【正文】 置點(diǎn)的坐標(biāo)、y坐標(biāo)、機(jī)器人正對(duì)方向與垂直方向夾角θ、x方向速度、y方向速度和自轉(zhuǎn)角速度。也就是說(shuō)，速度軌跡生成算法也是每秒25次工作一次，將機(jī)器人要保持的整體速度發(fā)送給機(jī)器人。結(jié)合足球機(jī)器人系統(tǒng)整體工作流程，足球機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程如下：(1)整個(gè)足球機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)以每秒25幀的速度處理圖像信息。它根據(jù)“任務(wù)”為足球機(jī)器人生成一條速度軌跡，得到的是機(jī)器人車體的控制速度矢量和角速度矢量。主要DSP控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)做了系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括控制電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、MCU模塊設(shè)計(jì)、主從工作模式下的軟件設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路模塊的設(shè)計(jì)，主DSP對(duì)從DSP進(jìn)行控制和管理，雙DSP配合，完成速度跟隨控制、無(wú)限通訊、傳感器數(shù)據(jù)讀取等任務(wù)。當(dāng)儲(chǔ)能電容中的電壓達(dá)到我們預(yù)先設(shè)定的電壓時(shí)，PWM發(fā)生器停止工作，充電電路停止給儲(chǔ)能電容充電。當(dāng)MOS管關(guān)斷時(shí)，電源電感與儲(chǔ)能電容組成回路。這就需要設(shè)計(jì)DCDC升壓電路將10v的機(jī)器人電池電壓變換成200v以上。近距離傳感器的工作原理如下：傳感器的紅外發(fā)光管發(fā)出紅外光，紅外光電管接收前方物體反射光，接收管接收的光強(qiáng)隨反射物體的距離變化，據(jù)此可以判斷前方是否有障礙物并根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)弱判斷物體的距離。其中檢測(cè)球的原理如下：紅外發(fā)光管和紅外光電管成直線布置。其電路如圖47所示： 圖37“帶球”電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路機(jī)器人在場(chǎng)上比賽需要設(shè)別很多信息。通過(guò)I/O來(lái)控制MOSFET開(kāi)關(guān)來(lái)控制擊球，通過(guò)開(kāi)啟的時(shí)間來(lái)控制擊球力量。電機(jī)后串聯(lián)一個(gè)0．22歐姆的大功率電阻。表34電機(jī)控制真值表PORT1PORT2PWM1電機(jī)狀態(tài)HIGHHIGHX停止LOWLOWX停止HIGHLOW可變占空比正傳，調(diào)速機(jī)器人工作時(shí)，機(jī)器人在場(chǎng)上的行為會(huì)實(shí)時(shí)變化。機(jī)器人工作時(shí)，MCU模塊以500KHz的頻率采樣四路電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)和電樞電流信號(hào)。發(fā)送給機(jī)器人的指令數(shù)據(jù)是通過(guò)封裝好的數(shù)據(jù)“幀”的形式傳送的，每幀7字節(jié)，數(shù)據(jù)幀格式如表32：表32指令數(shù)據(jù)幀格式Byte0Byte1Byte2Byte3Byte4Byte5Byte6幀頭標(biāo)志號(hào)碼（高4位）命令類型（低4位）參數(shù)1參數(shù)2參數(shù)3參數(shù)30xFF0x010Xx00x0X0xXX0xXX 0xXX0xXX機(jī)器人碼盤(pán)數(shù)據(jù)也是通過(guò)封裝好的數(shù)據(jù)“幀”的形式傳送的，每幀7字節(jié)，數(shù)據(jù)幀格式如下：表33碼盤(pán)數(shù)據(jù)幀格式Byte0Byte1Byte2Byte3Byte4Byte5Byte6幀頭標(biāo)志讀書(shū)1高八位讀書(shū)1低八位讀書(shū)2高八位讀書(shū)1低八位校驗(yàn)0xAA0x550xXX0xXX0xXX0xXX0xXX下圖為系統(tǒng)的主、從MCU的軟件流程圖 (a)主MCU軟件流程圖 (b)從MCU軟件流程圖圖33主、從MCU軟件流程圖 驅(qū)動(dòng)電路模塊的設(shè)計(jì)(1)萬(wàn)向輪驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)機(jī)器人四組萬(wàn)向輪分別使用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并配置了512線編碼器。