足球機器人畢業(yè)論文

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）</p><p>　　題 目：基于ARM的ROBOCUP足球機器人</p><p>　　學(xué) 院：機電工程學(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>　　機器人足球比賽是近時年在國際上迅速興起的一種高技術(shù)對抗競賽。主要涉及到微機械、機器人學(xué)、多傳感器信息融合、通信、圖像處理、機電一體化、計算機技術(shù)

3、、對策與決策、智能控制和人工生命等多個相關(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驗平臺。</p><p>　　足球機器人系統(tǒng)分為通訊子系統(tǒng)，決策子系統(tǒng)，視覺子系統(tǒng)，和機器人小車子系統(tǒng)四個部分。機器人小車子媳統(tǒng)是整個系統(tǒng)的執(zhí)行機構(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、擴展功能和應(yīng)用移植的角度出發(fā)，嘗試使用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

4、理論設(shè)計了基于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，分析了足球機器人底層控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，完成了RoboCuP小型組足球機器人—三輪全向驅(qū)動機器人的運動控制算法的設(shè)計。建立了三輪全向移動機器人的系統(tǒng)模型，分析了機器人的運動特性，制定了以ARM微處理器為核心的系統(tǒng)設(shè)計方案。其次，論文重點闡述了足球機器人控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計原理，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)和直流電機控制模塊的設(shè)計。論

5、文對核心器件的選型，單元電路的設(shè)計，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；三輪全向機器人運動控制； </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足球機器人的發(fā)展?fàn)顩r5</p><p>　　1.4足球機器人的發(fā)展前景6</p><p>　　第2章 足球機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7</p><p><b>　　2.1引言7</b></p><p>　　2.2設(shè)計目標(biāo)

13、7</p><p>　　2.3足球機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7</p><p>　　2.3.1機器人小車系統(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 足球機器人的機構(gòu)設(shè)計12</p><p><b>　　3.1引言12</b></p><p>　　3.2機構(gòu)設(shè)計概況12</p><p>　　3.2.1運動機構(gòu)設(shè)計概況12</p

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

16、布局15</p><p>　　3.5球處理機構(gòu)的分析與設(shè)計16</p><p>　　3.5.1帶球機構(gòu)16</p><p>　　3.5.2擊球機構(gòu)17</p><p>　　3.5.3挑球機構(gòu)18</p><p>　　第4章 足球機器人的電路系統(tǒng)分析與設(shè)計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各個執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動和控制電路2

18、5</p><p>　　4.4.1運動機構(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 足球機器人的控制實現(xiàn)及基本動作35</p><p><b>　　5.1引言35</b></p><p>　　5.2足球機器人的控制實現(xiàn)35</p><p>　　5.2.1坐標(biāo)系的確定35</p><p>　　5.2.2車型

20、機器人的數(shù)學(xué)描述36</p><p>　　5.3足球機器人的底層運動控制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)驗和方法4

21、1</p><p>　　5.4足球機器人的行為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43</p><p>&l

22、t;b>　　6.1引言43</b></p><p>　　6.2軟件設(shè)計基本思想43</p><p>　　6.3主程序設(shè)計44</p><p>　　6.4通信子程序設(shè)計44</p><p>　　6.5中斷服務(wù)程序44</p><p>　　6.6PI子程序設(shè)計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，他的目的是通過機器人足球比賽，為人工智能和智能機器人學(xué)科的發(fā)展提供一個具有標(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構(gòu)和組織開始開展研究，將其付諸實現(xiàn)并不斷推動其發(fā)展。</p><p>　　2050 年前研制一隊全智能類人型機器人足球隊員，并擊敗世界杯冠軍，這個夢想離我們到底有

26、多遠(yuǎn)？國際機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>　　足球運動作為一項體育競技項目，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。正是因為它獨特的魅力，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……機器人足球則是以足球為載體的前沿高科技研究和高技術(shù)對抗，是連接

