（物理电子学专业论文）mirosot+3vs3机器人足球比赛小车控制与通信系统研究.pdf

摘要 机器人足球比赛是近年来迅速开展起来的高科技对抗活动，涉及机器人学、计 算机技术、数字通讯、图象处理、传感器数据融合和人工智能等多个领域，为多智 能提系统、自主机器人等理论研究以及各种相关学科的研究提供了良好的试验平 台，是理论密切联系实际极富生命力的成长点。 m i r o s o t 足球机器人系统包括视觉、决策、通信和机器人小车四个子系统。通 信子系统是决策子系统和机器人小车信息传递的桥梁，机器人小车是机器人足球系 统的执行机构，足球机器人能否实现决策意图取决于通信系统的性能和机器人小车 的性能。本文对m i r o s o t 机器人系统的无线通信和机器人小车子系统进行了深入研 究。 本论文搭建了一套完整的m i r o s o t3 v s 3 机器人足球比赛系统，该系统采用 d s p 5 4 1 6 作为主控芯片，同时采用基于n r f 9 0 5 的射频电路进行无线通信，采用 c p l d 实现逻辑控制、地址译码等功能。论文同时采用c 语言和汇编语言混合编程 模式完成了相关系统软件设计，包括系统主程序设计、f l a s h 编程与擦写程序设 计、d s p 内存定位程序设计、b o o t 程序设计、无线通讯模块控制子程序设计、电 机驱动程序设计等。论文还结合光电测速单元，实现了增量型数字p i d 算法控制。 实验表明，本论文设计的无线通信和机器人小车子系统基本达到m i r o s o t 机器人足 球比赛要求。 关键词：足球机器人；d s p ；无线通信；机器人子系统 硕士学饭论丈 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t r b o l e e 嚣c 雠l p e 耋i i o 鞋i sa 糙i 醇一r 吐积i v i 移m 蘸i sd e v e l o p 甜f 即i d l y 瓤辩c e 鞋l y e a r s r o b o ts o c c l 。rr e l a t e st om 锄yf i e l d ss u c ha sr o b o t i c s ， c o m p u t e r d a t a c o m m u n i c a t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n 黢s e n s o r 锄da r t i f i c i a li n t e l l i g 既c ee t c t h e r e f o r e ，i t p f o v i d e saf a v o r a b l ee x p e 诧n e n t a ln a t f o 瑚南rt 量l er e s e a f c ho nm 越t i a 嚣l n c 敦r o b o ta n d o 佼毂潮a t 甜鑫蠢d s 赫di ti s 蠢e l p 棚幻氇联s 曲i n i 薹l g 姒穗帮疆c t i c e 。 r o b o ts o c c e rs y s t e m i n c l u d e sf o u rs u b s y s t e m ：v i s u a l ，d c c i s i o n m a k i n g ， c o m m u n i c a t i o na 1 1 dr o b o ts u b s y s t e m 。c o m m u n i c a t i o ns u b s v s t e mi sab r i d g ef o r i n f o 联n a t i o n 讹n s f 爵b e t w e e nd e c i s i o n 。m a k i n gs t l b s v s t e ma n df o b o t ，a n d 辩b o ti st h e 霉8 y 嚣遮砖l y g f o 黼d h e l l c e ，w h e 凌e r 硒。童i s 西l e 幻鑫曲i e v e 氇ei n l e 蕊矗鳃o f d e c i s i o n m a k i n gs u b s ) ，s t a no fn o td e p e n d so nt h ec a p a b i l i t i e so fc o m m u n i c a t i o na n d r o b o t h lm i sd i s s e n a t i o n ，o nt h eb a c k g r o u n do fm i r o s o tc o m p e t i t i o n ，t r e a t i n gc e l l t r a l i z e d m i e r os o c c e rr o b o ta st 量l e 曲 e c t ，w et r yt od e s i 擘辫a ne 蠢i e c t i v e 棚蓝m n i e a t i o ns t l b s y s l a n a 魅da 蘸o x e 爰l 髓l 毫跄p l a y e 弧ep 纛撒a r yf e s e 8 黼纛i sa s 宓l l o w s ： t h er e q u e s t st oc