因而需要采用一定的機(jī)制來(lái)解決。這樣從DSP上的控制程序的執(zhí)行就有了更大的靈活性。這樣就給DSP內(nèi)的軟件提出了要求。另外還可通過(guò)SPI接口擴(kuò)展EEPROM，可對(duì)控制程序進(jìn)行外部存儲(chǔ)。算法中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度控制需要應(yīng)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)正交碼盤(pán)信號(hào)作為反饋。(4)主DSP擴(kuò)展了32K*16的SRAM作為片外程序RAM，用于通過(guò)JTAG進(jìn)行仿真調(diào)試。等芯片控制端。此外，原有的電路系統(tǒng)中存在內(nèi)部定時(shí)器不夠，導(dǎo)致PWM波頻率無(wú)法優(yōu)化的問(wèn)題。但是增加了一塊電路板，大大的增加電路系統(tǒng)的體積、功耗、復(fù)雜性、可靠性。此外，還有驅(qū)動(dòng)輪速度分配運(yùn)算、無(wú)線指令校驗(yàn)解析、傳感器信號(hào)處理等工作。它具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)算速度快、運(yùn)算精度高；體積小、功耗低；指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大、高效；存儲(chǔ)空間大、擴(kuò)展簡(jiǎn)便；片內(nèi)“外設(shè)”豐富、接口簡(jiǎn)單；帶有多個(gè)事件管理器方便對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。足球機(jī)器人電路系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖3l所示： 圖31 足球機(jī)器人電路系統(tǒng)框圖 MCU模塊設(shè)計(jì)機(jī)器人控制MCU需要完成機(jī)器人速度軌跡跟隨控制算法，還需要接收指令、處理多路傳感器信號(hào)等。③DCDC升壓電路模塊。該模塊的核心為采用主從工作模式的雙DSP。(5)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括：尺寸限制、功能要求運(yùn)動(dòng)功能等(6)機(jī)電機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、帶球機(jī)構(gòu)、擊球機(jī)構(gòu)。本章主要對(duì)足球機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)做了系統(tǒng)設(shè)計(jì),主要包括以下內(nèi)容：（1）足球機(jī)器人的系統(tǒng)原理組成，通過(guò)機(jī)器人小車子系統(tǒng)、視覺(jué)子系統(tǒng)、無(wú)線通訊子系統(tǒng)、機(jī)器人的控制子系統(tǒng)及決策子系統(tǒng)組成構(gòu)成了大的閉環(huán)系統(tǒng)。電磁鐵機(jī)構(gòu)是目前足球機(jī)器人擊球機(jī)構(gòu)中用的最為普遍的一種機(jī)構(gòu)，它的優(yōu)點(diǎn)是力量大，動(dòng)作頻率高，反應(yīng)速度快，機(jī)械機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單可靠。實(shí)踐證明彈簧儲(chǔ)能擊球效果不好，在擊球之前通過(guò)電機(jī)將彈簧壓縮儲(chǔ)能，擊球時(shí)彈簧瞬間釋放能量，先前彈簧儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為施加給小球的沖量。因?yàn)闄C(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)換了一種全向輪，雖然抓地力更強(qiáng)，但是也帶來(lái)了抖動(dòng)，給帶球機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的麻煩。帶球機(jī)構(gòu)比賽規(guī)則規(guī)定，帶球機(jī)構(gòu)與球面的接觸面積不得超過(guò)球面面積的1/3。四組驅(qū)動(dòng)輪及電機(jī)成一定角度布置存一個(gè)圓周，通過(guò)各驅(qū)動(dòng)輪的速度矢量合成，機(jī)器人可以在平面上實(shí)現(xiàn)全自由度運(yùn)動(dòng)。它具自特殊的驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)及布置方式，因此它具備平面上的全自由度運(yùn)動(dòng)能力。全方位型輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故不常用。四輪的平面圖如圖29所示。NEU隊(duì)采用雙輪式結(jié)構(gòu)，且輪子為固定式的。