27、基礎(chǔ)研究與實際應(yīng)用的中介和橋梁，它廣泛涉及人工智能計算機視覺自動控制、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，集中反映出一個國家的高科技水平和綜合國力。</p><p>　　足球機器人的研究背景</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年代提出了用計算機與人類下棋的目標(biāo)，1997年IBM的超級計算機“深藍(lán)”擊敗了世界冠軍卡斯帕羅夫，是人工智能學(xué)科的一個里程碑，實現(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。而足球機器人為此提供了一個典型的應(yīng)用和測試平臺。</p><p>　　與機器人象棋比賽不同，足球機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。足球機器人是智能機器人的一個新領(lǐng)域，集高新技術(shù)和體育比賽于一體，是科技理論和實際密切結(jié)合的極富生命力的成長點，興起僅僅幾年，便引起各

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

31、圖像處理與模式識別、智能體結(jié)構(gòu)設(shè)計、實時規(guī)劃和推理、移動機器人技術(shù)、機器傳動與驅(qū)動控制、傳感器與數(shù)據(jù)融合和無線通訊等。它既是一個典型的智能機器人系統(tǒng)，又為研究發(fā)展多智能體系統(tǒng)、多機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，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)為讓機器人踢足球是機器人與人工智能領(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年開始主辦微型機器人足球比賽；日本學(xué)者北田宏明提出了機器人世界杯足球賽，并在1997年得以實施。目前，國際上機器人足球已發(fā)展為兩大系列：一是由國際機器人足聯(lián)（FIRA）組織的微型機器人世界杯足球賽（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余個國家的近百個學(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器人，這一重大突破引起了全世界的關(guān)注。由六足機器人發(fā)展到雙足機器人用了將近20年的時間，在機器人的手、足、視覺方面都有突破，達(dá)到了一定的水平。通過機器人足球賽，將在大腦的思維方面進(jìn)行重點的研究。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器人一定會出現(xiàn)在足球場上。也許那時機器人

35、足球隊將與世界足球冠軍同場比賽，展開一場別開生面的“人機大戰(zhàn)”。</p><p><b>　　研究意義</b></p><p>　　機器人足球是人工智能和機器人學(xué)新的標(biāo)準(zhǔn)問題，是連接基礎(chǔ)研究與實際應(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)行機器人足球系統(tǒng)的研究具有重要的科研和現(xiàn)實意義。</p><p>

36、　　1.人工智能和機器人學(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)實驗平臺是國際象棋人一機對抗賽;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”。足球比賽是一個動態(tài)實時的過程，賽場情況變化萬千，存在著大量的不確定性，需要運動員相互協(xié)作，自主地對賽場上的情況迅速做出反應(yīng)。這些特點滿足了人工智能對研究對象的要求。因此，

37、機器人足球可以作為人工智能研究和機器人學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)問題。</p><p>　　2.連接基礎(chǔ)研究與實際應(yīng)用技術(shù)的橋梁</p><p>　　從科學(xué)研究的觀點看，無論是現(xiàn)實世界中的智能機器人或機器人團隊(如家用機器人和軍用機器人團隊)，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、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)都在機器人足球中得到了集中的體現(xiàn)。在這個意義下，機器人足球可以作為連接基礎(chǔ)研究與實際應(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，足球機器人及球隊的研制具有實踐性強、探索性強和綜合性強的特點，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)地位的機器人足球國際組織，總部設(shè)在瑞士，現(xiàn)有成員國近40個。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--"計算機

41、與思維"大獎的北野宏明。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機器人足球世界杯賽一般由5個機器人，體積不超過直徑17cm和高15cm的圓柱機器人小車組成的一個球隊，在球場上自主運動，目的是將足球踢入對方球門，球場上空（2米）懸掛的攝像機將比賽情況傳入計算機，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器人，多個足球機器人協(xié)同作戰(zhàn)，雙方對抗形成一場激烈的足球賽。在比賽中，各機器人不但可以發(fā)揮個人的運球、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，不但要有過硬的機器人硬件，而且還要有先進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)策略軟件，所以機器人足球賽不僅是集中體現(xiàn)多個機器人合作的范例，而且是推動各機器人技術(shù)發(fā)展的一個重要手段。</p><p>　　足球機器人的發(fā)展?fàn)顩r<

