【文章內(nèi)容簡介】 位置控制和自動避障等功能。主機處理視覺數(shù)據(jù)，根據(jù)策略庫選擇機器人的下一個周期的行為，并通過無線發(fā)射器將控制命令發(fā)給各個機器人。(3) 完全自主型足球機器人系統(tǒng)該機器人系統(tǒng)屬于完全自主的智能體系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，機器人有視覺處理功能，還有許多自主行為，所有的計算（包括決策）和控制都由機器人自身完成。除了特殊智能部分外每個機器人有相同的控制結(jié)構(gòu)。特殊智能部分包括每個機器的特殊行為和策略，如守門員。每個機器人的中心控制器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，本身的傳感器數(shù)據(jù)以及自身的策略采取適當?shù)牟呗??；拘袨橛幸苿?、旋轉(zhuǎn)和加速。基本動作有踢球、射門、攔截、守門和避障等。 本論文的研究工作足球機器人系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容包括：視覺技術(shù)、高可靠的通訊技術(shù)、機器人小車技術(shù)、決策技術(shù)及仿真實現(xiàn)。本論文主要研究了足球機器人車體設計及控制技術(shù)。1. 足球機器人車體設計部分(1) 機構(gòu)分析與設計，主要包括：l 運動機構(gòu)——分析單排雙向輪的性能優(yōu)越性和修正三輪布局的運動學性能。l 帶球機構(gòu)——分析帶球機構(gòu)的工作和性能優(yōu)化的原理與方法。l 擊球機構(gòu)——分析螺線管電磁鐵式機構(gòu)的工作原理和影響性能的決定因素。(2) 電路系統(tǒng)設計，主要包括：l 基于NXP公司LPC2138 ARM7為主芯片芯片的控制電路設計，該電路具有資源豐富、高性能、低功耗等優(yōu)點。l 基于L298N芯片H全橋電路的輪子驅(qū)動電路設計、具有效率高輸出電流大等優(yōu)點。l 基于非隔離型開關(guān)電源原理的螺線管電磁鐵升壓電路設計，具有充電速度快，控制簡單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。2. 控制部分(1) 機器人的運動控制，包括：l 三輪全向驅(qū)動機器人的運動控制算法的設計。l 基于數(shù)字PID算法的電機調(diào)速，算法實現(xiàn)簡單，耗時少。(2) 底層控制流程，包括：l 指令幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，主函數(shù)循環(huán)接收，判斷和執(zhí)行指令幀數(shù)據(jù)的過程和方法。l 定時中斷子程序執(zhí)行指令的過程和操作分類。第3章 足球機器人的機構(gòu)設計 引言車體系統(tǒng)包括兩部分：機器人機構(gòu)和電路控制系統(tǒng)?？偟膩碚f一個性能優(yōu)越的機器人應具有運動靈活、快速，良好的控球能力、進攻能力兼?zhèn)涞牟拍?，以及可控性好等?yōu)點。這些都需要優(yōu)越的機構(gòu)設計來實現(xiàn)，只有這樣才能適應越來越激烈的比賽。隨著比賽多年的發(fā)展，各隊機器人主要機構(gòu)的種類已經(jīng)取得一定的共識，因此，大家都在為如何提高機器人各個機構(gòu)的性能這個最重要的目標而奮斗。機構(gòu)設計主要考慮兩個方面的問題，機構(gòu)的性能和可控制性。機構(gòu)性能決定了機器人的潛能，而可控制性決定了這些機構(gòu)能不能高效有序的的利用起來。 機構(gòu)設計概況 運動機構(gòu)設計概況運動機構(gòu)為了提高機器人的運動性能，包括機器人的速度、加速度和運動靈活性等等。其中機器人的速度和加速度需要優(yōu)良性能的電機來配合。這里選擇了日本的NamiKi電機。原裝電機有三級減速的齒輪箱和光電測速裝置，由于原裝電機的只是二線的光碼盤測速精度不夠，因此經(jīng)過改裝成為十二線的光碼盤；并且將三級減速齒輪箱改為兩級，使車體大小控制在要求范圍之內(nèi)。運動的靈活性是由輪子及數(shù)目和布局決定的。輪子的結(jié)構(gòu)和布局對速度和加速度也產(chǎn)生了很大的影響。