【正文】 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。 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。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。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(gòu)和驅(qū)動輪布置方式。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。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。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(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(shè)定的機器人整體速度、角速度。此過程中，回路電流線性上升，電源將能量儲存到電感線圈中。(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。而且電路還可以實時采樣電機電樞電流信號。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。錯誤!不能通過編輯域代碼創(chuàng)建對象。它是TI在以TMS320C2xLP系列為內(nèi)部運算核心的基礎(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控制特殊片種。 (4)足球機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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。 111 2 2 23（a） (b)圖29帶球機構(gòu)簡圖帶球一直是機械部分的一個問題．它涉及到力學(xué)、材料、機械等多個方面。另外傳統(tǒng)類型輪上常安置一個導(dǎo)向桿提供一個自由度，在機器人小車中用作導(dǎo)向輪而球型輪有三個自由度，是最靈活的類型。6．可維護性：對于一個裝置而言。綜上所述，視覺系統(tǒng)要盡量提高圖像處理速度，提高辨識精度，還要對各自的不同的環(huán)境有迅速適應(yīng)的能力。知識庫中還應(yīng)有一個學(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(jié)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)。我們系統(tǒng)的軟硬件設(shè)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(shè)計的。視覺子系統(tǒng)是整個比賽的最終檢測反饋機構(gòu)，它扮演機器人的“眼睛”。60 2 足球機器人的體系結(jié)構(gòu)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。其中需要解決的關(guān)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(shù)。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(shù)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(jié)果。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。它是由國際人工智能學(xué)會組織的機器人世界杯足球賽(RoboCup)。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。所以我們最終采用了機器人視覺用軟件實現(xiàn)的方案。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(xué)和科研團體在開展這方面的研究。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(yīng)靈敏、響應(yīng)速度準確、重量輕、體積小。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(shè)計要求。這個時候視覺系統(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”。此外，由于機器人尺寸的限制，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，從而減輕了主機的負擔(dān)，提高了系統(tǒng)的實時處理速度。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。四輪的平面圖如圖29所示。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。本章主要對足球機器人的體系結(jié)構(gòu)做了系統(tǒng)設(shè)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)。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(shè)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。此外，原有的電路系統(tǒng)中存在內(nèi)部定時器不夠，導(dǎo)致PWM波頻率無法優(yōu)化的問題。另外還可通過SPI接口擴展EEPROM，可對控制程序進行外部存儲。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(shè)計(1)萬向輪驅(qū)動電路的設(shè)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。通過I/O來控制MOSFET開關(guān)來控制擊球，通過開啟的時間來控制擊球力量。這就需要設(shè)計DCDC升壓電路將10v的機器人電池電壓變換成200v以上。它根據(jù)“任務(wù)”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。足球機器人每組驅(qū)動輪使用一個直流電機驅(qū)動，又因為機器人速度由驅(qū)動輪速度合成得到，因此機器人x方向速度、加速度，y方向速度、加速度，角速度、角加速度會受到驅(qū)動輪電機動力學(xué)參數(shù)約束。