o 姗眦i c a t i o ns u b s y s t c i i li sa i l a l y s e dd e 印l y ，ad e s i 辨s c h e m eo f 仃a n s i n i t t e ra i l dr e c c i v e rs 仃u c t l l r eb a s e do nt h ec o r ec o m p o n e n tnrf 9 0 5i sp u tf o n ) l ，莉；i n s o r w 越ed e s i g n ，as u i t a b l ec o n l m u n i c a t i o np r o t o li se s t a b l i s h e d ，也er e a l i z a t i o no f s o 爨w 勰霉p 硒g 藤ea 蕤纛霆o we h a 纛s 箍鬻：s h o w 莲。 l nt 1 1 el i 西to ft h er e q u i r e m e n tt or o b o t ，r o b o tm e c h a 们n i cs y s t e mi ss t u d i e d s y s t e m i c a l l y b a s e do ne n h a n c i n gt l l em o t i l i 够o fr o b o t ，m ed e s i g no fw h e e l s ，m ec h i c e s o fm o o r sa 芏l db a 谯e 搿a n da 薹l a l y s 甜a c c o r d i n 誊y ；也e 芏lm es 搬l 曲射- eo fr o b o lb o d yi s d e s i 翳舔；基豫l l y ，凌e 璁i o l s 毪b s y s l e 雉o f 砖的li sd i s e 瞒s 甜，壕ed e s i 黔s 饿l c 细潆b a s 醯 o nd s pi sp r o v i d e d ，a n dm er e a l i z a t i o no fs o & w a r ep r o g r a m e 嬲df l o wc h a r t sa r es h o w d m a k i n gu s eo fs p e c i a lt e s t i n gs o 胁a r et h a tw ed e v e l o p e db yo u r s e l v e s ，m e c a p a b i l 主t i e so fs y s 锄n ，i n c l u d i n gc o 燃n u 芏l i c a t i o ns y s t e ma n dr o b o ta r ec 枷耐o u t ，a n d 氇e 瓣鲻l i s 辩s e n t e d ：采斑es 勰e 娃糯e ，像ee 蠹| c c 耄o fd e s i g 拄i sd e 搬o n s 拓；醛e k e yw o r d s ：r o b o ts o c c e r ， d s p ，w i r e l e s sc o m m 砌c a t i o n ，r o b o ts y s t 锄 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过匏研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 髂张鹰弑 鑫期：沙缉厶多露 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并国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。本人授权华中师范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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学缀论文收录到中国学位论文全文数据库，并透 过网络向社会公众提供信息服务。 麓奉铃刍墨 作者签名：事纽火 毽期伊惫年参月多墨 导师签名：条卸 鹰期：洲年月主靖 本人已经认寞阕读“韪王s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人麓 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程中的 规定享受相关权益。圃童途塞握褒廑进卮i 旦坐笙i _ 旦二生；旦三生筮查。 嚣爱蛰6 日日期：卵踔6 月6 日 导师签名杰娜 日期：洲年月r 瓜 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第1 章绪论 1 1足球机器人的起源和发展 盘2 0 世纪6 0 年代人类研究了第一台机器入以来，机器人技术就显示坦强大的 生命力，在4 0 年的时闻墨，枫器入技术得到迅速发展。枫器入学是现代赫科技发 展的重要方向之一；机器人学的进步与应用是2 0 世纪自动控制最有说服力的成就 【i 】。从某种意义上讲，一个国家机器入技术水平的高低反映了这个国家综合技术实 力的离低。 圜内外专家学者一直在讨论到底什么是机器入。