直流伺服电机为宜，为了方便控制，可以选择高电压低电流的电机，因此选择了日本NaminiKi电机。该电机体积小，重量轻，而且很大的转距。图 31足球机器人的整体结构 为机器人的整体结构，从上往下可分为三层：最上面是色标识别板，用于视觉系统的识别色标和天线；中间是电路板；最下面是机械结构的车体部分。其中电池仓置于电路板下边，或者机器人两边。机械结构的车体部分有两种设计方案：整体结构和板柱结构。整体结构是指机器人的车体设计成一个完整的框架，这在加工上需要对铝合金进行铸造或者铣床加工，将内部掏空，然后来安装电机和其他机构。好处是装配精度高，不易变形，耐碰撞。但是造价高、重量大。板柱结构是指机器人的车体设计成几块铝合金板和螺柱固定在一起装配而成，这样的结构轻便易于加工，造价低廉，重量轻，但是装配精度差，容易变形，不耐碰撞和长期运动。在设计机器人的时候按照实际情况选用了板柱结构。图 31足球机器人的整体结构3.4.2 轮子设计思想轮子的设计除了考虑到机器人的运动性能（运动速度和运动加速度）还要考虑机器人的灵活性。随着各队技术的不断加强，比赛日益激烈，机器人的全方向运动已经成为一个必要条件。为了达到这个目的，采用了万向轮结构。万向轮目前使用较多的有两种制式：图 31足球机器人的整体结构（a）为互补结构，这种结构运行稳定，始终有一个小轮的边缘可以着地，但轮子的宽度比较大,给空间布局带来一定影响，另外着地点会内外交错，这样对机器人的旋转造成非线性影响，所以会使机器人在运动方向上有偏移或左右摇摆。图 31足球机器人的整体结构（b）中为非互补结构，使用较多的小轮,这种结构轮子的宽度可以比较小，并且着地点始终在一个圆上，不会对机器人带来非线性影响，但是，由于个小轮之间有间隙，所以轮子的直径在运动中会有变化，机器人的上下振动比较大。图 32双向轮结构比较两者的优缺点：(1) 双排双向轮的小轮是橄榄形的，摩擦系数比较小，相比之下，单排双向轮的摩擦系数有较大的提高。(2) 单排双向轮不必要占用很大的空间，相比双排双向轮有很大的优越性，为电机和击球机构的摆放提供了很大的方便。(3) 双排双向轮的着地点不断变化，不利于控制，而且精度不是很高，而单排双向轮不存在这个问题。(4) 和双排双向轮一样可以实现全向运动这两种万向轮相比较而言，采用第二种比较好。单排双向轮机构，运动灵活、效率较高，轮上的各个小滚子一般均处于纯滚动状态，不易磨损，滚子轴的受力情况也较好；对各个轮的转向和转速控制得当，即可实现精确定位和轨迹跟踪。由于轮子尺寸的增加有利于提高最大速度，但是由于轮子的转动惯量，随轮子的尺寸的增大而减小，因此加速度也减小，结合比赛对机器人大小的限制，得出结论实际的轮子要取速度和加速度性能折中的结果，在此选用轮子半径为27mm。3.4.3 轮子布局机器人运动性能和驱动轮的摆放及轮子的数目有很大的联系，轮子的摆放和数目直接影响了机器人的性能，也间接决定了决策系统的算法和路径规划算法。如何使机器人的性能达到一个理想的指标，目前国际的强队上的主流采用四轮驱动结构。为了增加机器人带球宽度以增加带球机会，以及方便放置击球装置和和挑球装置，机器人没有采用传统的标准四轮结构，在本设计中，采用的是三轮机器人，其分布如图 33 轮子布局所示。图 33 轮子布局3.5 球处理机构的分析与设计3.5.1 带球机构带球机构主要用于争球，带球跑位同样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，所以传统的带球机构主要采用一种方法，即利用摩擦力令球向后自旋。产生摩擦力的机构是橡胶滚轮，当橡胶滚轮高速旋转的时候，将带动球向后旋转，如图 34传统带球机构 所示。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。橡胶滚轮的设计一是要选择合适摩擦力的橡胶材料，并且橡胶要有一定的强度，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。二是橡胶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。传统带球机构的缺点是机器人横向运动的时候无法让球保持在中心位置，而新规则规定禁止侧带球机构，这样球就很容易丢失。图 34传统带球机构设计采用了一种改进型带球机构，该机构中间开了一个槽，其工作原理如图 35 开槽带球机构所示，初使时刻，机器人原地带球的时候如果球不在中间，由于左右方向的压力Nl和Nr在水平方向的合力指向带球机构的中心使球向中心移动。当机器人将球左右移动，根据球速V可分解为Vx和Vy。