43、;/p><p>　　國際上兩大足球機器人組織已成規(guī)模，其中國際機器人足聯(lián)（FIRA）從1996年開始，每年組織一次機器人足球世界杯賽（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個項目比賽，有來自9個國家的22個參賽隊。FIRA RWC‘98在巴黎舉行，與第16屆足球世界杯同期舉行，由13個國家的39個隊參加了四個項目的決賽階段的比賽；FIRA RWC‘99則首先分

44、四個大區(qū)（北美、南美、亞太、歐非）進(jìn)行預(yù)選賽。角逐決賽階段4個項目的32個名額，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個國家參賽，96個球隊在半自主型、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目中進(jìn)行了比賽。各參賽

45、隊進(jìn)行了緊張、激烈的比賽和廣泛的學(xué)術(shù)交流。</p><p>　　機器人足球的另一賽事是由國際人工智能學(xué)會組織的機器人世界杯足球賽（RoboCup）。第一屆于1997年8月在日本東京舉行，共40個參賽隊。第二屆于1998年在巴黎舉行，有近60個隊參賽。第三屆機器人世界杯比賽于1999年在瑞典舉行，90多個參賽隊。第四屆機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、小型機器人組、中型機

46、器人組、四腿組四種類型，來自約30多個國家的54支球隊參加，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器人足球賽，1999年SONY公司的四足機器狗足球比賽，到2000年已經(jīng)出現(xiàn)了雙足機器人踢球表演。到今天有類人二足機器人組的表演，機器人舞蹈表演等。智能機器人作為現(xiàn)代高科技的集成體，是21世紀(jì)的科技制高點之一。一些發(fā)達(dá)國家已把智能機器人比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段。智能機器人集成了數(shù)學(xué)、力學(xué)、機械、電子、自動控制、傳感器、通信、計算機、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>　　足球機器人的發(fā)展前景</p><p>　　足球機器人之所以獲得如此迅速的發(fā)展，就是因為它是人工智能領(lǐng)域的理想突破點，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，參與比賽的機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，雙方機器人都在不停的運動，因

49、而機器人必須具有較強的跟蹤、決策、反應(yīng)能力和機動性。</p><p>　　理論與實際脫節(jié)是人工智能研究中存在的普遍問題，缺乏來自實際的問題和沒有應(yīng)用的載體是這方面研究的主要難點。應(yīng)運而生的足球機器人為這些困難的解決創(chuàng)造了十分有利的條件。由于它造價不高，但“五臟”俱全，既不受企業(yè)條件的制約，又與許多實際的問題密切相關(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驗載體。今天足球機器人已成為人工智能領(lǐng)域發(fā)展

50、的歷史性目標(biāo)和智能機器人發(fā)展的代表方向。機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)性的機器人足球賽，特別是仿真組比賽?？梢灶A(yù)期，機器人足球賽將產(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，機器人足球賽本身將可以形成一個與人類足球賽類似的產(chǎn)業(yè)。</p><p><b>　　足球機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　足球機器人比賽不僅包括多智能體系統(tǒng)要研究的全部內(nèi)容，而且通過比賽來驗證各方策略的優(yōu)劣，

52、所以機器人足球比賽是研究多智能體系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的實驗平臺。足球機器人系統(tǒng)由四大部分組成：機器人小車系統(tǒng)、視覺子系統(tǒng)、決策系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)。</p><p><b>　　設(shè)計目標(biāo)</b></p><p>　　足球機器人的設(shè)計無淪是在方案設(shè)計、選材、制作質(zhì)量、機器人本身的重量控制方而，還是在運動的路徑的規(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)計的機器人及其控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)達(dá)到下列目標(biāo)：</p><p>　　選擇最優(yōu)的運動路徑。路徑的規(guī)劃要考慮到機器人的總路程盡量最短，在一定的運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，裝配時最好是三角形連接