早在1 9 6 7 年，r 本召开国际 机器人学术会议，就有人提出了“机器人是一种具有移动性，个体性，锣能性，半 机械弗人性，自动性，作业性，通用性，信息性，柔性，有限特征的柔性机器这 一概念网。我国科学家认为：“机器入是一种岛动化机器，所不同的是机器具备一些 与人或生物相似的智能能力，具有高度的灵活性”。 足球机器人比赛的设想最初是由加拿大不列颠哥伦比溉大学教授a l a i l a c k w o 确在1 9 9 2 年的论文g 瞧s e e i n gr 曲跌中提出的【3 】。其譬的是遽过足球枫 器人比赛，为人工智能和智能机器入学科的发展提供一个极具实践性的平台。1 9 9 2 年1 0 月，在东京人工智能领域重大挑战研讨会上，经一些学者积极筹划，由s o n y 出资在瑞士注册成立了r - o b o c u p 联盟( t l l er o b o c u pf e d e r a t i o n ) ，其宗鼹是通过国 际社会的共同努力，利用真实机器入足球比赛，仿真比赛等手段加快机器入学及相 关科学技术的发展。1 9 9 7 年6 月，国际机器人足联( f i r a ) 成立，总部设在韩国 大田的韩国科学院( k a i s t ) 。从1 9 9 8 年开始，f i r a 每年组织一次机器人世界杯 足球赛( f l 蚣r w e ) ，与此同时还要举办这一领域的学术研讨会，相互竞争与学习， 使得参赛国家与代表队迅速增加。比赛项目也不断丰富。e l l 此，国际上许多著名的 研究机构和组织开始开展这一领域的研究，并付诸实践不断推动其发展。 足球机器人是人工智能和机器入学的一个前沿科研项豳，具有实践性强，探索 性强和综合性强的特点；是连接基础研究与实际应用的中介和桥梁，是震示信息鸯 动化前沿研究成功的窗口和促进产，学，研结合的新途径。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 2 国际机器人足球比赛的组织和类型 1 2 1 机器人足球世界杯比赛r o b o c u p 机器人足球世界杯比赛r o b o c u p 是由日本r o b o c u p 联盟主办的，其宗旨是通 过国际社会的共同努力，利用真实机器人足球比赛，仿真比赛等方式加快机器人学 及相关学科的发展，r o b o c u p 联盟下设科学委员会和国家委员会，前者又分设仿真 器研究发展小组和机器人世界杯挑战委员会；后者负责协调各国之问的关系。最初 的成员国有美国、法国、意大利、德国、荷兰、新加坡、同本等【4 1 。 1 9 9 6 年1 1 月4 同，大阪国际智能机器人技术和系统会议期间同时举办了一次 预备赛，美国、日本、欧洲的主要大学及研究机构的约4 0 支机器人球队和5 0 0 0 多 名观众参加了此次盛会。第一届正式的r o b o c u p 比赛于1 9 9 7 年8 月2 5 日在开本名 古屋与国际级别最高的人工智能学术会议i c j a i 9 7 ( 国际人工智能联合大会) 同时 举行；包括美、欧、日、澳的主要大学及研究机构的约4 0 支机器人足球队和5 0 0 0 多名观众参加了此次盛会。第2 届于1 9 9 8 年在巴黎举行，有8 0 支球队参赛，1 9 9 9 年7 月，第三届机器人足球世界杯赛在瑞典斯德哥尔摩举行，参赛队多达9 0 余支。 以后形成每年一次的比赛赛事，并形成追随各届世界杯足球同步、同地举办的格局。 r o b o c u p 既是人工智能研究交流的平台，又是一个优秀的综合教育项目。 r o b o c u p 既可以是多个高速运动( 超过l 觚) 机器人在动态环境下设计的任务，也 可以是从软件角度进行的仿真比赛。其主要赛事如下表1 1 所示。 表1 1r o b o c u p 主要赛事嘲 l ( s i m u l a t i o n l e a g u e ) 仿真组比赛； 2 ( s m a l l 一s i z el e a g u e ) 小型机器人组比赛； 3 ( m i d d l e s i z el e a g u e ) 中型机器人组比赛； 4 ( s o n yf o * l e g sr o b o tl e a g u e ) s o n y 有腿机器人比赛 5 ( h 啪a i l o i dl e a g u e ) 拟人机器人组比赛( 从2 0 0 2 年开始) ； 1 2 2 微型机器人足球世界杯锦标赛m i r o s o t 此项赛事是由国际机器人足球联合会f i r a 主办，1 9 9 5 年9 月韩国科学技术 研究院( k o r e aa d v a l l c e d1 1 1 s t i t u t eo fs c i e l l c ea n dt e c h n o l o 戥k a i s t ) 金钟焕教授发 起成立微型机器人足球世界杯锦标赛的国际组织委员会，1 9 9 6 年1 1 月在韩国大田 2 硕士学位论文 m a s t e 辩st h e s i s 举行了第一届比赛，共有7 个国家的2 3 支队伍参赛。