對(duì)于運(yùn)動(dòng)部件來(lái)說(shuō)有輪式和履帶式(Caterpillar Type)可供選擇。維護(hù)性是十分重要的。有來(lái)自各方面的干擾，如賽場(chǎng)強(qiáng)烈的光線照射對(duì)機(jī)器人障礙檢測(cè)的干擾；電機(jī)啟制動(dòng)火花的無(wú)線通訊及車載計(jì)算機(jī)的干擾：以及對(duì)抗、碰撞等產(chǎn)生的干擾。 無(wú)線數(shù)字接收 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)足球機(jī)器人是一種無(wú)線智能移動(dòng)小車，為適應(yīng)比賽需要，機(jī)器人設(shè)計(jì)應(yīng)包括CPU板、通訊模塊、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)、傳感器等部分。4 機(jī)器人車體子系統(tǒng)機(jī)器人車體子系統(tǒng)按照決策系統(tǒng)的意圖去完成一定的行為，在整個(gè)系統(tǒng)中，它扮演著執(zhí)行機(jī)構(gòu)的角色，機(jī)器人車體子系統(tǒng)一般由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、通信接收器、CPU和能源系統(tǒng)組成。由于大量的圖像信息都由圖像采集卡來(lái)完成，從而減輕了主機(jī)的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理速度。采用軟硬件綜合法時(shí)，圖像采集卡完成圖像的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，圖像壓縮等功能，這種方式的通用性強(qiáng)、成本低、主機(jī)處理的圖像信息量可以隨圖像的壓縮比的增大而減少。其中最具代表性的是電荷耦合器件攝像頭，簡(jiǎn)稱CCD攝像頭。各種智能算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊算法、遺傳算法學(xué)也可以應(yīng)用到構(gòu)造策略庫(kù)以及策略選擇進(jìn)程中，系統(tǒng)根據(jù)采取的對(duì)策，計(jì)劃?rùn)C(jī)器人的任務(wù)，轉(zhuǎn)化為路徑形式，然后發(fā)送出去，由一系列的指令決策機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。此外，由于機(jī)器人尺寸的限制，通信裝置的體積不能太大。在這種于視覺(jué)的足球機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人要靠上位機(jī)的指導(dǎo)來(lái)精確和快速完成攻防行為。在此基礎(chǔ)上在開(kāi)發(fā)出特殊行為，決策層根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)做出決策，具體是對(duì)每個(gè)機(jī)器人部署，即選擇動(dòng)作，再把動(dòng)作分解成基本行為。球場(chǎng)上(2m處)懸掛的攝像機(jī)將比賽情況傳入計(jì)算機(jī)，由預(yù)裝的軟件作出決策，再通過(guò)無(wú)線通信方式將命令傳給場(chǎng)上的機(jī)器人，機(jī)器人協(xié)同作戰(zhàn)，雙方對(duì)抗，形成一場(chǎng)激烈的足球賽。決策子系統(tǒng)處理來(lái)自視覺(jué)的視覺(jué)、決策和通訊四個(gè)子系統(tǒng)組成，其相互聯(lián)實(shí)時(shí)場(chǎng)景辨識(shí)數(shù)據(jù)，作出決策發(fā)出命令，通過(guò)無(wú)線通訊給機(jī)器人小車，決策子系統(tǒng)相當(dāng)于機(jī)器人的“大腦”，視覺(jué)子系統(tǒng)相當(dāng)于機(jī)器人的“眼睛”，機(jī)器人小車相當(dāng)于機(jī)器人的“手腳”。底層為足球機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制部分，它的功能是根據(jù)多智能體協(xié)調(diào)控制部分的給定的“任務(wù)”控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。信息處理層：處理場(chǎng)上基本信息，經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)分析，得出綜合信息并更新舊的公共信息庫(kù)為后續(xù)決策提供知識(shí)。．足球機(jī)器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)比賽中，機(jī)器人足球隊(duì)的控制系統(tǒng)根據(jù)其功能層次，可以劃分為決策控制和運(yùn)動(dòng)控制兩個(gè)層次：圖23足球機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制總體結(jié)構(gòu)圖如上層為決策控制部分，它是一個(gè)多智能體系統(tǒng)(Multiagent System)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。