54、增以強穩(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展性。機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)是連接上位機和足球機器人的橋梁，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)計要同時滿足全方位運動和盡量提高運動速度的要求，使車體靈活、高效的運動。</p><p><b>　　足球機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　足球機器人系統(tǒng)有機器人小車系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、決策系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)四個子系統(tǒng)組成，各個系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系如錯誤！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各個子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系</p><p>　　集中式指比賽時通過掛在場地上方的攝像頭（1個或者多個）采集場上信息，提取出有用的信息后傳送給單個決策程序，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器人，機器人根據(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，機器人共同使用一個視覺信息，但是每個機器人都有自己的

57、決策程序，機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)的場景辨識實時數(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器人，再由機器人完成決策要求的動作?？梢姏Q策系統(tǒng)是一個典型的非結(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，每個機器人具有相同的控制結(jié)構(gòu)，特殊智能部分包含著某個機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>　　機器人小車系統(tǒng)</b></p><

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

60、lt;/p><p><b>　　電路控制機構(gòu)</b></p><p>　　電路控制機構(gòu)是控制各個執(zhí)行機構(gòu)，接收決策命令，和上位機進(jìn)行通訊等等功能。電路控制機構(gòu)包括：</p><p>　　各個執(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)是足球機器人系統(tǒng)的信號檢測機構(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。作為機器人的眼睛，視覺系統(tǒng)擔(dān)任了識別雙方的機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>　　機器人足球比賽規(guī)定，上位機與機器人小車之間以無線方式通訊，主機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、　　足球機器人系統(tǒng)中一臺計算機控制場上5個機器人進(jìn)行比賽。每個機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)射機對不同的機器人發(fā)射不同的任務(wù)命令。為了避免相互干擾，每支球隊至少有兩種通訊頻率可選擇。在基于集中視覺的足球機器人系統(tǒng)中，機器人的智能水平較低，要靠上位機的指揮完成精確的攻防動作，如果通訊失誤，必然造成機器人的誤動作，導(dǎo)致錯失良機或是輸球，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，對足球機器人通訊子系統(tǒng)的要求歸納為五點：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，給隊員發(fā)出指令。它是整個足球機器人系統(tǒng)的核心，相當(dāng)于系統(tǒng)閉環(huán)中的控制器。真正參加機器人足球比賽，不僅要求機器人有好的

65、機動性，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器人分配任務(wù)，如：持球機器人主攻，另一個占據(jù)有利位置的機器人擔(dān)任協(xié)攻。與普通的足球比賽一樣，機器人足球比賽也應(yīng)根據(jù)場上的情況，實時的做出決策，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)驗加以研究制定，并存入知識庫中，以供比賽時提取使用，知識庫還應(yīng)有一個學(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，計劃機器人的任務(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、　足球機器人系統(tǒng)的工作模式</p><p>　　構(gòu)造足球機器人系統(tǒng)有多種種類。不但在CPU選擇、執(zhí)行機構(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器人系統(tǒng)、基于視覺的半自主型足球機器人系統(tǒng)和完全自主型足球機器人系統(tǒng)。</p

68、><p>　　基于視覺的集中控制型足球機器人系統(tǒng)。</p><p>　　在該系統(tǒng)中，每個機器人具有：接收器、控制字解碼和速度控制器。電機控制模塊能夠接收到主機發(fā)來的數(shù)據(jù)控制其運動方向和速度。視覺數(shù)據(jù)處理、策略決策以及機器人的位置控制都在主計算機上完成，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，機器人有速度控制、位置控制和自動避障等功能。主機處理視覺數(shù)據(jù)，根據(jù)策略庫選擇機器人的下一個周期的行為，并通過無線發(fā)射器將控制命令發(fā)給各個機器人。</p><p>　　完全自主型足球機器人系統(tǒng)</p><p>　　該機器人系統(tǒng)屬于完全自主的智能體系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，機器人有視覺處理功能，還有許多自主行為，所有的計算（包括決策）和控制都由

