[硕士论文精品]足球机器人运动控制系统研究与实现

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ROBOCUP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CAN总线进行通信的DSP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PID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COACH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ROBOCUP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2005、2007年两度参加ROBOCUP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；PLD控制算法状态检测N山东大学硕士学位论文ABSTRACTR0BOTSOCCERG锄EISAHI曲一TECHOPPOSITIONALA曲访够WHICHDEVELOPSR砸DLYINREC锄TVEARSITIS也ECOMBINATIONOFMEPOPUL2URSOCCERGAME锄DLLITECHR0BOTS0CCERMCLUDINGMANYRESEARCHFIELDSSUCH弱ROBODCS，血TELLIGENTCON订IDL，澌RELESSCOMM岫IC撕ON，IMAGEPROCESSING，MECHALLICS，锄DSOONWBDESI朗EDMEOMNI出RECTIONALNLOTIONCH嬲SIS，M嘶ONCONTROL夥STEM觚D、，IRELESSCOMMUILIC撕ONSYSTEM，ANDRESEARCHEDIN也EFAULTD戗ECTIONALGORIMMOF血EROBOTMAINWORKOFMEMSSEN撕ONISASFOLLOWSWBRESEARCHEDONTHEHARDWAREPLATF0咖OFSOCCERROBOTS，DESIGNEDANDIMPLEMENTEDMEOMNIDIRECTIONALMOTIONCH髂SIS，KICKER锄DBALLROLLERTBSATIS匆THERE2LLTIME1EMAN也WEADOPTEDMEMOSTPOPILLAROMILIMRECDONALVISIONSRSTEM锄DOMNIDIRECTIONALMOTIONCHASSIS，、HICHISCOMPOSEDOFTLLREEO舳IDIREC石ONALWHEELSWHICHAREEACH“VENBYADCSERVOMOT0RITS撕SFIESTHEILLTACTMOTIONCONS佩NT，MALES也EROBOTCAPABLEOFMO啊NGMOREFREELY锄DACCURATELYT0THEDEST血ATION，INMEE【PECTEDPOSITION锄DORIERLT撕ONM锄THEDI毹RENTIAL“VENROBOTWBUSEDLEHI曲VOLTAGEELEC呐MA印舐CVALVET0血VETHEKICKERTOL【ICK吐LEBALLO伍硒CKERC锄BER印OSITEDBY山ESP曲GCOLLILECTEDT0ITWEUSEDT、ODCN10TORSCON仃OLLEDBRLEMFRAREDSENSORAILDTWOSIDEBOARDSFORMEBALLR01IER，MALINGITT0KEEPMEBALLMORE6HIDYUSINGLAYEREDCONTROLSTMCTURE，ALAPTOP嬲MEUPPERLAYER觚DSPCHIPS讹CHCOMMUILICATETHROU曲CANBUS舾TLLE10、VERLAYER，TOCONTROLT11EDCSERVOMOTORA11DKICKERWBMAINTAINEDA6NITESTATEAUTOMA幻N，USINGTHEIMAGEINFOMATIONFROMTLLEVISIONSYSTEMANDLESPEEDRET啪EDBYDSPASTHEINPUTN百VESMENE【TACNON，CALCULATESMENE妞EXPECTEDSPEEDLROU曲THESPEEDPLAILMODULE锄DSENDSITTODSPWEA10PTEDTHEPIDALGORITLLMINTHECLOSEDCONTROLCIRCLET0CONTROLTHESPEEDOFLEMOTORT0IMPROVETHEMOTIONPRECISIONWEDESIGNEDA11DIMPLEMENTEDTLLECOACHPRO矿ARIL，DLICHNMSINAL印TOPOUTSIDETHEFIELDNTRANSFERS血ECOMM锄DSRECEIVEDFROMMEREFEREEBOXTO也EROBOTSONITSSIDE，MROU曲THEWIRELESSNET、VORKDESI朗锄DIMPLEMENTOFTHEAU向M撕CFAULTDETECTIONSRSTEIN，WHICHMAKESTHEROBOTC印ABLEOF“FEELINGITSSITU撕ONTHISINFOM嘶ONC锄BEUSEDBRT11EDECISIONMALINGSYSTEMWBMSCUSSEDMECONTENTCOVEREDINTHEMIDDLESIZEDSOCCERROBOTSTATEESTIM撕ONFIELDRESEARCHEDLEMEMODSUSEDININOTIONCHASSISSSTATE山东大学硕士学位论文ESTIM撕ON，AILDPROPOSEDANALGORIMMUSEDIMAGEINFO丌NATION锄DT11RESHOLDCL笛SIFIERF0RKICKERSSTATEESTIMATIONWEBUILTUPOURO啪SOCCERROBOTTE锄FORMER0BOCUPMI砌ESIZEDLEAGUECONLPETITIONWBPANICIPATEDINROBOCUPCHINAOPEN2005锄D2007，锄D90TMETHIRDAWARDEACHKEYWORDSSOCCERMBOT；OMNIDI他CTIONALMOTIONCH嬲SIS；LAYEREDCONTMISTMCTIL他；PCONTML山GOIITHM；STATEESTIMATION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LY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11机器人足球简介第1章绪论ROBOCUP是THEROBOTWORLDCUPSOCCERG锄ES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。