1 9 9 7 年6 月5 日，国际机器 人足球联合会f i r a ( f e d e r a t i o no fi i l t e n l a t i o n a lr o b o t _ s o c c e ra s s o c i a t i o n ) 成立，总部设在 韩国大暖的韩国科学技术研究院( k a i s t ) ，3 0 余个国家的近百个学校与科研院所 是其成员单位，主要分布在亚洲、澳洲、北美和南美洲湖。f r 弧的主要比赛项目如 表1 2 所示。 表1 2m i r o s o t 主要赛事f 7 】 祝器入特征比赛场地 项目名称 尺寸c m数量尺寸c m赛球 n a r o s o t 超微型机器入足球 4 4 551 3 0 9 0 乒乓球 s m i r o s o t 单微溅机器人足球 7 5 7 5 7 5l1 3 0 9 0 高尔夫球 m l 爻o s 吼 微型视器人足球7 5 7 5 7 531 5 0 1 3 0离尔夫球 r o b o s o t小型机器人足球1 5 1 5 3 032 2 0 1 5 0曲棍球 h u r o s 拟人机器人足球1 5 4 0 ( 裔腿) f r i a 采用集中式系统结构，系统中只有一个决策机制，比赛过程中需要入的 部分参与；而r 0 b o c u p 主要采用分布式系统，各个队员具有自己独立的进程，负责 自身的信息感知、决策和动作执行，进程之闻不许进行直接的信息交换。机器入足 球世界杯的组织者决心让机器入足球赛与绿茵场上的世界杯足球赛相伴弼行。研究 机器人足球的长远图标是，到2 l 世纪中叶，建立一支完全自主的人形机器人足球 队在遵循国际足联证式规则的比赛中，战胜人类世界冠军队。 1 3 机器人足球国内外研究概况 1 3 。l 圜外研究状况 自九十年代以来，f i r a 和r o b o c u p 已组织了各种形式的机器人足球比赛， 机器人足球波及的范围越来越广，比赛的类型也在不断升级，从起初单纯的软件仿 真比赛和轮式机器人足球赛，到1 9 9 9 年冀本索尼公司便推盘了4 足机器入足球表 演；2 o 年澳大利贬人不仅击败了索尼4 足代表队，而且在赛场上还赉现了双足机 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 器人踢球表演，尤其是索尼公司的机器狗足球机器人和本田公司的p 3 类人足球机 器人令世人惊叹不已。比赛规模逐年扩大，比赛水平迅速提高，竞争同趋激烈，每 届比赛各队的战术水平都会有明显提高，都会出现新颖的软、硬件设计和巧妙的战 术配合。目前韩国和同本分别在f i r a 和r o b o c u p 足球机器人比赛中处于领先地位， 他们不仅参赛种类多，而且技术实力明显领先于其它国家。在r o b o c u p 已经举办的 六届比赛中，欧美的优势也在不断扩大，尤其是德国的参赛规模和竞赛成绩都处于 一流水平，而美国的竞赛成绩居于各国之首。 国际产业界也在积极关注和参与机器人足球的发展。日本的s o n y 公司是 r o b o c u p 国际组织的全球赞助商，到2 0 0 0 世界杯赛中，美国的s g i 公司和f 1 本的 f u j e r o x 公司都提供了赞助支持，其中s g i 公司还成为r o b o c u p 的第二家全 球赞助商。而f r i a 组织的主要赞助商是韩国的s u m s u n g 公司。机器人足球正以 一种高科技对抗性的形式取得学术界的认同。一些学术刊物都出版了机器人足球系 列专辑。一年一度的世界杯赛都同时召开学术会议，一些有影响的国际学术会议都 安排了这方面的专题讨论，有力推动了足球机器人的发展。 1 3 2 国内研究状况 我国的足球机器人事业起步比较晚，但是充分利用后发优势，发展迅速，有 些方面己经接近或者达到国际水平。在仿真比赛方面研究比较早，早期国内的参赛 队伍一般都是参加r o b o c u p 仿真组比赛研究内容主要集中在策略开发方面以及仿 真足球机器人方面。在r o b o c u p 比赛项目上，清华大学和中国科技大学代表了中国 的最高水平。中国科技大学是国内最早开展r o b o c u p 工作的单位，第一个闯入了世 界杯1 6 强。清华大学则后来居上，在2 0 0 1 的r o b o c u p 仿真组中一举夺得金牌，实 现了中国r o b o c u p 金牌零的突破，2 0 0 2 年又在日本摘桂，蝉联冠军，北京理工大 学获得该项目比赛的亚军；同时哈尔滨工业大学开发研制的m i r o s o t 软件仿真平台 在国内得到了很好的应用。可以说，我们国家在l b b o c u p 仿真比赛中己居世界前列。 但实体型足球机器人的研究工作起步较晚，与国外先进水平相比有较大差距， 只是近年来由于国家8 6 3 机器人专家组基金和国家自然科学基金委的支持，才逐步 开展了实体足球机器人的研究工作。在实体性足球机器人方面的研究基本上都属于 f i r a 系列，目前在f i r a 系列比赛中处于中等水平。最早着手开发的是东北大学， 他们自行开发了一套从软件到硬件的系统，填补了国内空白，并达到了国际先进水 平；1 9 9 9 年8 月东北大学n e ，n e u 队远赴巴西参加世界杯赛f r i a r w c 9 9 ，获得 m r i o s o t 第五名和标准动作第一名的好成绩，实现了机器人足球世界杯金牌零的突 4 硕士学位论炙 m a s t e r st h e s l s 破。