70、機器人自身完成。除了特殊智能部分外每個機器人有相同的控制結(jié)構(gòu)。特殊智能部分包括每個機器的特殊行為和策略，如守門員。每個機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?；緞幼饔刑咔颉⑸溟T、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)、機器人小車技術(shù)、決策技術(shù)及仿真實現(xiàn)。本論文主要研究了足球機器人車體設(shè)計及控制技術(shù)。</p><p>　　足球機器人車體設(shè)計部分</p><p>　　機構(gòu)分析與設(shè)計，主要包括：</p><p>　　運動機構(gòu)——分析單排雙向輪的性能優(yōu)越性和修正三輪布局的運動學(xué)性能。</p><p>　　帶球機構(gòu)——分析帶球機

72、構(gòu)的工作和性能優(yōu)化的原理與方法。</p><p>　　擊球機構(gòu)——分析螺線管電磁鐵式機構(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，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，該電路具有資源豐富、高性能、低功耗等優(yōu)點。</p><p>　　基于L298N芯片H全橋電

73、路的輪子驅(qū)動電路設(shè)計、具有效率高輸出電流大等優(yōu)點。</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，具有充電速度快，控制簡單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。</p><p><b>　　控制部分</b></p><p>　　機器人的運動控制，包括：</p><p>　　三輪全向驅(qū)動機器人的運動控制算法的設(shè)計。&

74、lt;/p><p>　　基于數(shù)字PID算法的電機調(diào)速，算法實現(xiàn)簡單，耗時少。</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>　　定時中斷子程序執(zhí)行指令的過程和操作分類。</p><p>　　足球機器人的機構(gòu)設(shè)計</

75、p><p><b>　　引言</b></p><p>　　車體系統(tǒng)包括兩部分：機器人機構(gòu)和電路控制系統(tǒng)?？偟膩碚f一個性能優(yōu)越的機器人應(yīng)具有運動靈活、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。這些都需要優(yōu)越的機構(gòu)設(shè)計來實現(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，各隊機器人主要機構(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器人各個

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

77、t;/b></p><p>　　運動機構(gòu)為了提高機器人的運動性能，包括機器人的速度、加速度和運動靈活性等等。其中機器人的速度和加速度需要優(yōu)良性能的電機來配合。這里選擇了日本的NamiKi電機。原裝電機有三級減速的齒輪箱和光電測速裝置，由于原裝電機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。為了讓機器人能夠不用轉(zhuǎn)向的情況下實現(xiàn)全方向的運動，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>　　球處理機構(gòu)設(shè)計概況</b></p><p>　　球處理機構(gòu)設(shè)計的優(yōu)良機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。因此采用帶球機構(gòu)來掌控比賽的主動權(quán)，傳統(tǒng)的帶球機構(gòu)靠電機帶動一個水平的輥軸給球一定的摩擦力以使球沿機器人方向轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)，這樣會在轉(zhuǎn)彎的時候容易丟失球。此時，設(shè)計機器人帶球機構(gòu)的方向有兩種：一種是基于開槽帶球機構(gòu)的設(shè)計，二是放棄帶球機構(gòu)，轉(zhuǎn)到研究機器人不使用帶球機構(gòu)時的推球方法。</p><p>　　為了加強機器人的進(jìn)攻能力，采用了擊球機構(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>　　機械儲能方式：通過電機帶動蝸輪蝸桿以進(jìn)行彈簧蓄能和釋放能量來實現(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，該方式具有機械結(jié)構(gòu)簡單、使用方法方便和擊球力度大等優(yōu)點。&

81、lt;/p><p><b>　　設(shè)計目標(biāo)</b></p><p>　　比賽規(guī)定，機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)計就體現(xiàn)了機器人的靈活、快速、多變的特征。擊球和挑球機構(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，在比賽的時候也能夠得到很好的利用。

82、</p><p>　　由于隨著比賽的要求，機器人的性能不斷提高，為了接近世界強隊的水平和以后的發(fā)展趨勢，對設(shè)計的機器人的各項性能提出以下指標(biāo)：</p><p>　　機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>　　機器人能夠全方位的自由運動。</p><p><b>　　增加挑球機構(gòu)</b></p><p>　　運動機構(gòu)的分析與設(shè)計</p><p>　　電機的選擇和整體結(jié)構(gòu)</p><p>　　電機的選擇對機械結(jié)構(gòu)的影響明顯，并且對于小車的運動靈活