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SI叫LATIONLEAGUE、小型机器人组比赛SMALL一SIZELEAGUEF一180、中型机器人组比赛MIDDLESIZELEAGUEF2000、SONY四腿机器人比赛S0NYLEGGEDROBOTLEAGUE、类人机器人组、家庭组ROBOCUPHOME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MAGENTA数标，另一方贴有蓝色数标CYAN【2J。中型组比赛中机器人的尺寸要求是不超过O5M木O5M术O8M，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。山东大学硕士学位论文图卜1中型机器人比赛场地图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。12课题研究的背景和意义机器人足球世界杯ROBOCUP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。ROBOCUP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AGENT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ROBOCUP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【31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ROBOCUP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COACH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ROBOCUP比赛是一项具有挑战性的课题。13国内外研究现状ROBOCUP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61。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360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COACH程序之间的通信及场外COACH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。ROBOCUP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。14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DSP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COACH程序、COACH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ROBOCUP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。BOCUP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50木50木80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21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21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。21三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。ROBOCUP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27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22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ROBOCUP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28所示，我校足球机器人的具体结构设计如图29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23全向轮结构图24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120。，而是前面的两个轮子之间的夹角为130。，而他们各自与第三个轮子的夹角为115。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25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211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1907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。2111瑞典轮最初的全向轮是由JGRABO撕EC“于1919年在美国注册专利的。它就像现在ROBOC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1973年左右由瑞典发明家BEN百ON改进的”回【啊。图26N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90。S髓DISH90和450SWEDISH45两种。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27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18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【16】，其中主轮和滚轮之间成90。