為了讓機器人能夠不用轉(zhuǎn)向的情況下實現(xiàn)全方向的運動，采用了萬向輪結(jié)構(gòu)，輪子數(shù)目為三輪結(jié)構(gòu)。 球處理機構(gòu)設計概況球處理機構(gòu)設計的優(yōu)良機決定了器人的控球能力和進攻能力。控球能力能對場上的局勢起到至關(guān)重要的作用。因此采用帶球機構(gòu)來掌控比賽的主動權(quán)，傳統(tǒng)的帶球機構(gòu)靠電機帶動一個水平的輥軸給球一定的摩擦力以使球沿機器人方向轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)，這樣會在轉(zhuǎn)彎的時候容易丟失球。此時，設計機器人帶球機構(gòu)的方向有兩種：一種是基于開槽帶球機構(gòu)的設計，二是放棄帶球機構(gòu)，轉(zhuǎn)到研究機器人不使用帶球機構(gòu)時的推球方法。為了加強機器人的進攻能力，采用了擊球機構(gòu)。把球從較遠的距離射進球門，需要很大的能量，根據(jù)能量的存儲方式分為兩種：機械儲能方式：通過電機帶動蝸輪蝸桿以進行彈簧蓄能和釋放能量來實現(xiàn)擊球功能。電容儲能方式：該方法通過升壓電路對電容充電，然后儲存的能量瞬間釋放給螺線管電磁鐵以完成擊球功能。通過以上兩種擊球方式比較，選擇電容儲能方式，該方式具有機械結(jié)構(gòu)簡單、使用方法方便和擊球力度大等優(yōu)點。 設計目標比賽規(guī)定，機器人的體積不能超出直徑17cm和高15cm的圓柱，全方位輪的設計就體現(xiàn)了機器人的靈活、快速、多變的特征。擊球和挑球機構(gòu)突破了傳統(tǒng)的二維模式，利用了三維空間，使足球面對對方機器人不必繞道，而是從其上方越過。這樣給上層決策系統(tǒng)很大的優(yōu)化，而對進攻也多出一種方式，在比賽的時候也能夠得到很好的利用。由于隨著比賽的要求，機器人的性能不斷提高，為了接近世界強隊的水平和以后的發(fā)展趨勢，對設計的機器人的各項性能提出以下指標：(1) 機器人前后最高加速度不小于4m/s2，最大速度不得低于1m/s2。(2) ms2，并且有兩種速度可調(diào)。(3) 帶球穩(wěn)定， m/s速度下，不丟球。(4) 機器人能夠全方位的自由運動。(5) 增加挑球機構(gòu) 運動機構(gòu)的分析與設計 電機的選擇和整體結(jié)構(gòu)電機的選擇對機械結(jié)構(gòu)的影響明顯，并且對于小車的運動靈活性起關(guān)鍵作用。選擇電機主要是對于步進電機和直流伺服電機的比較。直流伺服電機的優(yōu)點是功重比大，能保證足夠的速度。但是要想保證準確的速度，必須使用測速傳感器如光電編碼器，通過CPU對伺服電機進行閉環(huán)的PWM控制；伺服電機的速度過高，必須使用減速器傳動。并且伺服電機造價很高。步進電機的缺點是同樣功率下的重量比伺服電機大，體積也大，失步時達不到控制的目的。但步進電機是開環(huán)控制，無需測速器件，也不需要減速器，減少了機構(gòu)的復雜性。目前，電機還是選用直流伺服電機為宜，為了方便控制，可以選擇高電壓低電流的電機，因此選擇了日本NaminiKi電機。該電機體積小，重量輕，而且很大的轉(zhuǎn)距。圖 31足球機器人的整體結(jié)構(gòu) 為機器人的整體結(jié)構(gòu)，從上往下可分為三層：最上面是色標識別板，用于視覺系統(tǒng)的識別色標和天線；中間是電路板；最下面是機械結(jié)構(gòu)的車體部分。其中電池倉置于電路板下邊，或者機器人兩邊。機械結(jié)構(gòu)的車體部分有兩種設計方案：整體結(jié)構(gòu)和板柱結(jié)構(gòu)。整體結(jié)構(gòu)是指機器人的車體設計成一個完整的框架，這在加工上需要對鋁合金進行鑄造或者銑床加工，將內(nèi)部掏空，然后來安裝電機和其他機構(gòu)。好處是裝配精度高，不易變形，耐碰撞。但是造價高、重量大。板柱結(jié)構(gòu)是指機器人的車體設計成幾塊鋁合金板和螺柱固定在一起裝配而成，這樣的結(jié)構(gòu)輕便易于加工，造價低廉，重量輕，但是裝配精度差，容易變形，不耐碰撞和長期運動。在設計機器人的時候按照實際情況選用了板柱結(jié)構(gòu)。圖 31足球機器人的整體結(jié)構(gòu) 輪子設計思想輪子的設計除了考慮到機器人的運動性能（運動速度和運動加速度）還要考慮機器人的靈活性。