【正文】 一般情況下快速性要求大于準(zhǔn)確性要求，我們不對(duì)驅(qū)動(dòng)輪打滑進(jìn)行處理。 另一環(huán)節(jié)為驅(qū)動(dòng)輪控制部分，該部分采用模糊PID算法。此外，由于從動(dòng)輪的形狀為橄欖形，跟地面的摩擦系數(shù)也比較小。全向機(jī)器人之所以能全向運(yùn)動(dòng)在于它特殊的驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪布置方式。為了各方向上的速度軌跡達(dá)到時(shí)間上的同步，也就是要使得各方向上計(jì)算的最小時(shí)間tfmin相等。對(duì)兩外兩個(gè)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。分析公式()，可以得到機(jī)器人在自身坐標(biāo)系下的各個(gè)方向的動(dòng)力學(xué)參數(shù)幾乎沒有差別。它根據(jù)速度軌跡生成算法設(shè)定的速度矢量，參照足球機(jī)器人的自身參數(shù)控制，控制足球機(jī)器人使機(jī)器人在特定的時(shí)刻達(dá)到速度軌跡設(shè)定的機(jī)器人整體速度、角速度。此過程中，回路電流線性上升，電源將能量?jī)?chǔ)存到電感線圈中。(3)帶球電機(jī)的驅(qū)動(dòng)由于帶球電機(jī)只需要向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，所以可以使用一個(gè)N溝道功率型MOSFET來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。而且電路還可以實(shí)時(shí)采樣電機(jī)電樞電流信號(hào)。但是，同時(shí)主、從DSP之間的耦合度較高，主、從DSP之間需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換、管理、及握手信號(hào)。錯(cuò)誤!不能通過編輯域代碼創(chuàng)建對(duì)象。它是TI在以TMS320C2xLP系列為內(nèi)部運(yùn)算核心的基礎(chǔ)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(jī)控制特殊片種。 (4)足球機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成包括無(wú)線通訊子系統(tǒng)、決策子系統(tǒng)、視覺子系統(tǒng)、機(jī)器人車體子系統(tǒng)等組成。 111 2 2 23（a） (b)圖29帶球機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖帶球一直是機(jī)械部分的一個(gè)問題．它涉及到力學(xué)、材料、機(jī)械等多個(gè)方面。另外傳統(tǒng)類型輪上常安置一個(gè)導(dǎo)向桿提供一個(gè)自由度，在機(jī)器人小車中用作導(dǎo)向輪而球型輪有三個(gè)自由度，是最靈活的類型。6．可維護(hù)性：對(duì)于一個(gè)裝置而言。綜上所述，視覺系統(tǒng)要盡量提高圖像處理速度，提高辨識(shí)精度，還要對(duì)各自的不同的環(huán)境有迅速適應(yīng)的能力。知識(shí)庫(kù)中還應(yīng)有一個(gè)學(xué)習(xí)智能體，用以不斷豐富策略。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(diǎn)球、任意球等，由于電池容量有限，每半場(chǎng)五分鐘，中場(chǎng)休息10分鐘、下半場(chǎng)結(jié)束時(shí)若為平局，則有3分鐘的延長(zhǎng)期，也實(shí)行突然死亡法和點(diǎn)球大戰(zhàn)。我們系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)就是基于第二種模式(即基于視覺智能機(jī)器人系統(tǒng))來設(shè)計(jì)的。視覺子系統(tǒng)是整個(gè)比賽的最終檢測(cè)反饋機(jī)構(gòu)，它扮演機(jī)器人的“眼睛”。60 2 足球機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)足球機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)典型的多智能體系統(tǒng)(Multiagent System)，球隊(duì)擁有五個(gè)足球機(jī)器人。其中需要解決的關(guān)鍵問題包括：圖像采集以及信號(hào)處理、路徑規(guī)劃、無(wú)線通訊、控制決策、多傳感器信息融合等技術(shù)。多智能體協(xié)調(diào)控制主要涉及多機(jī)器人在比賽中如何進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)配合，因?yàn)镽oboCup機(jī)器人足球比賽跟人類的足球比賽一樣，只希望一個(gè)隊(duì)員就能破門得分是很困難的，而大部分的進(jìn)球都是多個(gè)機(jī)器人靈活配合下的結(jié)果。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。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)。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。所以我們最終采用了機(jī)器人視覺用軟件實(shí)現(xiàn)的方案。今天中國(guó)的機(jī)器人足球正在逐漸發(fā)展和壯大起來，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)體在開展這方面的研究。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。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。這個(gè)時(shí)候視覺系統(tǒng)就類似于一種傳感器。