84、性起關(guān)鍵作用。選擇電機主要是對于步進(jìn)電機和直流伺服電機的比較。</p><p>　　直流伺服電機的優(yōu)點是功重比大，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對伺服電機進(jìn)行閉環(huán)的PWM控制；伺服電機的速度過高，必須使用減速器傳動。并且伺服電機造價很高。</p><p>　　步進(jìn)電機的缺點是同樣功率下的重量比伺服電機大，體積也大，失步時達(dá)不到控制的目的

85、。但步進(jìn)電機是開環(huán)控制，無需測速器件，也不需要減速器，減少了機構(gòu)的復(fù)雜性。</p><p>　　目前，電機還是選用直流伺服電機為宜，為了方便控制，可以選擇高電壓低電流的電機，因此選擇了日本NaminiKi電機。該電機體積小，重量輕，而且很大的轉(zhuǎn)距。</p><p>　　圖 31足球機器人的整體結(jié)構(gòu) 為機器人的整體結(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，或者機器人兩邊。機械結(jié)構(gòu)的車體部分有兩種設(shè)計方案：整體結(jié)構(gòu)和板柱結(jié)構(gòu)。</p><p>　　整體結(jié)構(gòu)是指機器人的車體設(shè)計成一個完整的框架，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，然后來安裝電機和其他機構(gòu)。好處是裝配精度高，不易變形，耐碰撞。但是造價高、重量大。</p><p>　　板柱結(jié)構(gòu)是指機器人的車體設(shè)

87、計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，造價低廉，重量輕，但是裝配精度差，容易變形，不耐碰撞和長期運動。</p><p>　　在設(shè)計機器人的時候按照實際情況選用了板柱結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖 31足球機器人的整體結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　輪子設(shè)計思想</b></p><p>　　

88、輪子的設(shè)計除了考慮到機器人的運動性能（運動速度和運動加速度）還要考慮機器人的靈活性。隨著各隊技術(shù)的不斷加強，比賽日益激烈，機器人的全方向運動已經(jīng)成為一個必要條件。為了達(dá)到這個目的，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足球機器人的整體結(jié)構(gòu)（a）為互補結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)運行穩(wěn)定，始終有一個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，另外著地點會內(nèi)外交錯，這樣對機器人的旋轉(zhuǎn)造成非線性影響，所以會使機器人在運動方向上有偏移或左右搖擺。</p><p>　　圖 31足球機器人的整體結(jié)構(gòu)（b）中為非互補結(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，并且著地點始終在一個圓上，不會對機器人帶來非線性影響，但是，由于個小輪之間有間隙，所以輪子的直徑在運動中會有變化，機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：</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，為電機和擊球機構(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問題。</p><p>　　和雙排雙向輪一樣可以實現(xiàn)全向運動</p><p>　　這兩種萬向輪相比較而言，采用第二種比較好。單排雙向輪機構(gòu)，運動靈活、效率較高，輪上的各個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；對各個輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速控制得當(dāng)，即可實現(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)合比賽對機器人大小的限制，得出結(jié)論實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>　　機器人運動性能和驅(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。如何使機器人的性能達(dá)到一個理想的指標(biāo)，目前國際的強隊上的主流采用四輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)。為了增加機器人帶球?qū)挾纫栽黾訋驒C會，以及方便放置擊球裝置和和挑球裝置，機器人沒有采用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)四輪結(jié)構(gòu)，在本設(shè)計中，采用的是三輪機器人，其分布如圖 33 輪子布局所示。</p><p>　　圖 33 輪子布局</p><p

94、>　　球處理機構(gòu)的分析與設(shè)計</p><p><b>　　帶球機構(gòu)</b></p><p>　　帶球機構(gòu)主要用于爭球，帶球跑位同樣對于機器人的傳接球、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)生摩擦力的機構(gòu)是橡膠滾輪，當(dāng)橡膠滾輪高速旋轉(zhuǎn)的時