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26左图瑞典轮右图卡内基梅隆的URAILUS机器人，一个具有四个带动力一瑞典45。轮的全向机器人图27分割的瑞典轮回时国零山东大学硕士学位论文212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MAXON电机公司生产的直流伺服电机，功率为70W。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。213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6000RMIN，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214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。14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21005年带球机构山东大学硕士学位论文图21107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。07年的比赛中，我们针对05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05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210所示，05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07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211。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05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07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DSP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。24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2007年ROBOCUP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CPU控制，主CPU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CPU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CPU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DSP，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、PID速度控制、梯形控制、位移控制等运动计算。图31给出了这种结构的示意图。我们选择德州仪器的DSP2407控制板。因为数字信号处理器DIGITALSIGLLALPROCESSOR，或DSP，是专门用来处理数字信号的控制器。与单片机相比，DSP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DSP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2407DSP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2407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CAN总线进行通信。上位机和下位机之间通过RS232接口与笔记本的USB接口进行通信。图31运动控制系统设计示意图31DSP下位机程序的研究与实现DSP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PWM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。311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AAAA，BBB，CCC，D下位机向上位机返回的反馈格式为AAAA，BBB，CCC命令格式解析如下开始符；AAAA一自身坐标系中机器人的线速度大小；BBB自身坐标系中机器人的线速度方向0359；CCC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；312速度检测LF2407的事件管理器EVENTMANAGERMODULE产生2路频率为20IHZ高分辨率的PWM信号控制两个电机的速度，2个计数器进行电机转速的测量，串行通信接口SCI可以解释接收的速度指令信息。编码器发出的两路正交脉冲通过直接送入DSP的QEP单元，并进行可逆计数，同时获得电机的转速和方向。313PID速度控制模块运动控制系统按照有没有反馈单元，可以分为开环控制和闭环控制两种。反馈把关于控制结果的信息回传给控制中心，使得控制中心能够依据反馈回来的信息对过去的控制行为进行评估，从而改变或改进控制行为。反馈有两种基本的方式负反馈和正反馈。负反馈倾向于使系统稳定，正反馈倾向于使系统不稳定。因此在控制中我们需要负反馈。闭环控制比开环控制有更优的控制性能。这两种类型的伺服驱动系统的基本山东大学硕士学位论文组成不完全相同。但不管是哪种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为驱动执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。开环运动控制系统由驱动控制单元和执行元件组成。这里的执行元件为直流电机。执行元件对系统的特性具有重要影响。闭环运动控制系统由执行元件、驱动控制单元，以及反馈检测单元、比较控制环节组成。