2 0 0 0 年，f r l a 世界杯赛落户北京，国内机器入足球研究开始发展起来，越来 越多的高校和研究所开始重视弗组织研究足球机器人，目前具有代表性的有哈工 大、中国科技大学、东北大学、华中科技大学等。2 0 0 1 年，中国自动化学会机器人 竞赛工作委员会成立；2 0 0 2 年，中国的机器人足球队在韩国举办的f l 姒比赛中夺 得8 个项目的3 个冠军和两个距军；2 0 0 2 年5 月东北大学n 帆，n e u 在韩围举行的机 器人足球世界杯赛上取得了一项距军和两项季军的好成绩；同年1 0 月n 州，n e u 受 f r l a 总部指派参加在德匡举行的六强邀请赛并获褥了季军。2 2 年，中国机器人 竞赛在上海成功举办，有2 4 个队伍参加了f r l a 的角逐。2 0 0 2 年6 月2 5 嗣，第6 届r o b o c u p 在同本福冈落下帷幕，中国的3 支代表队战绩卓著，在有9 支代表队参 加的有腿机器人四腿组的焦逐中，中国科大“蓝鹰”队通过对4 条索尼a b l o 狗的 精心训练，杀入了翻腿组艮赛的八强并获得第5 名。 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。 随着足球机器人系统的推广，已经有越来越多的高校和研究所开始组织研究足球机 器入，必将有力地摊动中国的机器入足球事业的发展。 1 4 论文主要工作 罄翦足球橇器人涉及的主要研究领域有：小车机械，机电一体他，数据融 合，嵌入式系统硬件设计，嵌入式系统软件开发，实时数字信号处理，图象处理与 模式识别，多智能体协调，无线通讯等等。不难看出，需要创新的内容非常多，所 涉及的学科领域也非常广泛，不仅仅要求在这些领域内要取得较高的突破，还要求 在相关学科之间交叉融合的能力。 本论文主要工作是针对o s o t 足球机器人比赛系统中通信子系统和机器人 小车子系统进行研究。论文主要内容安排如下： 第一章，绪论：介缨足球机器人麴起源和发展历程、国际性的院赛组织和 规则，以及当前国内外研究现状。 第二章，微型足球机器人系统结构：介绍m i r o s o t 集控式微型足球机器人的 结构积运行原理，以及系统各部分功能和性能要求。 第三章，无线通信子系统设计：根据足球机器人通信子系统的设计要求， 选择无线通信模块和微控制器并确定硬件结构的设计方案，完成通信子系统的软件 设计。 第图章，机器入小车系统硬件设计：搬据对机器入小车的设计要求，对机 电系统进行设计，包括移动机构的设计、电机和电源的选择，给出机器人车体的整 体结构设计方案；并重点对小车控制系统的设计展开讨论，制定了基于d s p 的小车 控制系统硬件设计方案。 第五章，小车控制系统软件设计：根据电机的d s p 控制技术提出p i d 算法， 完成系统控制软件设计。 第六章，调试与结论：调试系统，调整相关参数，优化设计效果并提出改 进策略。 6 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 第2 章微型足球机器人系统结构 本章简要介绍机器人足球系统的分类、m i r o s o t 机器人足球比赛的结构、集控 式微型足球机器人系统的组成、运行原理，以及各个子系统的结构、功能和设计要 求。 2 1足球机器人系统的分类 足球机器人系统是机器人研究的一个分支，属于可行走智能机器人系统。目前 研究的方向包括集中控制式足球机器人系统和分布控制式足球机器人系统，涉及运 动分析、自动控制、人工智能、计算机视觉及其他传感器融合、无线数字通信等学 科领域。 构造机器人足球系统有多种方法，在c p u 、执行机构、传感器等系统硬件结 构以及系统软件上如控制算法、策略等方面都不尽相同。根据足球机器人系统的工 作模式，即决策部分在整个系统中的作用位置，可将足球机器人系统分为三类降j l 基于视觉的集中控制式机器人足球系统 简称“集控式足球机器人系统”，又称“基于视觉的遥控无智能足球机器人系 统”。在这种系统中，安装在球场上方的摄相头摄取赛场上的信息，送至主机进行 图象分析与识别。由充当教练员的主机决策软件统一决策，形成机器人的控制命令， 然后通过无线的方式发送给机器人，每个足球机器人只要根据主机发送来的运动指 令完成相应的动作即可，类似于遥控小车。一般来说，每个机器人具有驱动模块， 通信模块和c p u 控制板，它能根据主机发送来的指令控制其运动方向和速度。这 种模式的系统突出了计算机视觉与机电一体化的问题，它是向实物机器人比赛迈出 的第一步。此类集控式系统包括f r 认微机器人赛( m i r o s o t ) 、超微机器人赛 ( n a r o s o t ) 和r o b o c u p 的小型机器人赛( f 1 8 0 ) 等。 2 基于视觉的半自主式足球机器人系统 又称“基于视觉的有智能足球机器人系统 。在这种系统中，机器人除了具有 速度控制、位置控制等功能以外，自身还安装有外部传感器如红外线传感器等，每 个足球机器人可根据传感器信息自动进行避障运动规划，而不必由上位机决策系统 实现，即具备自主避障功能。在这种系统中，主机通过视觉数据进行决策处理，然 后发出命令给机器人，机器人根据命令做出相应的反应，并自行实现避障功能。在 r 0 b o c u p 的小型机器人赛( f 1 8 0 ) 常有采用这种模式。 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 3 全自主式机器人足球系统 又称“基于机器人的足球机器人系统 。