隨著各隊技術(shù)的不斷加強，比賽日益激烈，機器人的全方向運動已經(jīng)成為一個必要條件。為了達到這個目的，采用了萬向輪結(jié)構(gòu)。萬向輪目前使用較多的有兩種制式：圖 31足球機器人的整體結(jié)構(gòu)（a）為互補結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)運行穩(wěn)定，始終有一個小輪的邊緣可以著地，但輪子的寬度比較大,給空間布局帶來一定影響，另外著地點會內(nèi)外交錯，這樣對機器人的旋轉(zhuǎn)造成非線性影響，所以會使機器人在運動方向上有偏移或左右搖擺。圖 31足球機器人的整體結(jié)構(gòu)（b）中為非互補結(jié)構(gòu)，使用較多的小輪,這種結(jié)構(gòu)輪子的寬度可以比較小，并且著地點始終在一個圓上，不會對機器人帶來非線性影響，但是，由于個小輪之間有間隙，所以輪子的直徑在運動中會有變化，機器人的上下振動比較大。圖 32雙向輪結(jié)構(gòu)比較兩者的優(yōu)缺點：(1) 雙排雙向輪的小輪是橄欖形的，摩擦系數(shù)比較小，相比之下，單排雙向輪的摩擦系數(shù)有較大的提高。(2) 單排雙向輪不必要占用很大的空間，相比雙排雙向輪有很大的優(yōu)越性，為電機和擊球機構(gòu)的擺放提供了很大的方便。(3) 雙排雙向輪的著地點不斷變化，不利于控制，而且精度不是很高，而單排雙向輪不存在這個問題。(4) 和雙排雙向輪一樣可以實現(xiàn)全向運動這兩種萬向輪相比較而言，采用第二種比較好。單排雙向輪機構(gòu)，運動靈活、效率較高，輪上的各個小滾子一般均處于純滾動狀態(tài)，不易磨損，滾子軸的受力情況也較好；對各個輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速控制得當，即可實現(xiàn)精確定位和軌跡跟蹤。由于輪子尺寸的增加有利于提高最大速度，但是由于輪子的轉(zhuǎn)動慣量，隨輪子的尺寸的增大而減小，因此加速度也減小，結(jié)合比賽對機器人大小的限制，得出結(jié)論實際的輪子要取速度和加速度性能折中的結(jié)果，在此選用輪子半徑為27mm。 輪子布局機器人運動性能和驅(qū)動輪的擺放及輪子的數(shù)目有很大的聯(lián)系，輪子的擺放和數(shù)目直接影響了機器人的性能，也間接決定了決策系統(tǒng)的算法和路徑規(guī)劃算法。如何使機器人的性能達到一個理想的指標，目前國際的強隊上的主流采用四輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)。為了增加機器人帶球?qū)挾纫栽黾訋驒C會，以及方便放置擊球裝置和和挑球裝置，機器人沒有采用傳統(tǒng)的標準四輪結(jié)構(gòu)，在本設計中，采用的是三輪機器人，其分布如圖 33 輪子布局所示。圖 33 輪子布局 球處理機構(gòu)的分析與設計 帶球機構(gòu)帶球機構(gòu)主要用于爭球，帶球跑位同樣對于機器人的傳接球、帶球突破有重要的意義。由于規(guī)則規(guī)定不可以限制球的自由度，所以傳統(tǒng)的帶球機構(gòu)主要采用一種方法，即利用摩擦力令球向后自旋。產(chǎn)生摩擦力的機構(gòu)是橡膠滾輪，當橡膠滾輪高速旋轉(zhuǎn)的時候，將帶動球向后旋轉(zhuǎn)，如圖 34傳統(tǒng)帶球機構(gòu) 所示。在機器人的前方，由一個直流電機帶動一個橡膠滾輪自始至終旋轉(zhuǎn)，方向是由上往下，由外向里，當機器人前進的時候，由于球在向后旋轉(zhuǎn)，因此能保持在機器人前端，當機器人后退的時候，球高速向后旋轉(zhuǎn)，能夠跟隨機器人運動。橡膠滾輪的設計一是要選擇合適摩擦力的橡膠材料，并且橡膠要有一定的強度，既不能太硬也不能太軟，摩擦力和軟硬度可以通過試驗確定。二是橡膠滾輪的形狀要設計合理,機器人在帶球的時候，最理想的是讓球保持在機器人正面的中心位置。傳統(tǒng)帶球機構(gòu)的缺點是機器人橫向運動的時候無法讓球保持在中心位置，而新規(guī)則規(guī)定禁止側(cè)帶球機構(gòu)，這樣球就很容易丟失。圖 34傳統(tǒng)帶球機構(gòu)設計采用了一種改進型帶球機構(gòu)，該機構(gòu)中間開了一個槽，其工作原理如圖 35 開槽帶球機構(gòu)所示，初使時刻，機器人原地帶球的時候如果球不在中間，由于左右方向的壓力Nl和Nr在水平方向的合力指向帶球機構(gòu)的中心使球向中心移動。