【正文】 置點的坐標、y坐標、機器人正對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，速度軌跡生成算法也是每秒25次工作一次，將機器人要保持的整體速度發(fā)送給機器人。結(jié)合足球機器人系統(tǒng)整體工作流程，足球機器人運動控制過程如下：(1)整個足球機器人視覺系統(tǒng)以每秒25幀的速度處理圖像信息。它根據(jù)“任務”為足球機器人生成一條速度軌跡，得到的是機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)電路設計做了系統(tǒng)設計包括控制電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、MCU模塊設計、主從工作模式下的軟件設計、驅(qū)動電路模塊的設計，主DSP對從DSP進行控制和管理，雙DSP配合，完成速度跟隨控制、無限通訊、傳感器數(shù)據(jù)讀取等任務。當儲能電容中的電壓達到我們預先設定的電壓時，PWM發(fā)生器停止工作，充電電路停止給儲能電容充電。當MOS管關斷時，電源電感與儲能電容組成回路。這就需要設計DCDC升壓電路將10v的機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)接收信號強弱判斷物體的距離。其中檢測球的原理如下：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”電機驅(qū)動電路機器人在場上比賽需要設別很多信息。通過I/O來控制MOSFET開關來控制擊球，通過開啟的時間來控制擊球力量。電機后串聯(lián)一個0．22歐姆的大功率電阻。表34電機控制真值表PORT1PORT2PWM1電機狀態(tài)HIGHHIGHX停止LOWLOWX停止HIGHLOW可變占空比正傳，調(diào)速機器人工作時，機器人在場上的行為會實時變化。機器人工作時，MCU模塊以500KHz的頻率采樣四路電機的轉(zhuǎn)速信號和電樞電流信號。發(fā)送給機器人的指令數(shù)據(jù)是通過封裝好的數(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幀頭標志號碼（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機器人碼盤數(shù)據(jù)也是通過封裝好的數(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碼盤數(shù)據(jù)幀格式Byte0Byte1Byte2Byte3Byte4Byte5Byte6幀頭標志讀書1高八位讀書1低八位讀書2高八位讀書1低八位校驗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)動電路模塊的設計(1)萬向輪驅(qū)動電路的設計機器人四組萬向輪分別使用直流電機驅(qū)動，并配置了512線編碼器。因而需要采用一定的機制來解決。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SPI接口擴展EEPROM，可對控制程序進行外部存儲。算法中的驅(qū)動電機速度控制需要應用驅(qū)動電機正交碼盤信號作為反饋。(4)主DSP擴展了32K*16的SRAM作為片外程序RAM，用于通過JTAG進行仿真調(diào)試。等芯片控制端。此外，原有的電路系統(tǒng)中存在內(nèi)部定時器不夠，導致PWM波頻率無法優(yōu)化的問題。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、復雜性、可靠性。此外，還有驅(qū)動輪速度分配運算、無線指令校驗解析、傳感器信號處理等工作。它具有以下一些優(yōu)點：運算速度快、運算精度高；體積小、功耗低；指令系統(tǒng)功能強大、高效；存儲空間大、擴展簡便；片內(nèi)“外設”豐富、接口簡單；帶有多個事件管理器方便對電機進行控制。足球機器人電路系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖3l所示： 圖31 足球機器人電路系統(tǒng)框圖 MCU模塊設計機器人控制MCU需要完成機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)機器人總體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設計包括：尺寸限制、功能要求運動功能等(6)機電機構(gòu)設計，驅(qū)動機構(gòu)、帶球機構(gòu)、擊球機構(gòu)。本章主要對足球機器人的體系結(jié)構(gòu)做了系統(tǒng)設計,主要包括以下內(nèi)容：（1）足球機器人的系統(tǒng)原理組成，通過機器人小車子系統(tǒng)、視覺子系統(tǒng)、無線通訊子系統(tǒng)、機器人的控制子系統(tǒng)及決策子系統(tǒng)組成構(gòu)成了大的閉環(huán)系統(tǒng)。電磁鐵機構(gòu)是目前足球機器人擊球機構(gòu)中用的最為普遍的一種機構(gòu)，它的優(yōu)點是力量大，動作頻率高，反應速度快，機械機構(gòu)相對簡單可靠。