【正文】 現(xiàn)則價格過于昂貴，我們認為只要用軟件實現(xiàn)的速度達到要求就是可行的，因為即使用硬件雖然速度很快，但是我們的機器人本體運動速度最快為2m／s，用軟件實現(xiàn)也比這個速度快得多。多智能體協(xié)調(diào)控制主要涉及多機器人在比賽中如何進行戰(zhàn)術配合，因為RoboCup機器人足球比賽跟人類的足球比賽一樣，只希望一個隊員就能破門得分是很困難的，而大部分的進球都是多個機器人靈活配合下的結果。先后獲得了國家863智能機器人主題辦和國家自然科學基金委的資助。在RoboCup比賽項目上，清華大學和中國科技大學代表了中國最高水平。目前也有一些院校在進行其它比賽項目的研究，并取得了不錯的成績。其中需要解決的關鍵問題包括：圖像采集以及信號處理、路徑規(guī)劃、無線通訊、控制決策、多傳感器信息融合等技術。在足球機器人的開發(fā)過程中，不僅要遇到機器人學(Robotics)，機電一體化，通訊與計算機技術等，而且還要面對圖像處(ImageProcessing)，傳感器數(shù)據(jù)融合(Sensor Data Fusion)，決策與對策，模糊理論與神經(jīng)網(wǎng)絡控制，智能控制等學科內(nèi)容。機器人足球之所以獲的如此迅猛的發(fā)展，就是因為它是人工智能領域的理想突破點，又是吸引年青人科研興趣與高技術攻關的完美結合點，也是密切理論聯(lián)系實際的極富生命力的成長點。研究足球機器人對我們國家的科技發(fā)展與技術進步有著促進和推動作用。60 2 足球機器人的體系結構足球機器人系統(tǒng)是一個典型的多智能體系統(tǒng)(Multiagent System)，球隊擁有五個足球機器人。所以中型組足球機器人的本體設計對比賽起了至關重要的作用。圖2l RoboCup小型組機器人足球隊工作場景示意圖 足球機器人的系統(tǒng)原理組成在機器人足球比賽中(如圖21所示)，比賽雙方都通過懸掛于球場上方3m的攝像頭來采集信息，并且通過視覺系統(tǒng)的分析從而將比賽情況傳入控制主機，由主機上的決策程序根據(jù)比賽情況做出恰當?shù)臎Q策和對策，然后通過無線通訊系統(tǒng)將最終的決策指令傳給機器人。決策系統(tǒng)的指令通過無線通訊系統(tǒng)發(fā)送給機器人小車系統(tǒng)，控制子系統(tǒng)根據(jù)指令控制機器人相應的運動，再由視覺子系統(tǒng)采集場地信息，反饋給決策系統(tǒng)，完成閉環(huán)控制。視覺子系統(tǒng)是整個比賽的最終檢測反饋機構，它扮演機器人的“眼睛”。控制系統(tǒng)是決策系統(tǒng)和機器人本體之間的聯(lián)接部分，它是機器人運動的核心處理部分，如果決策系統(tǒng)是教練，那控制系統(tǒng)就是隊員的本領，它的好壞關系到機器人體現(xiàn)決策系統(tǒng)指令的好壞。② 基于視覺智能足球機器人系統(tǒng)(Brain Onboard VisionBased Mobile Robot System)。第三種基于機器人的足球機器人系統(tǒng)，這時足球機器人具有很多自主性，所有的計算包括決策、控制都在機器人上面完成，而主機只處理視覺數(shù)據(jù)，然后將有關信息傳給機器人。我們系統(tǒng)的軟硬件設計就是基于第二種模式(即基于視覺智能機器人系統(tǒng))來設計的。決策控制部分采用分層控制處理結構，由信息處理層、協(xié)調(diào)戰(zhàn)術層、任務層和動作層組成，如圖23所示。動作層：根據(jù)私有信息庫的知識，結合場上現(xiàn)實情形，選擇合適的執(zhí)行方案并調(diào)用基本動作實現(xiàn)。足球機器人系統(tǒng)由機器人、系如圖24所示。