當機器人將球左右移動，根據(jù)球速V可分解為Vx和Vy。由于Vx的存在，球有向中心移動的趨勢。但此時Nr增大，Nl減小，因此阻止了球的滑動，由圖可知，中心開槽越大，防止球滑落越好，但還是要受到車體大小的限制，不能無限的大。圖 35 開槽帶球機構(gòu) 擊球機構(gòu)踢球機構(gòu)對于足球機器人的射門和傳接球具有重要意義，也是比賽中最重要的機構(gòu)，因此有多種可供選擇的方案，如直線電機、汽缸、齒輪齒條、電磁鐵、螺線管、翻板、絲杠等，同時還需要輔助的儲能機構(gòu)如彈簧、電容等，以及觸發(fā)機構(gòu)，比如位置開關(guān)、繼電器等。通常選擇最有機械效率機構(gòu)，常用的有兩種：齒輪齒條、螺線管。齒輪齒條機構(gòu)是在帶球滾軸的下方，存在一個推板與滾軸平行，推板的上緣略高于球的中心高度，推板的后邊與一個可以移動的水平齒條垂直固定，齒條則與另外一個小直流電機軸上齒輪嚙合，此電機的控制電路使電機在需要的時候突然正轉(zhuǎn)擊球，然后縮回。齒條的前后應各有限位卡口，以防止齒條沖出。螺線管是一種螺線形式的電磁鐵，機械效率比較高，而且擊球力度大，使用方便，所以被越來越多的隊伍所使用。其基本實現(xiàn)方式如圖 36 擊球機構(gòu)（a）所示，主體為一個推型螺線管和三角形的擊球裝置。圖 35 開槽帶球機構(gòu)（b）顯示了擊球原理。由于摩擦力相對F可以忽略不計，因此滿足Jζ=Fl，其中J = 2mbR2 /5。此外加速度a = F/mb。因為滾輪滾動的時候球滾的很遠，此時滿足a = ζR，由此可以得到l = 2R/5。滿足純滾動的條件的擊球高度為：l + R = 7R/5圖 36 擊球機構(gòu)如果忽略撞擊過程中的熱量損失，出球速度v可由下式得到： 式 1其中Ws為電磁鐵所做的功，mk和mb分別為擊桿和球的質(zhì)量。由以上分析可知道，影響擊球的效果的主要原因有三個：電磁鐵的性能、擊桿和球的質(zhì)量、擊球方式。電磁鐵的性能為主要因素。輸出力量越大，行程越長，其輸出的功就越大。根據(jù)能量守恒定律，擊桿質(zhì)量越小，則球獲得的能量也就越大，因此射出去的速度就越快，但是當電磁鐵輸出力量過大，擊桿容易變形。擊球方式對球的速度也產(chǎn)生很大的影響。經(jīng)過實驗實際擊球高度為球的一般高度稍微偏上，為理想選擇。 挑球機構(gòu)翻板機構(gòu)與帶球滾軸使用同一根用軸承接合的復合軸，上邊緊固一個翻板，一端與一個電機相連。踢球時打開電機，則翻板擊中球，其彈出。之后關(guān)閉電機即可。這種方案可以將球撬起越過對方機器人而進入球門。第4章 足球機器人的電路系統(tǒng)分析與設計 引言嵌入式系統(tǒng)有著非常廣闊的應用前景，其應用領域可以包括:工業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡及電子商務、環(huán)境監(jiān)測和機器人控制等方面。相對于其他的領域，機電產(chǎn)品可以說是嵌入式系統(tǒng)應用最典型、最廣泛的領域之一。而機器人技術(shù)則是機電產(chǎn)品中，最具知識含量和技術(shù)水平的技術(shù)之一。它的發(fā)展從來就是與嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起的，嵌入式技術(shù)的發(fā)展必定促進機器人智能化的水平。 主芯片介紹及選擇足球機器人小車底層控制系統(tǒng)的核心是微控制器，作為機器人控制器的核心部件，高性能的CPU是必需的，選擇一個什么樣的微控制器對于機器人小車的性能、控制系統(tǒng)的設計方式有很大的影響，應具體分析控制系統(tǒng)的特征和要求進行微控制器的選擇，應以整個足球機器人系統(tǒng)的控制速度和機器人小車的智能化水平兩個方面為立足點，以如下幾個方面為依據(jù)來選擇合適的微控制器：l 系統(tǒng)時鐘速度l 運算速度l 功能l 兼容性l 通信方式及通信速率l 電機控制方式l 控制板的結(jié)構(gòu)尺寸目前應用在機器人底層控制系統(tǒng)的微控制器主要有數(shù)字信號處理器DSP和8位，16位單片機兩種類型，單片機主要使用8位，16位處理器，硬件技術(shù)比較成熟，軟件編程相對簡單。但數(shù)據(jù)處理能力不強，需要