在这种系统中，每个机器人通过自身 的传感器获取毖赛信息并做出运动与合作觏划，所有的计算包括视觉处理及策略决 策等都由机器入自身来完成。由于是分别感知，摄像头置于机器人小车之上，视场 变动，视野局限，信息不完整，给决策带来更多的困难。所以感知器官便不仅局限 于视觉，还常辅以红外和声纳等，进行距离和障碍检测。这样信息( 传感器、数据) 融合成为首当萁冲的技术难题。机器入闽的信息沟通剃要靠无线通信网络。网络形 式与通信协议也成为制约系统性能的关键技术。r o b o c 印的中型机器入赛( f 2 0 0 0 ) 属于此类系统。 以上三种模式的系统，麸智能性的燕度讲，第一、二、三魏模式呈递增趋势， 从控制方式来看，第三种模式属于分布式控制，第一、二种褐子集中控制在分布式 控制中，机器人上需要配备各种传感器、高级计算机和通信系统，对各种技术的要 求都很高，开发难度大。而在集中控制方式下，每个机器人的行动完全由中央控制 器控制，相对来说，对每个微型机器入要求不离，只要执行命令即可，橇器入的结 构相对比较简单，设计与实现更为容易一些。本文研究的m i r o s o t 三对三机器入足 球比赛系统便属于第一种模式，即集中控制式足球机器人系统。 2 2m i r o s o 专机器人足球比赛系统简介 根据比赛规则，如图2 1 所示，微型机器人世界杯足球锦标赛m i r 0 s o t 的赛场 尺寸为1 5 0 1 3 觚2 ，中闻是一块的本期毙赛场地，在场地上划有自色的中线、孛 圈、禁区和门区等。两队参赛，每队各有一台主机，每队由三个边长不超过7 5 厘 米的机器人小车组成。比赛用球是一个橘红色的乒乓球。比赛中，双方队员的任务 就是把球踢进对方的大门。比赛规则与一般足球比赛相似，也有点球、任意球和门 球等。比赛分为上下两个半场，函电池容量有限，每半场为5 分钟，中场体息l o 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。 由于球场四周有围墙，所以没有界外球，而在相持1 0 秒钟后判争球。在整个比赛 中没有人的参与，完全是计算机指挥机器人巍主的比赛。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 图2 1m i r o s o t 机器人足球比赛场地全视图 2 3 集控式机器人足球系统结构及工作原理 集控式足球机器人系统在硬件设备方面包括机器人小车、摄像装置、计算机主 机无线发射装置【9 1 。从功能上分包括视觉、决策、通信和机器人小车4 个子系统。 从自动控制理论角度来看，这四个子系统构成了一个大的闭环控制系统。各个子系 统之间的关系与相互间传递的数据信息如图2 2 所示。 槐觉子系统 i 图像捕获l i 篦像处理l i ( 摄像头) i i 图像辨讽l 足球机器人 方位数据 决麓予系统 机藉人控 锚命令 迓馋予鬟绕 圜圜 竺兰竺墨_ j 比赛场地l 繁萋拿箧篙兰亳箸墓耀 | i 系统雨霸蒯 图2 2 集控式机器人足球控制系统结构框图 在比赛过程中，系统通过视觉子系统对整个比赛现场进行监控，由摄像头把 场上的情况包括双方机器人小车的位置和方向、球的位置采集进来，经图像采集卡 进行处理，转化成数据，由主计算机对这些数据进行识别和处理。决策子系统根据 这些数据做出判断与决策，指挥本方足球机器人进行比赛，最直到比赛停止或比赛 时间到为止。 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 2 3 1 视觉子系统 视觉子系统是机器人的眼睛，是机器人足球系统的信号检测机构，由悬挂在比 赛场地上方2 米处的摄像头、装在主机内的图像采集卡和相关图像处理软件组成。 视觉子系统要完成的任务是：在动态的环境中，对场上机器人和球进行识别，对球 进行跟踪预测，并将场上运动实体的位置数据，提供给主机，供主机上的决策子系 统进行分析。视觉子系统流程如图2 3 所示。 图2 3 视觉子系统流程图 由于视觉系统所提供的数据是用来供决策系统进行决策分析以及发出指令 的，而场上情形多变，小车运动速度很高，视觉系统获取和处理数据的速度直接影 响发出指令的速度，进而影响场上机器人小车运动的灵活性和准确性。因此，视觉 系统的实时性是决定整个系统实时性的重要因素。 视觉系统需具备一定的适应性和抗干扰性。对于比赛现场的理想要求是比赛 现场光线充足，机器人小车和球的颜色、形状特征明晰，比赛场地和各物体颜色饱 和度高。而实际上赛场的环境很容易受到各种因素的干扰而难于达到理想状况，而 且比赛时的现场环境与调试环境也不尽相同，系统必须要具备快速仞始化能力以适 应比赛需要，这就要求视觉系统要有一定的稳定性和适应性。 系统识别精度的高低和速度的快慢是衡量视觉子系统性能的两项主要指标， 直接影响到整个系统的性能和比赛结果。应尽可能在节约成本的基础上选择高性能 的摄像头和图像采集卡等硬件资源，重点研制开发识别处理速度快、效果好的图像 处理软件。 2 3 2 决策子系统 决策子系统是足球机器人比赛的核心子系统，它以视觉系统返回的图像数据 为依据，根据现场的情况，如当前得分、控球方、对手的水平等因素，安排相应策 略，决定是进攻还是防守，确定机器人队形和角色分配，然后从策略库调用策略， 规划机器人的任务，决定各机器人的运动轨迹，并将其转化为路径形式( 参数化) ， 从动作函数库中调用相应的动作函数，然后形成各机器人小车左右轮轮速的控制命 令，最后通过通信子系统发送给赛场上的足球机器人。