象我們所熟悉的足球比賽一樣，它具有一套判罰規(guī)則，如點球、任意球等，由于電池容量有限，每半場五分鐘，中場休息10分鐘、下半場結束時若為平局，則有3分鐘的延長期，也實行突然死亡法和點球大戰(zhàn)。機器人基本行為有運動和障碼回避，基本動作有射門、定點射門、截球、防守和攔截等，在足球賽中最基本也足最重要的動作。主機的決策指令通過串行方式輸出至無線發(fā)射機，經(jīng)調(diào)制后發(fā)射出去，機器人內(nèi)的無線接收機解調(diào)出無線信號上所載命令信息，然后傳送給車載處理器。所以對無線通信的可靠性有很高的要求。知識庫中還應有一個學習智能體，用以不斷豐富策略。目前廣泛采用的是固態(tài)攝像頭，因為它具有穩(wěn)定性、可攜性和精確性等特點。這種方式下，圖像采集卡的結構簡單、通用性強、成本低，但由于主機要完成大量的數(shù)字圖像信息的處理，加大了CPU的開銷。采用硬件法時，圖像采集卡完成圖像的數(shù)字化轉(zhuǎn)換、壓縮、分析和處理的功能，向主機傳送圖像處理的結果。綜上所述，視覺系統(tǒng)要盡量提高圖像處理速度，提高辨識精度，還要對各自的不同的環(huán)境有迅速適應的能力。決策子系統(tǒng)無線通信子系統(tǒng)機器人車體子系統(tǒng)比賽現(xiàn)場視覺子系統(tǒng)圖26足球機器人系統(tǒng)構成可以說，機器人足球賽實際上是目前國際機器人界關注的多機器人智能系統(tǒng)的演練，它涉及到機器人的相互作用，協(xié)調(diào)交換知識，通過相互動作配合以期望在整體上完成一些非常復雜的動作，多機器人的動作協(xié)調(diào)配合以及系統(tǒng)控制是當前機器人及人工智能研究中非常前沿的課題。2．功能要求：根據(jù)系統(tǒng)所選擇的：工作模式，機器人應具有以下功能：4．可靠性：參賽機器人的工作環(huán)境比較惡劣。6．可維護性：對于一個裝置而言。7．經(jīng)濟性：較高的性能價格比一直是開發(fā)設計中追求的目標。在輪式結構中雙輪結構方式(Biwheel type)具有易于建模和控制，平滑性能較好等特點，只是輪子可能會與地面產(chǎn)生滑動。除主動輪外，還應安排兩個支撐輪，采用萬向輪為好。另外傳統(tǒng)類型輪上常安置一個導向桿提供一個自由度，在機器人小車中用作導向輪而球型輪有三個自由度，是最靈活的類型。2．6足球機器人的機電結構設計四輪傘向足球機器人。如圖28所示，足球機器人的驅(qū)動輪機構是圓形大輪的圓周上密布小滾動輪子構成，整個驅(qū)動輪可以沿同向與軸向兩個方向做滾動，其中周向受電機驅(qū)動，軸向可自由運動。全向足球機器人在比賽過程中可以精確的實現(xiàn)各種復雜的路徑運動。 111 2 2 23（a） (b)圖29帶球機構簡圖帶球一直是機械部分的一個問題．它涉及到力學、材料、機械等多個方面。目前的擊球方式大致有以下幾種：彈簧儲能擊球、齒輪齒條擊球、氣動擊球、弓弩式擊球、電磁鐵擊球。氣動和弓弩式擊球機構設計制造復雜，穩(wěn)定性不好。因此，可以使用擊球機構來實現(xiàn)不同力度的“傳球”和“射門”。 (4)足球機器人的系統(tǒng)結構組成包括無線通訊子系統(tǒng)、決策子系統(tǒng)、視覺子系統(tǒng)、機器人車體子系統(tǒng)等組成。電路系統(tǒng)是作為整體進行設計和優(yōu)化的，可劃分為以下幾個功能模塊：①MCU模塊。該模塊在MCU模塊的控制下，以脈寬調(diào)制的方式對機器人驅(qū)動電機進行實時調(diào)速控制。該模塊使用紅外發(fā)光管和紅外接收管來探測機器人是否帶到球以及周圍障礙物與機器人的距離。