95、候，將帶動球向后旋轉(zhuǎn)，如圖 34傳統(tǒng)帶球機構(gòu) 所示。在機器人的前方，由一個直流電機帶動一個橡膠滾輪自始至終旋轉(zhuǎn)，方向是由上往下，由外向里，當(dāng)機器人前進(jìn)的時候，由于球在向后旋轉(zhuǎn)，因此能保持在機器人前端，當(dāng)機器人后退的時候，球高速向后旋轉(zhuǎn)，能夠跟隨機器人運動。橡膠滾輪的設(shè)計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度，既不能太硬也不能太軟，摩擦力和軟硬度可以通過試驗確定。二是橡膠滾輪的形狀要設(shè)計合理,機器人在帶球的時候，最理想的

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

97、合力指向帶球機構(gòu)的中心使球向中心移動。當(dāng)機器人將球左右移動，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 開槽帶球機構(gòu)</p><p><b>　　擊球機構(gòu)</b></p>

98、<p>　　踢球機構(gòu)對于足球機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構(gòu)，因此有多種可供選擇的方案，如直線電機、汽缸、齒輪齒條、電磁鐵、螺線管、翻板、絲杠等，同時還需要輔助的儲能機構(gòu)如彈簧、電容等，以及觸發(fā)機構(gòu)，比如位置開關(guān)、繼電器等。</p><p>　　通常選擇最有機械效率機構(gòu)，常用的有兩種：齒輪齒條、螺線管。</p><p>　　齒輪齒條機構(gòu)是在帶球滾軸的下方

99、，存在一個推板與滾軸平行，推板的上緣略高于球的中心高度，推板的后邊與一個可以移動的水平齒條垂直固定，齒條則與另外一個小直流電機軸上齒輪嚙合，此電機的控制電路使電機在需要的時候突然正轉(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伍所使用。其基本實現(xiàn)方式如圖 36 擊球機構(gòu)（a）所示，主體為

100、一個推型螺線管和三角形的擊球裝置。圖 35 開槽帶球機構(gòu)（b）顯示了擊球原理。由于摩擦力相對F可以忽略不計，因此滿足Jζ=Fl，其中J = 2mbR2 /5。此外加速度a = F/mb。因為滾輪滾動的時候球滾的很遠(yuǎn)，此時滿足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：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)過實驗實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>　　挑球機構(gòu)</b></p><p>　　翻板機構(gòu)與帶球滾軸使用同一根用軸承接合的復(fù)合軸，上邊緊固一個翻板，一端與一個電機相連。踢球時打開電機，則翻板擊中球，其彈出。之后關(guān)閉電機即可。這種方案可以將球撬起越過對方機器人而進(jìn)入球門。</p><p>　　足球機器人的電路系統(tǒng)分析與設(shè)計</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)測和機器人控制等方面。相對于其他的領(lǐng)域，機電產(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。而機器人技術(shù)則是機電產(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>　　足球機器人小車底層控制系統(tǒng)的核心是微控制器，作為機器人控制器的核心部件，高性能的CPU是必需的，選擇一個什么樣的微控制器對于機器人小車的性能、控制系統(tǒng)的設(shè)計方式有很大的影響，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)以整個足球機器人系統(tǒng)的控制速度和機器人小車的智能化水平兩個方面為立足點，

106、以如下幾個方面為依據(jù)來選擇合適的微控制器：</p><p><b>　　系統(tǒng)時鐘速度</b></p><p><b>　　運算速度</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位單片機兩種類型，單片機主要使用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，需要借助外加器件例如計數(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，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、速度快等優(yōu)點，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，且其資料相對不多，芯片價格和相應(yīng)的開發(fā)套件昂貴，專用性比較強，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、低價格、低功耗，可以廣泛的應(yīng)用于各個領(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系列單片機使用，同時具有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)用與各個行業(yè)。可以說，用單片機和DSP實現(xiàn)的系統(tǒng)，ARM都可以實現(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現(xiàn)控制要求的功能。同時使得機器人控制板的結(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。</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</p><p>　　ARM處理器采用RISC (Reduce Instruction Computer，精簡