决策子系统流程如图2 4 所 示。 l o 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 图2 4 决策子系统流程图 决策子系统的载体是一台计算机，其决策由计算机内运行的决策程序实现。 策略应根据比赛规则和经验来进行提取，并存在策略库中。策略库中应有一个学习 智能体，用于对指令的执行效果做出评估，对策略库做必要的修改以不断丰富策略。 策略库越丰富和完善，取胜的可能性越大。 机器人应具备一定的自适应、自学习及察觉周围环境变化的能力，这种能力 要由决策控制子系统来实现，因此决策子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。人类在球场上信息的处理通常是在模糊概念上，如：远近、 快慢、有利、无利等，用自然语言推理、决断。而作为机器人足球系统核心部分的 决策子系统面对的是精确的数据和刻板的程序语言，如何将教练员的决策思维过程 形式化、规范化，并用计算机程序表现出来，这属于人工智能的范畴，是一个崭新 的前沿领域，是决策子系统的难点所在【l9 1 。决策子系统上接视觉系统，下接通信系 统，是整个智能的中心枢纽。决策子系统涉及智能控制与人工智能中包含的多方面 的知识，诸如多智能体系统、专家系统、模糊理论与人工网络、决策对策与博弈理 论、轨迹规划与智能算法、自组织与自学习理论等。 2 3 3 通信子系统 通信子系统是联系主机与机器人的桥梁与纽带，主要负责主机和足球机器人之 间信息的传递。根据比赛规则，要求系统采用无线通信。通信子系统流程图如图2 5 所示。 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s l s 图2 。5 通信子系统流程图 透信系统分为发射系统和车载接收系统两部分，发射装置与主机相连，接收 装置安装在足球机器人上。来自主机决策系统的控制指令通过计算机送至通信发射 模块，经过调制后发射出去，机器人的通信接收模块接收命令并解调后传送给车载 微处理器进一步处理，以决定机器入的动作和行为。 足球机器入比赛系统是一个快速实时系统，数据传输的快慢将影响机器人接 收命令，进而影响整个系统的快速性和比赛结果，因此要求通信子系统有较高的通 信速率，一般要求数据传输波特率在4 。8 k b p s 以上【l o 】。 信号以无线电波的方式传输时比较容易受到外界信号如各种噪声以及近频带 信号的干扰而产生误差。同时由于机器人上的接收机与机器人的控制电路安排在一 起，还装有驱动电路和电机，电磁环境恶劣，也容易受到干扰而产生误差。如果在 通信过程有误差，它将导致机器入错误麴动像，所以要求通信系统具有较篱的抗干 扰篾力和可靠性。无线通信子系统是机器入足球闭环控制系统的一个重要组成部 分，其通信性能的好坏，将严重影响机器人的运动和比赛的顺利进行。为了提高通 信质量和通信效率应精心设计通信系统，重点是通信芯片的选择和通信协议的制 定。 2 3 4 机器人小车予系统 足球机器入的形式为机器人小车，辊器入小车是系统的执行机构，其任务是准 确接收来自上位机的运动指令，并根据指令的要求迅速、准确地完成决策子系统所 要求的动作【l l 】。机器人小车在场中的表现直接体现了整个系统的好坏。 机器人小车由车体、动力驱动装置、通信接收器、c u p 板和能源系统组成。概 括地说，机器入小车瘦具备三大功能：指令接收能力、调速与方向控制功能、速度 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 检测功能i l 引。 根据比赛规则，机器人小车的尺寸比较小，而小车上要安装各种装置，所以要 求机器人小车上的各功能模块尽可能小型化和集成化，同时由于在比赛过程中会不 可避免地发生激烈的碰撞，因此要求车体结构强度好，重量和转动惯量小引。 驱动机构决定了机器人小车的运动能力。为了满足比赛的要求，机器人小车的 运动性能尤为重要，应具有高度的机动性和灵活性，能快速实现前进、后退、转弯、 停车等基本动作。目前国内各单位设计和使用的机器人小车普遍采用电机通过减速 器驱动车轮运动的方式。选择合适的电动机及其减速机构、驱动方式和驱动芯片， 设计合理的驱动电路是很重要的因素。 由于受到机器人尺寸的限制，选择一个运算速度、功能、尺寸、能量消耗合适 的c p u 也是很重要的。车载微处理器的主要任务是：处理由通信模块送来的信息， 将其翻译成命令字；接收编码器发送来的计数脉冲，并处理得出当前速度；调用相 应( 如p i d ) 算法，通过驱动器驱动电机旋转，从而控制小车运动。 能源系统对直流电机提供驱动电流以及向整个机器人小车系统提供逻辑电压。 必须存储足够的能量，并保持电压的稳定，至少保证半场比赛的小车供电需求。 由于比赛环境复杂，存在各方面的干扰，如电机的电火花对无线接收部分及车 载c p u 的干扰，强烈碰撞造成的电缆插件及机械零件的松动等，不仅对机器人的 结构，而且对控制系统的设计都提出了严格的要求。