決策子系統(tǒng)處理來自視覺的視覺、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”。此外，由于機(jī)器人尺寸的限制，通信裝置的體積不能太大。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(jī)的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理速度。有來自各方面的干擾，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。四輪的平面圖如圖29所示。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球面面積的1/3。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，通過機(jī)器人小車子系統(tǒng)、視覺子系統(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)。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。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)化的問題。另外還可通過SPI接口擴(kuò)展EEPROM，可對(duì)控制程序進(jìn)行外部存儲(chǔ)。發(fā)送給機(jī)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(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(biāo)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(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。通過I/O來控制MOSFET開關(guān)來控制擊球，通過開啟的時(shí)間來控制擊球力量。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。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。足球機(jī)器人每組驅(qū)動(dòng)輪使用一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，又因?yàn)闄C(jī)器人速度由驅(qū)動(dòng)輪速度合成得到，因此機(jī)器人x方向速度、加速度，y方向速度、加速度，角速度、角加速度會(huì)受到驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)動(dòng)力學(xué)參數(shù)約束。在實(shí)際工程上應(yīng)用一種特殊情況：即各個(gè)控制量都取控制域的邊界值，而且不斷的從一個(gè)邊界切換到另一個(gè)邊界從而構(gòu)成最強(qiáng)的控制作用，即bangbang控制。在實(shí)際的足球機(jī)器人控制中，為了使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、靈活，我們必須使這三個(gè)方向上的速度軌跡在時(shí)間上同步。 速度軌跡跟隨(Velocity Trajectory Tracking)控制 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析1﹑全向輪分析全向足球機(jī)器人可以在平面上全自由度的運(yùn)動(dòng)。所以如果要使機(jī)器人有大的加速度，必須加大驅(qū)動(dòng)輪與地面之間的最大摩擦力。該算法分為兩部分：速度矢量分解（驅(qū)動(dòng)力控制）控制輪速度控制（模糊PID控制）motor+——++機(jī)器人整體速度（由速度軌跡設(shè)定）電機(jī)轉(zhuǎn)速信息機(jī)器人位置信息 圖49速度軌跡跟隨算法總體控制框圖第一個(gè)環(huán)節(jié)為機(jī)器人速度矢量分解部分。由于四組驅(qū)動(dòng)輪有一定的冗余，三組驅(qū)動(dòng)輪即可合成機(jī)器人要達(dá)到的速度矢量，所以一組驅(qū)動(dòng)輪打滑對(duì)機(jī)器人的軌跡影響不大，機(jī)器人有自動(dòng)恢復(fù)到不打滑狀態(tài)的能力。則公式()可簡(jiǎn)寫為： ()將P的偽逆矩陣表示為，則公式()變?yōu)椋? ()則驅(qū)動(dòng)輪的線速度向量莎，可由其自身計(jì)算出： () () 根據(jù)公式()()，將通過檢測(cè)各驅(qū)動(dòng)輪碼盤信號(hào)得到的機(jī)器人實(shí)際的速度矢量礦代入式()，計(jì)算此等式是否成立，如果成立則說明機(jī)器人在動(dòng)中不存在失去驅(qū)動(dòng)力的現(xiàn)象。四輪全向機(jī)器人四組驅(qū)動(dòng)輪按照理想應(yīng)該在統(tǒng)一平面上，四組驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)與地面接觸，機(jī)器人自身載荷平均分配到各驅(qū)動(dòng)輪上。根據(jù)對(duì)四輪全向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程()，我們知道四組驅(qū)動(dòng)輪的在機(jī)器人自身各方向上的速度和加速度是不同的。它們遵從于相同的基本原則：當(dāng)輪在輪軸法向產(chǎn)生正常的牽引時(shí)，它能在輪軸方向被動(dòng)地自由滾動(dòng)。所以必須通過設(shè)定各方向的控制量(各方向的加速度值)來調(diào)節(jié)生成的速度軌跡中運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)的最小時(shí)間(速度軌跡設(shè)定時(shí)間)，使得各方向上的速度軌跡同步。k為粘滯阻尼系數(shù)。． 控制方程解析，利用簡(jiǎn)化模型得到司以解析的控制方程如下： （） （） （）(t)、(t) 、(t) 分別為x方向、y方向和角方向上的控制作用(加速度)。