反馈检测单元将工作台的实际位置检测后反馈给比较控制环节，比较控制环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为运动控制系统的跟随误差经驱动控制单元，驱动和控制执行元件带动电动机运动。各种具体的闭环控制系统的组成可能有很多差异，但从基本结构上看，闭环控制系统主要由控制律、功率变换器、受控对象、反馈装置组成。如图32所示指令能源上扰动L。八J1JIL11，门控制律广功率变换器L二J7I对冢ILLLLL反馈L反馈传感器卜L。L一I控制器受控机械图32一般闭环控制系统可以看到，图中反馈信息的箭头末端是“一”号，正与我们上面提到的使用负反馈一致。本系统为保证速度的正确性，使用了经典的PID控制算法，也就是“比例PROPORTIONAL积分INTEGRAL微分DERIVATIVE”控制算法。PID控制具有结构简单，应用方便等优点。对于较简单的被控对象，应用PID控制算法能够获得很好的控制效果，并且构成的控制系统具有较好的鲁棒性，是现今应用最广泛的控制方法。为减少计算量，本文中采用增量式PID算法。其公式为“七一“七一1尺。【P七一P七一1】K尸七KD【E七一2E七一1P七一2】山东大学硕士学位论文其中，KP为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数。EK为K时刻现实与期望之间的差值，也就是误差值。UK为K时刻的控制量。PID控制具有明确的物理意义，便于理解。比例P控制的物理涵义误差量越大，需要的控制量越大。微分D控制的物理涵义误差量的变化率越大，意味着误差量正在向扩大的方向迅速变化，因而需要大的控制量，以抑制误差量的迅速增长。微分控制是一种具有预见性的控制机制。积分I控制的物理涵义误差的累积量越大，需要的控制量越大。仅仅依靠比例控制和微分控制，系统可能会存在静态误差。假如积分控制后，静态误差的存在会随时间而积累，由此产生的积分控制量则倾向于消除静态误差。但为了保证控制系统的实时性，这里只使用了PI控制。PI控制器是工业中最流行的一种。比例项提供稳定性与高频响应，积分项确保平均误差趋向于0。P工控制的优点是只有两个增益需要调试，没有稳态误差，响应速度快。主要的缺点是对于阶跃指令信号，PI控制器通常会产生很大的超调。在控制时采样时间为4MS。即每4MS进行一次电机的PID控制。4MS的单位时间并不是使用一个单独的计时器产生的中断，而是使用了P删发生器的周期为时钟基准20KHZ，记录中断次数，当中断达到80次4MS时，对电机进行一次PID控制。数据的采集主要使用了DSP2407的硬件正交编码器进行采集。在实际的程序中，我们建立了一个MOTOR类，其中数据成员SPEEDIP代表电机PID控制中的比例参数，SPEEDKI代表电机PID控制中的积分参数。运动机构中的三个电机被实例化为OTOR类的对象，分别为MOTORA，MOTORB，MOTORC。经过多次的调试，我们最终确定的每个电机控制所需的比例参数和积分参数为MOTORASPEEDKP14MOTORASPEEDKI125MOTORBSPEEDKP14MOTORBSPEEDKI125MOTORCSPEEDKP13；MOTORCSPEEDKI125PID是基于误差修正的速度控制，不需要将所需的转速直接赋予PLJM控制寄山东大学硕士学位论文存器，只需要将速度赋予电机模块中的预期速度变量即可。PID控制器会自动修正误差并调整到所需要的速度。314矢量运动控制计算模块ROBOWARRIOR机器人采用全向控制，所以在运动控制时不仅要保证本体的速度，还要保证本体的运动方向正确性。矢量运动控制计算模块分两种情况对机器人的三只电机进行控制。第一种情况机器人收到上层的通信指令。当收到控制指令后，首先进行指令解算。上层通讯指令只有一个极坐标的速度矢量，根据以下矩阵刚一未勤磊进行计算，得出机器人每个电机的正确转速和转动方向。计算后立即将当前计算结果赋予相应电机。第二种情况在三只电机的速度数据都采集好后。在三只电机的速度都采集好后进行一次当前速度的反算，将当前反算的结果主要是角度结果进行累积和修正，以保证机器人本体的运动方向正确性。反算公式如下。毒舞315扰动解耦COS日一COS万一一矽一COS2臼矛扰动是不希望有的输入，是应该被克服的输入，但它们在控制系统中是普遍存在的。扰动解耦法的优点首先对扰动进行测量或估计，然后在功率变换之前扣山东大学硕士学位论文除一个等效的量，以近似消除扰动。不管扰动信号是通过测量得到的还是通过观测得到的，都可以用同样的方法来实现解耦。加入扰动解耦之后的控制系统如图33所示控制器受控机械图33加入扰动解耦之后的控制系统在三轮全向系统中，主要的扰动来自于地面的摩擦力和由于高速运动而导致的滑动，两者都会造成机器人的运动速度偏离预期。由于轮子的高速运动所带来的滑动是由于轮子失去对地面的附着力所致，这种滑动无论在轮子的主动还是被动运动时都存在。例如在机器人有很大的前向速度分量时，后面三号轮从动轮滚动的速度是前面轮子两个主动轮转动速度的好几倍。此时，垂直滚动轮的高速滚动改变了轮子的动态摩擦系数。因此，在机器人以很大的速度向前运动的同时有很小的横向运动分量时，横向位移分量会因为滑动而变小。这种运动误差与机器人的运动速度成比例，这个比例系数随着速度的变化是非线性的。为了满足ROBOCUP中型组比赛是实行的需求，本文采用查找表和线性插值的办法来计算机器人轮子的实际速度。让机器人分别沿3个轮子主动轴方向以很大速度分量进行运动，同时在其垂直方向有一定的速度分量。经过多次测量得到了如表31所示的系数表。在底层运动控制系统接受到上位机发送的速度信息指令之后，计算垂直于每个轮子主动轴的运动分量，在然后根据运动分量通过查表和线性插值得出比例系数，根据比例系数来调整轮子的运动速度。轮子速度的调整会改变垂直于其他轮子主动轴的运动分量，但是，这种改变量通常不大，为了计算的实时性，我们没有对此进行考虑，只进行了一次速度调整。24山东大学硕士学位论文表31比例系数表滚动速度CS1号轮2号轮3号轮011110O98O9809720O98O97O9730094O95O934009L090O9150083O83O8160O77O770772决策系统的研究与实现足球机器人系统作为研究多智能体系统的典型课题，其智能性主要体现在决策系统中。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。机器人自主决策要求决策模型能够在线处理大量的视觉、触觉数据，在有噪声、信息不完全的环境下进行实时任务规划，并且能够应对变动的环境。决策系统的开发过程就是对多智能体