實踐證明彈簧儲能擊球效果不好，在擊球之前通過電機將彈簧壓縮儲能，擊球時彈簧瞬間釋放能量，先前彈簧儲存的彈性勢能全部轉(zhuǎn)化為施加給小球的沖量。因為機器人的行走機構(gòu)換了一種全向輪，雖然抓地力更強，但是也帶來了抖動，給帶球機構(gòu)的設計帶來了很大的麻煩。帶球機構(gòu)比賽規(guī)則規(guī)定，帶球機構(gòu)與球面的接觸面積不得超過球面面積的1/3。四組驅(qū)動輪及電機成一定角度布置存一個圓周，通過各驅(qū)動輪的速度矢量合成，機器人可以在平面上實現(xiàn)全自由度運動。它具自特殊的驅(qū)動輪設計及布置方式，因此它具備平面上的全自由度運動能力。全方位型輪結(jié)構(gòu)復雜，故不常用。四輪的平面圖如圖29所示。NEU隊采用雙輪式結(jié)構(gòu)，且輪子為固定式的。對于運動部件來說有輪式和履帶式(Caterpillar Type)可供選擇。維護性是十分重要的。有來自各方面的干擾，如賽場強烈的光線照射對機器人障礙檢測的干擾；電機啟制動火花的無線通訊及車載計算機的干擾：以及對抗、碰撞等產(chǎn)生的干擾。 無線數(shù)字接收 機器人總體結(jié)構(gòu)設計足球機器人是一種無線智能移動小車，為適應比賽需要，機器人設計應包括CPU板、通訊模塊、傳動驅(qū)動、傳感器等部分。4 機器人車體子系統(tǒng)機器人車體子系統(tǒng)按照決策系統(tǒng)的意圖去完成一定的行為，在整個系統(tǒng)中，它扮演著執(zhí)行機構(gòu)的角色，機器人車體子系統(tǒng)一般由動力驅(qū)動裝置、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完成，從而減輕了主機的負擔，提高了系統(tǒng)的實時處理速度。采用軟硬件綜合法時，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、成本低、主機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，簡稱CCD攝像頭。各種智能算法如神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊算法、遺傳算法學也可以應用到構(gòu)造策略庫以及策略選擇進程中，系統(tǒng)根據(jù)采取的對策，計劃機器人的任務，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器人的運動。此外，由于機器人尺寸的限制，通信裝置的體積不能太大。在這種于視覺的足球機器人系統(tǒng)中，機器人要靠上位機的指導來精確和快速完成攻防行為。在此基礎上在開發(fā)出特殊行為，決策層根據(jù)現(xiàn)場狀態(tài)做出決策，具體是對每個機器人部署，即選擇動作，再把動作分解成基本行為。球場上(2m處)懸掛的攝像機將比賽情況傳入計算機，由預裝的軟件作出決策，再通過無線通信方式將命令傳給場上的機器人，機器人協(xié)同作戰(zhàn)，雙方對抗，形成一場激烈的足球賽。決策子系統(tǒng)處理來自視覺的視覺、決策和通訊四個子系統(tǒng)組成，其相互聯(lián)實時場景辨識數(shù)據(jù)，作出決策發(fā)出命令，通過無線通訊給機器人小車，決策子系統(tǒng)相當于機器人的“大腦”，視覺子系統(tǒng)相當于機器人的“眼睛”，機器人小車相當于機器人的“手腳”。底層為足球機器人運動控制部分，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”控制機器人運動。信息處理層：處理場上基本信息，經(jīng)過預測分析，得出綜合信息并更新舊的公共信息庫為后續(xù)決策提供知識。．足球機器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)比賽中，機器人足球隊的控制系統(tǒng)根據(jù)其功能層次，可以劃分為決策控制和運動控制兩個層次：圖23足球機器人運動控制總體結(jié)構(gòu)圖如上層為決策控制部分，它是一個多智能體系統(tǒng)(Multiagent System)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。這個時候視覺系統(tǒng)就類似于一種傳感器。這樣我們就可以得到三種足球機器人的系統(tǒng)工作模式第一種基于視覺遙控的無智能足球機器人系統(tǒng)，它所有的視覺處理、策略決策和位置控制都在主機上完成，就像遙控小車一樣。它的作用就是根據(jù)一定的算法來解析決策系統(tǒng)的指令將它轉(zhuǎn)化為具體的機器人的運動指令，并且控制機器人實現(xiàn)相應運動。它的主要任務是利用攝像頭實時采集比賽場地上的圖像信息，通過圖像卡處理并且辨別這些圖像，得到場地上運動物體(包括雙方8個機器人和球)的相關數(shù)據(jù)，主要是每個機器人的橫坐標x、縱坐標和其方向角度，并且將這些數(shù)據(jù)傳給主機，以供主機上的決策系統(tǒng)進行分析決策使用。下面分別簡要介紹各部分的組成以及系統(tǒng)對各部分的設計要求。機器人接受到指令后做出相應的動作，從而完成整個工作流程。