它是TI在以TMS320C2xLP系列為內(nèi)部運算核心的基礎上，整和了豐富的外圍控制電路和接口而形成的一類面向電機控制特殊片種。雙MCU系統(tǒng)特點足球機器人控制電路系統(tǒng)的MCU在實際工作中要承擔很大的運算量，它最大的兩項系統(tǒng)開銷是以115200bps的波特率來接受SCI通訊、以定時中斷的方式實時的對四路驅(qū)動電機進行速度閉環(huán)控制。而機器人控制用MCU以查詢的方式，通過有線SCI的形式接收無線通訊電路轉(zhuǎn)發(fā)的指令，這樣較好的解決了這一矛盾。這樣的方案成本高、系統(tǒng)復雜。錯誤!不能通過編輯域代碼創(chuàng)建對象。(3)主DSP根據(jù)從DSP的請求，讀取2路電機的碼盤信號，從SCITX傳送給從DSP。該過程應用機器人的速度軌跡跟隨算法，控制機器人的運動。(4)從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。但是，同時主、從DSP之間的耦合度較高，主、從DSP之間需要進行大量的數(shù)據(jù)交換、管理、及握手信號。主DSP對從DSP進行管理，上位機可以通過發(fā)送控制指令給主DSP，由主DSP來管理從DSP的控制算法程序。也就是說經(jīng)過校驗的指令和碼盤信號都是通過同一個通道傳送的。兩個I／O可以表示四組狀態(tài)，握手信號狀態(tài)表如表31：表31 SCI傳輸握手信號狀態(tài)表I/0 1I/0 2狀態(tài) 11 無效 1 0 發(fā)送碼盤信號 0 1 發(fā)送指令信號 0 0 無效SCI接口波特率為115200bps；數(shù)據(jù)格式為：1bit起始位，8bit數(shù)據(jù)位，1bit停止位，無奇偶校驗。而且電路還可以實時采樣電機電樞電流信號。通過PWM方式來對電機調(diào)速，控制電機達到預定的轉(zhuǎn)速。電機的驅(qū)動電路原理圖如圖34所示： 圖34電機的驅(qū)動電路原理圖由于機器人電源為llV，為了簡化電路我們使用集電極開路的與門芯片輸上拉來驅(qū)動MOSFET。(2)“踢球電磁鐵的驅(qū)動電路充電電路將電壓上升到200v貯存在儲能電容中。(3)帶球電機的驅(qū)動由于帶球電機只需要向一個方向旋轉(zhuǎn)，所以可以使用一個N溝道功率型MOSFET來驅(qū)動電機。我們選用紅外發(fā)光紅外光電管來作為的球的光電檢測器和近距離傳感器。DSP內(nèi)置的AD單元讀出電壓變化，就可以檢測到機器人是否控制住球了。經(jīng)過分析和實驗，使用200v以上的直流電壓來驅(qū)動電磁鐵可以使得機器人“踢球”的最大速度達到5m/s。此過程中，回路電流線性上升，電源將能量儲存到電感線圈中。，該升壓電路就能不斷的給儲能電容充電。通過這樣的過程，就可以把儲能電容中的電壓維持在設定的電壓上。從運動控制模式上內(nèi)在層次，運動控制算法可分為下面為兩個部分：速度軌跡生成算法。它根據(jù)速度軌跡生成算法設定的速度矢量，參照足球機器人的自身參數(shù)控制，控制足球機器人使機器人在特定的時刻達到速度軌跡設定的機器人整體速度、角速度。(3)機器人“任務”每更新一次，機器人運動控制系統(tǒng)就使用速度軌跡生成算法為五個機器人各自獨立的生成新的速度軌跡，并通過無線通訊系統(tǒng)以指令的形式發(fā)送給機器人主控系統(tǒng)。 速度軌跡生成(Velocity Trajectory Generation)算法本節(jié)要討論的速度軌跡生成(Velocity Trajectory Generation)算法(簡稱：VTG)基于bang—bang控制，它對多智能體協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)指定的足球機器人初始位置、初始速度、末位置、末速度生成一條時間最優(yōu)的速度軌跡，使得足球機器人能以最短的時間到達末位置并保持指定的末速度。