這個(gè)時(shí)候視覺(jué)系統(tǒng)就類似于一種傳感器。這樣我們就可以得到三種足球機(jī)器人的系統(tǒng)工作模式第一種基于視覺(jué)遙控的無(wú)智能足球機(jī)器人系統(tǒng)，它所有的視覺(jué)處理、策略決策和位置控制都在主機(jī)上完成，就像遙控小車一樣。它的作用就是根據(jù)一定的算法來(lái)解析決策系統(tǒng)的指令將它轉(zhuǎn)化為具體的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指令，并且控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。它的主要任務(wù)是利用攝像頭實(shí)時(shí)采集比賽場(chǎng)地上的圖像信息，通過(guò)圖像卡處理并且辨別這些圖像，得到場(chǎng)地上運(yùn)動(dòng)物體(包括雙方8個(gè)機(jī)器人和球)的相關(guān)數(shù)據(jù)，主要是每個(gè)機(jī)器人的橫坐標(biāo)x、縱坐標(biāo)和其方向角度，并且將這些數(shù)據(jù)傳給主機(jī)，以供主機(jī)上的決策系統(tǒng)進(jìn)行分析決策使用。下面分別簡(jiǎn)要介紹各部分的組成以及系統(tǒng)對(duì)各部分的設(shè)計(jì)要求。機(jī)器人接受到指令后做出相應(yīng)的動(dòng)作，從而完成整個(gè)工作流程。不同的控制要求決定了不同機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制策略。五個(gè)機(jī)器人在場(chǎng)上具有各自的角色如：前鋒、后衛(wèi)、守門員，在比賽中分別承擔(dān)不同的任務(wù)。中型自主足球機(jī)器人賽在RoboCup國(guó)際機(jī)器人足球世界杯中具有重要的地位，中型自主足球機(jī)器人要求控制系統(tǒng)感應(yīng)靈敏、響應(yīng)速度準(zhǔn)確、重量輕、體積小。機(jī)器人踢足球，看似游戲，其實(shí)展示了一個(gè)國(guó)家信息和自動(dòng)化技術(shù)的綜合實(shí)力。機(jī)器人足球，它以高技術(shù)對(duì)抗的形式贏得了學(xué)術(shù)界的認(rèn)同，一些學(xué)術(shù)刊物刊登了機(jī)器人足球的專輯，一些有影響的國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議也安排了專題討論。因此,中型組機(jī)器人足球比賽最具挑戰(zhàn)性,也最能體現(xiàn)研究單位的科研實(shí)力。今天中國(guó)的機(jī)器人足球正在逐漸發(fā)展和壯大起來(lái)，引起社會(huì)各界的極大興趣，國(guó)內(nèi)己有幾十所大學(xué)和科研團(tuán)體在開(kāi)展這方面的研究。國(guó)內(nèi)的參賽隊(duì)伍一般都是參加RoboCup仿真組比賽。1999年8月，東大NEWNEU IK 出征巴西，參加世界杯賽FIRA CUP’99，獲MIROSOT第五名，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作比賽冠軍，實(shí)現(xiàn)金牌“零”的突破；1999年10月，東大NEWNEU參加在重慶大學(xué)舉行的第四屆全國(guó)大學(xué)生課外科技成果“挑戰(zhàn)杯”賽，榮獲一等獎(jiǎng)；1999年11月，東大NEWNEU機(jī)器人足球隊(duì)參加在哈工大舉行的首屆中國(guó)機(jī)器人足球錦標(biāo)賽，獲SMIROSOT和MIROSOT兩項(xiàng)冠軍；1999年9月，東大EWNEU足球機(jī)器入系統(tǒng)作為中國(guó)科技領(lǐng)域的最高成就被調(diào)進(jìn)京參加《光輝的歷程中華人民共和國(guó)建國(guó)50周年成就展》；1999年10月NEWNEU足球機(jī)器人系統(tǒng)作為國(guó)家863計(jì)劃成果參加在深圳舉行的《中國(guó)國(guó)際高新技術(shù)成果交易會(huì)》：2000年3月，遼寧省科委主持了《威望足球機(jī)器人研究與開(kāi)發(fā)》技術(shù)鑒定會(huì)，國(guó)內(nèi)權(quán)威專家一致認(rèn)為：該系統(tǒng)“添補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空自”，“達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平”。有限帶寬下的通訊技術(shù)主要是機(jī)器人之間、機(jī)器人和教練機(jī)之間的及時(shí)通訊技術(shù)，由于現(xiàn)在傳遞的信息不是太多，在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)條件下可以滿足比賽的要求。