也就是說，機(jī)器人“任務(wù)”信息也是以每秒25次(40毫秒)的速度來更新的。這樣儲(chǔ)能電容兩端就可以得到遠(yuǎn)高于電源電壓的電壓。機(jī)器人上在近距離需要對(duì)前方障礙物和球進(jìn)行近距離的進(jìn)行識(shí)別。驅(qū)動(dòng)電路模塊使用四象限雙極性的H橋方式來驅(qū)動(dòng)四路電機(jī)，以兩路I/O信號(hào)控制電機(jī)的停止、啟動(dòng)和正反轉(zhuǎn)。足球機(jī)器人的速度軌跡控制是一個(gè)重要的研究對(duì)象，因此需要執(zhí)行速度軌跡控制算法的DSP中的程序能夠很方便的改變。主DSP以SCI接收端與無(wú)線模塊連接接收數(shù)據(jù)；以I/O連接無(wú)線模塊的配置端，配置無(wú)線模塊的工作狀態(tài)、波特率、頻點(diǎn)；主DSP以SCI接受中斷的方式逐個(gè)字節(jié)的接受無(wú)線指令，并進(jìn)行校驗(yàn)，將通過校驗(yàn)的無(wú)線指令從SCITX傳送給從DSP。本文所述的設(shè)計(jì)中，針對(duì)機(jī)器人控制算法和控制要求的特點(diǎn)，針對(duì)前兩代足球機(jī)器人控制電路系統(tǒng)出現(xiàn)的做了體系結(jié)構(gòu)上的改變。通過對(duì)足球電路系統(tǒng)功能和性能特點(diǎn)的分析，綜合足球機(jī)器人體積和電源等方面的要求，我們將電路系統(tǒng)各種功能大膽融合、進(jìn)行優(yōu)化，提出本文所述的設(shè)計(jì)方案。擊球機(jī)構(gòu)踢球在足球機(jī)器人比賽中相當(dāng)重要，擊球機(jī)構(gòu)是完成射門和傳球的工具?？梢钥闯?，在 ，設(shè)計(jì)具有上述功能及特性的機(jī)器人小車．其關(guān)鍵在于采用高集成度、微型化技術(shù)和解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。因此在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要考慮便于安裝拆卸、調(diào)試檢測(cè)；軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便于調(diào)試、升級(jí)。微型機(jī)器人的四個(gè)子系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)視覺閉環(huán)而構(gòu)成的智能決策與控制系統(tǒng)他們共同協(xié)調(diào)運(yùn)作構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體，其邏輯關(guān)系如圖26所示。它的主要任務(wù)是不斷地、快速地采集處理賽場(chǎng)上的彩色圖像，并通過不斷地辨識(shí)橘紅色的高爾夫球和機(jī)器人外罩頂部的色標(biāo)，及時(shí)得到場(chǎng)上運(yùn)動(dòng)物體的有關(guān)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳給主機(jī)供主機(jī)上的決策子系統(tǒng)進(jìn)行分析、決策使用。足球機(jī)器人系統(tǒng)的基本控制結(jié)構(gòu)見圖25硬件結(jié)構(gòu)在點(diǎn)線框內(nèi)集中控制器基本動(dòng)作動(dòng)作行為障礙回避行為速度控制器左輪右輪編碼器傳感器RF通訊模塊硬件特殊智能人的干預(yù)軟件基于機(jī)器人的系統(tǒng)基于視覺的系統(tǒng)遙控?zé)o智能系統(tǒng)圖25足球機(jī)器人基本控制結(jié)構(gòu)除了特殊智能部分外每個(gè)機(jī)器人有相同的控制結(jié)構(gòu)，特殊智能部分，包含著每個(gè)機(jī)器人的特殊行為和策略，如守門員。所謂“任務(wù)”即為機(jī)器人應(yīng)該到達(dá)的位置及姿態(tài)。決策系統(tǒng)上接視覺子系統(tǒng)，下連通訊子系統(tǒng)，是整個(gè)智能系統(tǒng)的中心樞紐，是系統(tǒng)的“大腦”它主要功能是根據(jù)圖像系統(tǒng)提供的一系列的場(chǎng)景信息與及各種傳感器信息，對(duì)本方機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)做出最佳的決策。足球機(jī)器人是機(jī)器人足球系統(tǒng)中的本體部分，一切控制策略及算法最終都是通過足球機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器人足球方案的設(shè)計(jì)，反映出開拓者們對(duì)人工智能學(xué)科前沿的深刻理解與敏銳的洞察力。1998年?yáng)|北大學(xué)的NEWNEU機(jī)器入足球隊(duì)成立，它是一支硬件、軟件完全自主開發(fā)的機(jī)器人足球隊(duì)。 根據(jù)RoboCup中型組2004年比賽規(guī)則，比賽場(chǎng)地為12m8m的綠色矩形區(qū)域，球門一方為黃色，在其球門線兩側(cè)球場(chǎng)邊界處是兩端黃色中間藍(lán)色的標(biāo)志桿，球門另一方為藍(lán)色，在其球門線兩側(cè)球場(chǎng)邊界處是兩端藍(lán)色中間黃色的標(biāo)志桿，球場(chǎng)用白線作為邊界和點(diǎn)球、罰球、半場(chǎng)等的標(biāo)記。自此機(jī)器人足球活動(dòng)波及的范圍越來越廣泛，比賽的類型也不斷升級(jí)。機(jī)器人之間可以通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，從而協(xié)調(diào)機(jī)器人之間的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人合作完成比賽目標(biāo)。機(jī)器人視覺既可以通過軟件來實(shí)現(xiàn)也可以通過硬件來實(shí)現(xiàn)。中國(guó)科技大學(xué)是國(guó)內(nèi)最早開展RoboCup工作的單位，第一個(gè)闖入了世界杯16