不同的控制要求決定了不同機器人的結(jié)構(gòu)設計和控制策略。五個機器人在場上具有各自的角色如：前鋒、后衛(wèi)、守門員，在比賽中分別承擔不同的任務。中型自主足球機器人賽在RoboCup國際機器人足球世界杯中具有重要的地位，中型自主足球機器人要求控制系統(tǒng)感應靈敏、響應速度準確、重量輕、體積小。機器人踢足球，看似游戲，其實展示了一個國家信息和自動化技術的綜合實力。機器人足球，它以高技術對抗的形式贏得了學術界的認同，一些學術刊物刊登了機器人足球的專輯，一些有影響的國際學術會議也安排了專題討論。因此,中型組機器人足球比賽最具挑戰(zhàn)性,也最能體現(xiàn)研究單位的科研實力。今天中國的機器人足球正在逐漸發(fā)展和壯大起來，引起社會各界的極大興趣，國內(nèi)己有幾十所大學和科研團體在開展這方面的研究。國內(nèi)的參賽隊伍一般都是參加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，標準動作比賽冠軍，實現(xiàn)金牌“零”的突破；1999年10月，東大NEWNEU參加在重慶大學舉行的第四屆全國大學生課外科技成果“挑戰(zhàn)杯”賽，榮獲一等獎；1999年11月，東大NEWNEU機器人足球隊參加在哈工大舉行的首屆中國機器人足球錦標賽，獲SMIROSOT和MIROSOT兩項冠軍；1999年9月，東大EWNEU足球機器入系統(tǒng)作為中國科技領域的最高成就被調(diào)進京參加《光輝的歷程中華人民共和國建國50周年成就展》；1999年10月NEWNEU足球機器人系統(tǒng)作為國家863計劃成果參加在深圳舉行的《中國國際高新技術成果交易會》：2000年3月，遼寧省科委主持了《威望足球機器人研究與開發(fā)》技術鑒定會，國內(nèi)權威專家一致認為：該系統(tǒng)“添補了國內(nèi)空自”，“達到國際先進水平”。有限帶寬下的通訊技術主要是機器人之間、機器人和教練機之間的及時通訊技術，由于現(xiàn)在傳遞的信息不是太多，在現(xiàn)有的網(wǎng)絡條件下可以滿足比賽的要求。所以我們最終采用了機器人視覺用軟件實現(xiàn)的方案。移動機器人的本體設計和控制技術以及智能體結(jié)構(gòu)設計主要涉及到機械加工和自動化控制等方面的內(nèi)容，良好的設計、精細的加工等要求都很高。比賽雙方機器人隊員個數(shù)必須相等，并且最多不能超過11個球員，其中必須有一個守門員機器人。RoboCup中型組是RoboCup Soccer中的很重要的一種比賽項目，每屆比賽都有很多世界的知名大學和科研結(jié)構(gòu)參加，代表了機器人研究相應領域的世界最高水平。足球機器人是在動態(tài)環(huán)境中組建一支高速運動、機動靈活的機器人球隊和一支具有等同實力的機器人球隊的比賽，極具挑戰(zhàn)性。重量不超過75kg。中型機器人組比賽是Robocup機器人足球世界杯賽的主要項目之一，自1997年第一屆Robocup比賽開始即是正式比賽項目。RoboCup機器人足球世界杯賽及學術大會是國際上級別高、規(guī)模最大、影響最廣泛的機器人足球賽事和學術會議，每年舉辦一次。它是由國際人工智能學會組織的機器人世界杯足球賽(RoboCup)。目前，RoboCup競賽現(xiàn)分有仿真組比賽、小型機器人組比賽(Smallsize League(F180))、中型機器人組比賽(Middle—Size League(F2000))、Sony四腿機器人比賽(S0NY Legged Robot League)、類人機器人組、家庭組等比賽：迄今中型組代表該領域的最高水平。比賽機器人通過顏色來識別場地上的特定目標，場地為綠色，官方比賽用球是任意橙色國際足聯(lián)標準尺寸5號球，邊界為白色，雙方球門分別為黃色和藍色，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方球門的顏色，而比賽用的機器人必須涂成黑色，參賽雙方機器人一方貼有紫色(Magenta)數(shù)標，另一方貼有藍色數(shù)標(Cyan)。選擇足球作為這個研究的平臺可以使眾多最新的科技能夠在這個富有挑戰(zhàn)性和吸引力的平臺上得到最快的檢驗，也可以吸引更多的人和組織參與到這個項目中，促進機器人領域的發(fā)展。RoboCup的比賽項目主要有：Simulation League(仿真2D／3D組比賽)、Smal1Size League(小型組比賽)、middleSize league(中型自主機器人比賽)和SONY Legged Robot League(SONY四腿機器人足球賽)等幾種。比賽用球是橙色的FIFA標準5號球。RoboCup中型組機器人比賽的規(guī)則非常詳細和具體，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4 圖11 RoboCup中型組的比賽場面根據(jù)RoboCup中型機器人的特點，可見整個RoboCup中型機器人的系統(tǒng)包括的研究內(nèi)容主要有移動機器人的本體設計與控制技術、機器人視覺、多傳感器信息融合技術、智能機器人系統(tǒng)、實時規(guī)劃與推理、智能體結(jié)構(gòu)設計、多智能體協(xié)調(diào)設計、有限帶寬下的通訊技術等。如果用硬件實