在實際工程上應(yīng)用一種特殊情況：即各個控制量都取控制域的邊界值，而且不斷的從一個邊界切換到另一個邊界從而構(gòu)成最強的控制作用，即bangbang控制。在實際的足球機器人控制中，為了使機器人在運動平穩(wěn)、靈活，我們必須使這三個方向上的速度軌跡在時間上同步。 速度軌跡跟隨(Velocity Trajectory Tracking)控制 機器人驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計與動力學(xué)分析1﹑全向輪分析全向足球機器人可以在平面上全自由度的運動。所以如果要使機器人有大的加速度，必須加大驅(qū)動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)動力控制）控制輪速度控制（模糊PID控制）motor+——++機器人整體速度（由速度軌跡設(shè)定）電機轉(zhuǎn)速信息機器人位置信息 圖49速度軌跡跟隨算法總體控制框圖第一個環(huán)節(jié)為機器人速度矢量分解部分。由于四組驅(qū)動輪有一定的冗余，三組驅(qū)動輪即可合成機器人要達到的速度矢量，所以一組驅(qū)動輪打滑對機器人的軌跡影響不大，機器人有自動恢復(fù)到不打滑狀態(tài)的能力。則公式()可簡寫為： ()將P的偽逆矩陣表示為，則公式()變?yōu)椋? ()則驅(qū)動輪的線速度向量莎，可由其自身計算出： () () 根據(jù)公式()()，將通過檢測各驅(qū)動輪碼盤信號得到的機器人實際的速度矢量礦代入式()，計算此等式是否成立，如果成立則說明機器人在動中不存在失去驅(qū)動力的現(xiàn)象。四輪全向機器人四組驅(qū)動輪按照理想應(yīng)該在統(tǒng)一平面上，四組驅(qū)動輪同時與地面接觸，機器人自身載荷平均分配到各驅(qū)動輪上。根據(jù)對四輪全向機器人運動學(xué)方程()，我們知道四組驅(qū)動輪的在機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：當輪在輪軸法向產(chǎn)生正常的牽引時，它能在輪軸方向被動地自由滾動。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動到目標點的最小時間(速度軌跡設(shè)定時間)，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。這樣儲能電容兩端就可以得到遠高于電源電壓的電壓。機器人上在近距離需要對前方障礙物和球進行近距離的進行識別。驅(qū)動電路模塊使用四象限雙極性的H橋方式來驅(qū)動四路電機，以兩路I/O信號控制電機的停止、啟動和正反轉(zhuǎn)。足球機器人的速度軌跡控制是一個重要的研究對象，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接收端與無線模塊連接接收數(shù)據(jù)；以I/O連接無線模塊的配置端，配置無線模塊的工作狀態(tài)、波特率、頻點；主DSP以SCI接受中斷的方式逐個字節(jié)的接受無線指令，并進行校驗，將通過校驗的無線指令從SCITX傳送給從DSP。本文所述的設(shè)計中，針對機器人控制算法和控制要求的特點，針對前兩代足球機器人控制電路系統(tǒng)出現(xiàn)的做了體系結(jié)構(gòu)上的改變。通過對足球電路系統(tǒng)功能和性能特點的分析，綜合足球機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、進行優(yōu)化，提出本文所述的設(shè)計方案。擊球機構(gòu)踢球在足球機器人比賽中相當重要，擊球機構(gòu)是完成射門和傳球的工具。可以看出，在 ，設(shè)計具有上述功能及特性的機器人小車．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)計上要考慮便于安裝拆卸、調(diào)試檢測；軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，以便于調(diào)試、升級。微型機器人的四個子系統(tǒng)通過計算機視覺閉環(huán)而構(gòu)成的智能決策與控制系統(tǒng)他們共同協(xié)調(diào)運作構(gòu)成一個有機整體，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上的彩色圖像，并通過不斷地辨識橘紅色的高爾夫球和機器人外罩頂部的色標，及時得到場上運動物體的有關(guān)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳給主機供主機上的決策子系統(tǒng)進行分析、決策使用。足球機器人系統(tǒng)的基本控制結(jié)構(gòu)見圖25硬件結(jié)構(gòu)在點線框內(nèi)集中控制器基本動作動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足球機器人基本控制結(jié)構(gòu)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，包含著每個機器人的特殊行為和策略，如守門員。所謂“任務(wù)”即為機器人應(yīng)該到達的位置及姿態(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)提供的一系列的場景信息與及各種傳感器信息，對本方機器人的運動做出最佳的決策。足球機器人是機器人足球系統(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器人來實現(xiàn)的。機器人足球方案的設(shè)計，反映出開拓者們對人工智能學(xué)科前沿的深刻理解與敏銳的洞察力。1998年東北大學(xué)的NEWNEU機器入足球隊成立，它是一支硬件、軟件完全自主開發(fā)的機器人足球隊。 根據(jù)RoboCup中型組2004年比賽規(guī)則，比賽場地為12m8m的綠色矩形區(qū)域，球門一方為黃色，在其球門線兩側(cè)球場邊界處是兩端黃色中間藍色的標志桿，球門另一方為藍色，在其球門線兩側(cè)球場邊界處是兩端藍色中間黃色的標志桿，球場用白線作為邊界和點球、罰球、半場等的標記。自此機器人足球活動波及的范圍越來越廣泛，比賽的類型也不斷升級。機器人之間可以通過無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通訊，從而協(xié)調(diào)機器人之間的動作，實現(xiàn)多機器人合作完成比賽目標。機器人視覺既可以通過軟件來實現(xiàn)也可以通過硬件來實現(xiàn)。中國科技大學(xué)是國內(nèi)最早開展RoboCup工作的單位，第一個闖入了世界杯16