所以我們最終采用了機(jī)器人視覺(jué)用軟件實(shí)現(xiàn)的方案。移動(dòng)機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)和控制技術(shù)以及智能體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要涉及到機(jī)械加工和自動(dòng)化控制等方面的內(nèi)容，良好的設(shè)計(jì)、精細(xì)的加工等要求都很高。比賽雙方機(jī)器人隊(duì)員個(gè)數(shù)必須相等，并且最多不能超過(guò)11個(gè)球員，其中必須有一個(gè)守門員機(jī)器人。RoboCup中型組是RoboCup Soccer中的很重要的一種比賽項(xiàng)目，每屆比賽都有很多世界的知名大學(xué)和科研結(jié)構(gòu)參加，代表了機(jī)器人研究相應(yīng)領(lǐng)域的世界最高水平。足球機(jī)器人是在動(dòng)態(tài)環(huán)境中組建一支高速運(yùn)動(dòng)、機(jī)動(dòng)靈活的機(jī)器人球隊(duì)和一支具有等同實(shí)力的機(jī)器人球隊(duì)的比賽，極具挑戰(zhàn)性。重量不超過(guò)75kg。中型機(jī)器人組比賽是Robocup機(jī)器人足球世界杯賽的主要項(xiàng)目之一，自1997年第一屆Robocup比賽開(kāi)始即是正式比賽項(xiàng)目。RoboCup機(jī)器人足球世界杯賽及學(xué)術(shù)大會(huì)是國(guó)際上級(jí)別高、規(guī)模最大、影響最廣泛的機(jī)器人足球賽事和學(xué)術(shù)會(huì)議，每年舉辦一次。它是由國(guó)際人工智能學(xué)會(huì)組織的機(jī)器人世界杯足球賽(RoboCup)。目前，RoboCup競(jìng)賽現(xiàn)分有仿真組比賽、小型機(jī)器人組比賽(Smallsize League(F180))、中型機(jī)器人組比賽(Middle—Size League(F2000))、Sony四腿機(jī)器人比賽(S0NY Legged Robot League)、類人機(jī)器人組、家庭組等比賽：迄今中型組代表該領(lǐng)域的最高水平。比賽機(jī)器人通過(guò)顏色來(lái)識(shí)別場(chǎng)地上的特定目標(biāo)，場(chǎng)地為綠色，官方比賽用球是任意橙色國(guó)際足聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)尺寸5號(hào)球，邊界為白色，雙方球門分別為黃色和藍(lán)色，球門左右兩邊的角柱上下三分之一涂成己方球門的顏色，中間三分之一涂成對(duì)方球門的顏色，而比賽用的機(jī)器人必須涂成黑色，參賽雙方機(jī)器人一方貼有紫色(Magenta)數(shù)標(biāo)，另一方貼有藍(lán)色數(shù)標(biāo)(Cyan)。選擇足球作為這個(gè)研究的平臺(tái)可以使眾多最新的科技能夠在這個(gè)富有挑戰(zhàn)性和吸引力的平臺(tái)上得到最快的檢驗(yàn)，也可以吸引更多的人和組織參與到這個(gè)項(xiàng)目中，促進(jìn)機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展。RoboCup的比賽項(xiàng)目主要有：Simulation League(仿真2D／3D組比賽)、Smal1Size League(小型組比賽)、middleSize league(中型自主機(jī)器人比賽)和SONY Legged Robot League(SONY四腿機(jī)器人足球賽)等幾種。比賽用球是橙色的FIFA標(biāo)準(zhǔn)5號(hào)球。RoboCup中型組機(jī)器人比賽的規(guī)則非常詳細(xì)和具體，涉及到了方方面面，這樣就能夠使得根據(jù)比賽現(xiàn)場(chǎng)的任何情況都有章可循，為比賽的公平，公正奠定了良好的基礎(chǔ)4 圖11 RoboCup中型組的比賽場(chǎng)面根據(jù)RoboCup中型機(jī)器人的特點(diǎn)，可見(jiàn)整個(gè)RoboCup中型機(jī)器人的系統(tǒng)包括的研究?jī)?nèi)容主要有移動(dòng)機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)與控制技術(shù)、機(jī)器人視覺(jué)、多傳感器信息融合技術(shù)、智能機(jī)器人系統(tǒng)、實(shí)時(shí)規(guī)劃與推理、智能體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多智能體協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)、有限帶寬下的通訊技術(shù)等。如果用硬件實(shí)