通過控制四組驅(qū)動輪速度成特定關系，機器人可以在平面上按照任意軌跡行走。分析公式()，可以得到機器人在自身坐標系下的各個方向的動力學參數(shù)幾乎沒有差別。Kx、Ky、K分別為三個方向上的粘滯阻尼系數(shù)。、分別為三個方向上的初始速度。應用極小值原理很難求出具體的時間最優(yōu)控制x(t)、y(t)和(t)。對兩外兩個變量y和的求解過程和x相同，只需要將z分別換成y和即可。因此，公式()、()、()轉(zhuǎn)化為： () () ()初始時刻為0時刻為正負最強控制作用切換點時刻為末時刻根據(jù)方程()、()、()可以求得：當0≤t≤t1 ，為正最強控制作用段。再代入公式()、()積分根據(jù)上節(jié)所述的軌跡生成算法原理，我們可以為四輪全向足球機器人生成實際的速度軌跡曲線。各方向上生成的速度軌跡與起始點與目標點的距離、初時刻速度、末時刻速度、最大控制量(最大加速度)值相關，到達目標點的最小時間也與這些值相關。為了各方向上的速度軌跡達到時間上的同步，也就是要使得各方向上計算的最小時間tfmin相等。事實上，x方向、y方向上的速度軌跡必須時間上統(tǒng)一，轉(zhuǎn)動角方向θ與x方向、y方向不是必須統(tǒng)一，但是統(tǒng)一的話會使得控制更優(yōu)。 我們?yōu)榱思礉M足X方向和Y方向上的時間統(tǒng)一，又使得這個統(tǒng)一的速度軌跡時間值最小。只需要計算出這個，即能生成x和y方向同步的速度軌跡。全向機器人之所以能全向運動在于它特殊的驅(qū)動輪機構和驅(qū)動輪布置方式。每個輪子部產(chǎn)生一個輪軸法向和地面平行的轉(zhuǎn)矩。下面我們來對機器人進行動力學分析來說明。此時機器人有最大的加速度。此外，由于從動輪的形狀為橄欖形，跟地面的摩擦系數(shù)也比較小。為了各個方向的速度和加速度均衡，同時為了讓開機器人正面空間便于安裝帶球、擊球系統(tǒng)，我們確定四個車輪間夾角采用如下配置：表41四個車輪間夾角配置表SymbolAngle Degrees13522530060根據(jù)表41中的四個車輪間夾角配置，根據(jù)公式()，我可以計算各方向的最大加速度，并繪制示意圖如下：42064602466 4 2 0 2 4 6圖47四輪全向機器人各方向加速度分布示意圖 由圖47可見機器人各方向運動能力有一定差異，但是不差異不是太大動力學分析在速度軌跡生成算法里我們對四輪足球機器人進行了運動學分析，得到運動學方程()。將上面的加速度方程表示為矩陣向量相乘的形式： ()將公式()對時間積分，能得到各個輪子的最終速度，機器人平面運動的速度和角速度： ()．速度軌跡跟隨算法總體控制框圖robot速度軌跡跟隨算法屬于運動控制中的一個部分，它根據(jù)速度軌跡生成算法生成的速度軌跡控制足球機器人達到速度軌跡設定的速度。 另一環(huán)節(jié)為驅(qū)動輪控制部分，該部分采用模糊PID算法。但根據(jù)幾何原理，三點決定一個平面。不同的摩擦力導致機器人驅(qū)動輪表現(xiàn)出不同動力學特性。綜合上面的兩點，在速度矢量環(huán)節(jié)我們必須對機器人進行一定的驅(qū)動力控制，防止在機器人驅(qū)動輪失去驅(qū)動力的情況下偏離設定的路徑。一般情況下快速性要求大于準確性要求，我們不對驅(qū)動輪打滑進行處理。如果經(jīng)過計算該等式不成立，則機器人驅(qū)動輪產(chǎn)生了打滑等失去了驅(qū)動力的現(xiàn)象。在前面的運動控