具体来说，机器人的设计制作 应满足以下功能和要求1 1 4 j ： 1 、几何尺寸：根据m i r o s o t 比赛规定，机器人尺寸应不大于7 5 7 5 7 5 c i l l 3 ，因此机器人车体包括各个功能模块应尽可能小型化，各功能元件尽可能用专 用芯片。 2 、运动性能：为适应激烈对抗的比赛环境，足球机器人应具备高度的机动性和 灵活性，速度快、反应快，动作平稳，控制灵活，应尽可能做到前进后退直线性好， 转弯半径尽量小，重心要低，急停或碰撞中不能翻车；一般说来，空载速度( 非带球 状态) 的线速度应大于5 0 c 州s ，转弯半径应接近于零。 3 、基本功能要求：足球机器人应能迅速准确接收上位机的指令并完成主机安排 的战术动作如射门、带球、拦截、阻挡等。 4 、高可靠性和安全性：足球机器人的工作环境比较恶劣，有来自多方面的干扰， 如电机启动制动的电火花对无线通信和车载单片机的干扰，猛烈的对抗、碰撞等产 生的干扰，这些干扰以及比赛中常常出现的顶牛现象( 电机堵转) 对机器人的结构以 及控制系统的设计( 包括硬件线路和软件程序设计) 都提出了更加严格的要求，应具 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 有较高的可靠性，在强干扰下不死机、不失控。 5 、操作与可维护性：对于一个装置而言，操作与可维护性非常重要。在硬件结 构的设计上要考虑便于安装拆卸，便于调试和检测维修；在软件设计中要考虑采用 模块化结构设计以便于调试、纠错和升级：电源应尽量使用可充电电池以便于及时补 充能量。 6 、经济性：在经济成本上要适当，良好的性能价格比应始终是系统开发设计中 考虑的重要因素。在保证系统性能的前提下尽量采用通用器件，尽量通过软件或结 构调整来提高系统性能，尽可能降低其制作成本。 7 、节能性：由于车体内各功能模块都是以车载能源驱动，所以应尽可能选择高 效、通用的能源为宜。一般选择可充电电池驱动。同时各功能模块尽可能采用低功 耗设计。 1 4 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s l s 第3 章足球机器人通信子系统设计 3 1 无线通信子系统关键器件选型 在进行通信子系统的硬件设计之前，我们首先要进行关键器件的选型，以下分 别从无线通信模块和微控制器的选型来展开讨论。 3 1 1 无线通信模块选型 无线通信模块的选择直接决定了无线通信系统的性能。目前国内有几十家单位 参加了机器人足球比赛系统的研究，大部分单位都采用英国r a d i o m “x 公司生产 的b i m 模块作为机器人小车的无线收发器。型号为b i m 4 1 8 f 和b i m 一4 3 3 f ，载波 频段为4 1 8 m h z 和4 3 3 m h z ，虽然通信效果好，但通信速率不高( 最大速率为 4 0 k b p s ) ，且价格昂贵；此外体积较大( 约3 3 舢2 3 舳1 0 姗；占机器人小车体积 的2 5 ) ；针对上述b i m 模块的缺点，我们采用挪威的n o r d i c 公司的n r f 9 0 5 射频芯 片来实现机器人足球系统的无线数据传输。 n r f 9 0 5 是挪威n o r d i c 公司推出的一款单片4 3 0 m h z 8 6 8 m h z 9 15 m h z 无线收 发一体芯片，芯片内置频率合成器，功率放大器，晶体振荡器和调制器等模块；工 作于4 3 0 9 2 7 m h z 的i s m 自由频段。n r f 9 0 5 支持多点间通信，最高传输速率可达 1 0 0 k b p s 。n r f 9 0 5 芯片采用5 n 珊5 m 的3 2 脚q f n 封装，基于s o c 方式设计，只 需少量的外围元件便可组成射频收发电路。 n r f 9 0 5 主要特性以及工作模式介绍如下： l 、n r f 9 0 5 主要特性【1 5 】 ( 1 ) 采用全球开放的i s m 频段，有1 1 个频道，可满足多频及跳频需要。 ( 2 )具有高数据吞吐量，发射功率和工作频率等工作参数可编程设置。 ( 3 )电源电压范围为1 9 v 3 6 v ，功耗低，以一1 0 d b 的功率发射时，工作电 流只有1 0 5 m a ，接收时只有1 8 l l a 。 ( 4 )每个芯片可通过软件设置最多4 0 b i t 的地址，而且只有收到与本机地址 相同的数据才被接收。 ( 5 )内置c r c 纠检错硬件电路和协议。 ( 6 )掉电，待机，接收，发送四种工作模式可任意切换，以满足工作需要。 2 、i 心9 0 5 工作模式 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s l s n r f 9 0 5 一共有四种工作模式，其中有两种活动r ) ( t x 模式和两种节电模 式。n r f 9 0 5 工作模式由t 娜e ，p w r ：1 7 p ，t 删的设置米设定。如表3 1 所示。 表3 1n r f 9 0 5 四种工作模式设置 p w r 。u pt r x - c e t xe n 1 ：作模式 oxx掉电和s p i 编程 l0 x s t a n d b y 和s p i 编程 1los h o c k b u r s tr x llls h o c k b u r s tt x 掉电和s p i 编程模式 掉电模式也即关机模式，在这种模式