（计算机应用技术专业论文）足球机器人运动控制系统研究与实现.pdf

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r o b o c u p 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c a n 总线进行通信的d s p 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p i d 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c o a c h 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r o b o c u p 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2 0 0 5 、2 0 0 7 年两度参加r o b o c u p 中国公开赛中型组的比赛，并两次 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；p l d 控制算法：状态检测 n 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t r - 0 b o ts o c c e rg 锄ei sah i 曲一t e c ho p p o s i t i o n a la 曲访够w h i c hd e v e l o p sr 砸d l yi n r e c 锄tv e a r s i ti s 也ec o m b i n a t i o no fm ep o p u l 2 u rs o c c e rg a m e 锄dl l i t e c h r 0 b o t s 0 c c e rm c l u d i n gm a n yr e s e a r c hf i e l d ss u c h 弱r o b o d c s ，血t e l l i g e n tc o n 订i d l ，澌r e l e s s c o m m 岫i c 撕o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ， m e c h a l l i c s ， 锄ds oo n w bd e s i 朗e dm e o m n i 出r e c t i o n a ln l o t i o nc h 嬲s i s ，m 嘶o nc o n t r o l 夥s t e m 觚d 、 ，i r e l e s sc o m m u i l i c 撕o n s y s t e m ，a n dr e s e a r c h e di n 也ef a u l td 戗e c t i o na l g o r i m mo f 血e r o b o t m a i nw o r ko fm em s s e n 撕o ni sa sf o l l o w s ： w br e s e a r c h e do nt h eh a r d w a r ep l a t f 0 咖o fs o c c e rr o b o t s ，d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e dm eo m n i d i r e c t i o n a lm o t i o nc h 髂s i s ，k i c k e r 锄db a l lr o l l e r t bs a t i s 匆t h e r e 2 l lt i m e ( 1 e m a n 也w ea d o p t e dm em o s tp o p i l l a ro m i l i m r e c d o n a lv i s i o ns ) r s t e m 锄d o m n i d i r e c t i o n a lm o t i o nc h a s s i s ，、h i c hi sc o m p o s e do ft l l r e eo 舳i d i r e c 石o n a lw h e e l s w h i c ha r ee a c h “v e nb yad cs e r v om o t 0r - i ts 撕s f i e st h ei l l t a c tm o t i o nc o n s 佩n t ， m a l ( e s 也er o b o tc a p a b l eo fm o 啊n gm o r ef r e e l y 锄da c c u r a t e l yt 0t h ed e s t 血a t i o n ，i n m ee ) 【p e c t e dp o s i t i o n 锄do r i e r l t 撕o nm 锄t h ed i 毹r e n t i a l “v e nr o b o t w bu s e d l e h i 曲v o l t a g ee l e c 呐m a 印舐cv a l v et 0 血v e t h ek i c k e rt ol 【i c k 吐l eb a l lo 伍硒c k e rc 锄 b er 印o s i t e db y 山es p 曲gc o l l i l e c t e dt 0i t w eu s e dt 、od cn 1 0 t o r sc o n 仃o l l e db ) r l e m f r a r e ds e n s o ra i l dt w os i d eb o a r d sf o rm eb a l lr 0 1 i e r ，m a l ( i n gi tt 0k e e pm eb a l lm o r e 6 h i d y u s i n gl a y e r e dc o n t r o ls t m c t u r e ，al a p t o p 嬲m eu p p e rl a y e r 觚d s pc h i p s 讹c h c o m m u i l i c a t et h r o u 曲c a nb u s 舾t l l e1 0 、v e rl a y e r ，t oc o n t r o lt 1 1 ed cs e r v om o t o r a 1 1 dk i c k er w bm a i n t a i n e da6 n i t e s t a t ea u t o m a 幻n ，u s i n gt h ei m a g ei n f o m a t i o nf r o m t l l ev i s i o ns y s t e ma n d l es p e e dr e t 啪e db yd s p a st h ei n p u t n 百v e sm en e ) 【ta c n o n ， c a l c u l a t e sm en e 妞e x p e c t e ds p e e d l r o u 曲t h es p e e dp l a i lm o d u l e 锄d s e n d si tt od s p w ea ( 1 0 p t e dt h ep i da l g o r i t l l mi nt h ec l o s e dc o n t r o lc i r c l et 0c o n t r o lt h es p e e do f l e m o t o rt 0i m p r o v et h em o t i o np r e c i s i o n w ed e s i g n e da 1 1 di m p l e m e n t e dt l l ec o a c h p r o 矿a r i l ，d l i c hn m si nal 印t o po u t s i d et h ef i e l d nt r a n s f e r s 血ec o m m 锄d sr e c e i v e d f r o mm er e f e r e eb o xt o 也er o b o t so ni t ss i d e ，m r o u 曲t h ew i r e l e s sn e t 、v o r k d e s i 朗锄di m p l e m e n to ft h ea u 向m 撕cf a u l td e t e c t i o ns ) r s t e i n ，w h i c hm a k e s t h e r o b o tc 印a b l eo f “f e e l i n g i t ss i t u 撕o n t h i si n f o m 嘶o nc 锄b eu s e db ) r t 1 1 e d e c i s i o n m a l ( i n gs y s t e mw bm s c u s s e dm ec o n t e n tc o v e r e d i nt h em id d l e s i z e ds o c c e r r o b o ts t a t ee s t i m 撕o nf i e l d r e s e a r c h e d l em e m o d su s e di ni n o t i o nc h a s s i s ss t a t e 山东大学硕士学位论文 e s t i m 撕o n ，a i l dp r o p o s e da na l g o r i m mu s e di m a g ei n f o 丌n a t i o n 锄dt 1 1 r e s h o l dc l 笛s i f i e r f - 0 rk i c k e r ss t a t ee s t i m a t i o n w eb u i l tu po u ro 啪s o c c e rr o b o tt e 锄f o rm e r 0 b o c u pm i 砌e - s i z e d l e a g u e c o n l p e t i t i o n w bp a n i c i p a t e di nr o b o c u pc h i n ao p e n2 0 0 5 锄d2 0 0 7 ，锄d9 0 tm e t h i r da w a r de a c h k e y w o r d s ：s o c c e rm b o t ； o m n i - d i 他c t i o n a lm o t i o nc h 嬲s i s ；l a y e r e dc o n t m i s t m c t i l 他；p c o n t m l 山g o i i t h m ；s t a t ee s t i m a t i o 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 l y? 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 山东大学硕士学位论文 1 1 机器人足球简介 第1 章绪论 r o b o c u p 是t h er o b o tw o r l dc u ps o c c e rg 锄e s 的简称，1 9 9 7 年正式成立， 总部设立在瑞士，现有成员国4 0 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( r o b o c u p ) 。r o b o c u p 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。