由于Vx的存在，球有向中心移动的趋势。但此时Nr增大，Nl减小，因此阻止了球的滑动，由图可知，中心开槽越大，防止球滑落越好，但还是要受到车体大小的限制，不能无限的大。图 35 开槽带球机构3.5.2 击球机构踢球机构对于足球机器人的射门和传接球具有重要意义，也是比赛中最重要的机构，因此有多种可供选择的方案，如直线电机、汽缸、齿轮齿条、电磁铁、螺线管、翻板、丝杠等，同时还需要辅助的储能机构如弹簧、电容等，以及触发机构，比如位置开关、继电器等。通常选择最有机械效率机构，常用的有两种：齿轮齿条、螺线管。齿轮齿条机构是在带球滚轴的下方，存在一个推板与滚轴平行，推板的上缘略高于球的中心高度，推板的后边与一个可以移动的水平齿条垂直固定，齿条则与另外一个小直流电机轴上齿轮啮合，此电机的控制电路使电机在需要的时候突然正转击球，然后缩回。齿条的前后应各有限位卡口，以防止齿条冲出。螺线管是一种螺线形式的电磁铁，机械效率比较高，而且击球力度大，使用方便，所以被越来越多的队伍所使用。其基本实现方式如图 36 击球机构（a）所示，主体为一个推型螺线管和三角形的击球装置。图 35 开槽带球机构（b）显示了击球原理。由于摩擦力相对F可以忽略不计，因此满足J=Fl，其中J = 2mbR2 /5。此外加速度a = F/mb。因为滚轮滚动的时候球滚的很远，此时满足a = R，由此可以得到l = 2R/5。满足纯滚动的条件的击球高度为：l + R = 7R/5图 36 击球机构如果忽略撞击过程中的热量损失，出球速度v可由下式得到： 式 1其中Ws为电磁铁所做的功，mk和mb分别为击杆和球的质量。由以上分析可知道，影响击球的效果的主要原因有三个：电磁铁的性能、击杆和球的质量、击球方式。电磁铁的性能为主要因素。输出力量越大，行程越长，其输出的功就越大。根据能量守恒定律，击杆质量越小，则球获得的能量也就越大，因此射出去的速度就越快，但是当电磁铁输出力量过大，击杆容易变形。击球方式对球的速度也产生很大的影响。经过实验实际击球高度为球的一般高度稍微偏上，为理想选择。3.5.3 挑球机构翻板机构与带球滚轴使用同一根用轴承接合的复合轴，上边紧固一个翻板，一端与一个电机相连。踢球时打开电机，则翻板击中球，其弹出。之后关闭电机即可。这种方案可以将球撬起越过对方机器人而进入球门。第4章 足球机器人的电路系统分析与设计4.1 引言嵌入式系统有着非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括:工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、网络及电子商务、环境监测和机器人控制等方面。相对于其他的领域，机电产品可以说是嵌入式系统应用最典型、最广泛的领域之一。而机器人技术则是机电产品中，最具知识含量和技术水平的技术之一。它的发展从来就是与嵌入式系统的发展紧密联系在一起的，嵌入式技术的发展必定促进机器人智能化的水平。4.2 主芯片介绍及选择足球机器人小车底层控制系统的核心是微控制器，作为机器人控制器的核心部件，高性能的CPU是必需的，选择一个什么样的微控制器对于机器人小车的性能、控制系统的设计方式有很大的影响，应具体分析控制系统的特征和要求进行微控制器的选择，应以整个足球机器人系统的控制速度和机器人小车的智能化水平两个方面为立足点，以如下几个方面为依据来选择合适的微控制器：l 系统时钟速度l 运算速度l 功能l 兼容性l 通信方式及通信速率l 电机控制方式l 控制板的结构尺寸目前应用在机器人底层控制系统的微控制器主要有数字信号处理器DSP和8位，16位单片机两种类型，单片机主要使用8位，16位处理器，硬件技术比较成熟，软件编程相对简单。但数据处理能力不强，需要借助外加器件例如计数器，PID调节器或PWM产生器等，系统的稳定性不强，系统控制板的结构尺寸也会很大。DSP具有数据处理能力强、速度快等优点，且其体积较小，有利于电路板布局，但是DSP在中断处理、位处理或逻辑操作方面不如单片机，且其资料相对不多，芯片价格和相应的开发套件昂贵，专用性比较强，通用性比较弱，表 41几种处理器比较是几种处理器的比较 。与DSP具有同等性能的ARM微处理资源丰富，具有很好的通用性，以其高速度，高性能、低价格、低功耗，可以广泛的应用于各个领域。ARM本身是32位处理器，但是集成了16位的Thumb指令集，这使得ARM可以代替16位的处理器例如C51系列单片机使用，同时具有32位处理器的速度。ARM的嵌入式系统其优良的性能，良好的移植性，广泛应用与各个行业。可以说，用单片机和