1 9 9 6 年，r o b o c u p 国际联合会在日本成立，并于1 9 9 6 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，r o b o c u p 竞赛现分有仿真组比赛( s i 叫l a t i o nl e a g u e ) 、小型机器 人组比赛( s m a l l 一s i z el e a g u e ( f 一1 8 0 ) ) 、中型机器人组比赛( m i d d l e s i z e l e a g u e ( f 2 0 0 0 ) ) 、s o n y 四腿机器人比赛( s 0 n yl e g g e dr o b o tl e a g u e ) 、类人 机器人组、家庭组( r o b o c u p h o m e ) 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r o b o c u p 机器人足球世界杯赛的主要项目之一，自1 9 9 7 年第一届r o b o c u p 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( m a g e n t a ) 数标，另一方贴有蓝色数标( c y a n ) 【2 j 。中型组比 赛中机器人的尺寸要求是不超过o 5 m 木o 5 m 术o 8 m ，重量不超过7 5 k g 。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。 山东大学硕士学位论文 图卜1 中型机器人比赛场地图 r o b o c u p 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2 0 5 0 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( f i f a ) 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( r o b o c u p ) 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。r o b o c u p 的比赛水平直接反映了机器人与 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a g e n t 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r o b o c u p 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【3 1 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r o b o c u p 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 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c o a c h 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r o b o c u p 比赛是一项具有挑战性的课题。 1 3 国内外研究现状 r o b o c u p 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6 1 。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3 6 0 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c o a c h 程序之间的通信及场外c o a c h 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 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。 r o b o c u p 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d s p 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c o a c h 程 序、c o a c h 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r o b o c u p 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。 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 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 。b o c u p 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5 0 木5 0 木8 0 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 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。r o b o c u p 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 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r o b o c u p 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1 2 0 。) ，而是前面的两个轮子之间的夹 角为1 3 0 。，而他们各自与第三个轮子的夹角为1 1 5 。 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 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1 9 0 7 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jg r a b o 撕e c “于1 9 1 9 年在美国注册专利的。它就像现在 r o b o c 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1 9 7 3 年左右由瑞典发明家b e n 百o n 改进的”回【啊。 图2 - 6 n 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 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9 0 。( s 髓d i s h9 0 ) 和4 5 0 ( s w e d i s h4 5 ) 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1 8 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【1 6 】，其中主 轮和滚轮之间成9 0 。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：右图：卡内基梅隆的u r a i l u s 机器人，一个具有四个 带动力一瑞典4 5 。轮的全向机器人 图2 7 分割的瑞典轮 回时 国零 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m a x o n 电机公司生产的直流伺服电机，功率为7 0 w 。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6 0 0 0 r m i n ，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。 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。 1 4 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 1 00 5 年带球机构 山东大学硕士学位论文 图2 1 10 7 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。 0 7 年的比赛中，我们针对0 5 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0 5 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 1 0 所示，0 5 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0 7 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 1 1 。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0 5 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0 7 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d s p 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 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2 0 0 7 年r o b o c u p 中国公开赛比赛的测试，表现出了一定的 稳定性和优越性。 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c p u 控制，主c p u 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c p u 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 c p u 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d s p ，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、p i d 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d s p 2 4 0 7 控制板。因为数字信号处理器( d i g i t a ls i g l l a l p r o c e s s o r ，或d s p ) ，是专门用来处理数字信号的控制器。与单片机相比，d s p 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d s p 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2 4 0 7 d s p 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2 4 0 7 电路板来组成上位机。其中，一块称为主板， 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c a n 总线进行通信。上位机和下位机之间通过r s 2 3 2 接口与笔记本的 u s b 接口进行通信。 图3 1 运动控制系统设计示意图 3 1d s p 下位机程序的研究与实现 d s p 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p w m 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： a a a a ，+ b b b ，+ c c c ，d 下位机向上位机返回的反馈格式为： + a a a a ，+ b b b ，+ c c c 命令格式解析如下： 开始符； + a a a a 一自身坐标系中机器人的线速度大小； + b b b 自身坐标系中机器人的线速度方向( 0 3 5 9 ) ； + c c c 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 l f 2 4 0 7 的事件管理器( e v e n t - m a n a g e rm o d u l e ) 产生2 路频率为2 0 i ( h z 高分 辨率的p w m