【文章內(nèi)容簡介】 破， 2021年又在日本摘桂，蟬聯(lián)冠軍，獲得該項目比賽亞軍的是北京理工大學(xué)，這說明我們國家在 RoboCup仿真比賽中己居世界前列。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。 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。他們對于中國的機器人足球事業(yè)的推動和發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻 。 中型組足球機器人研究意義 RoboCup 中型組 足球機器人 比賽是近幾年國內(nèi)外新興的一個組別 ,它要求多個機器人在完全自 主的狀態(tài)下完成控球 ,傳球 , 配合 ,射門等動作 ,相當(dāng)于一個分布式多智能體控制系統(tǒng)。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)。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。對智能 足球機器人 的研究成果可廣泛用于軍事、民用等眾多領(lǐng)域。 足球機器人的發(fā)展前景 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。在足球機器人的開發(fā)過程中，不僅要遇到機器人學(xué) (Robotics)，安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 機電一體化，通訊與計算機技 術(shù)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(luò)控制，智能控制等學(xué)科內(nèi)容。 機器人足球，它以高技術(shù)對抗的形式贏得了學(xué)術(shù)界的認同，一些學(xué)術(shù)刊物刊登了機器人足球的專輯，一些有影響的國際學(xué)術(shù)會議也安排了專題討論。一年一度的 FIRA CUP也同時召開國際學(xué)術(shù)會議，推動相關(guān)科技的發(fā)展。機器人足球成為高科技與體育，學(xué)術(shù)與興趣，科技與娛樂的完美結(jié)合，這便是它發(fā)展的活力所在。 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(lǐng)域的理想突破點，又是吸引年青人科研興趣與高技術(shù)攻關(guān)的完美結(jié)合點，也是密切理論聯(lián)系實際的極富生命力的成長點。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(shù)的綜合實力。足球機器人系統(tǒng)在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用景，從技術(shù)的角度看，機器人足球的直接應(yīng)用領(lǐng)域是各種智能機器人，包括家用機器人、醫(yī)用機器人、工業(yè)機器人和軍用機器人等。最大的應(yīng)用領(lǐng)域是網(wǎng)絡(luò)信息處理，未來網(wǎng)絡(luò)信息空間中的軟件代理將以類似于足球隊員的方式，通過合作在競爭環(huán)境中完成預(yù)定任務(wù)。研究足球機器人對我們國家的科技發(fā)展與技術(shù)進步有著促進和 推動作用。 論文的主要內(nèi)容 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(zhǔn)確、重量輕、體積小。 本課題目的是研究設(shè)計一種 RoboCup 中型機器人控制系統(tǒng)，著重于從電路設(shè)計方面提高其感應(yīng)靈敏性、響應(yīng)迅速性等。 本章小結(jié)： 首先根據(jù)控制對象的控制要求來分析系統(tǒng)所需要的硬件結(jié)構(gòu)， 然后針對每一部分進行詳細的電路設(shè)計分析， 最后根據(jù)系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)通過對機器人系統(tǒng)的動力學(xué)建模 ，完成了速度軌 跡規(guī)劃，為各種機器人的速度規(guī)劃提供了一個方法，再 次通過機器人運動學(xué)建模， 采用 PID 算法，實現(xiàn)電機的速度控制。安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 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 。 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(dān)不同的任務(wù)。比賽中，球隊的五個足球機器人要根據(jù)場上的局勢，通過互相配合的方式完成給定的任務(wù)，與對方對抗。 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。所以中型組足球機器人的本體設(shè)計對比賽起了至關(guān)重要的作用 。不同的控制要求決定了不同機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制策略。所以本章首先討論機器人足球賽中型組比賽的系統(tǒng)組成、工作模式及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。然后簡要介紹足球機器人的比賽的要求。 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(dāng)?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。機器人接受到指 令后做出相應(yīng)的動作，從而完成整個工作流程。同時，在比賽場地上，機器人協(xié)同作戰(zhàn)，雙方對抗，各有攻防，從而形成一場激烈的比賽 。 我們可以把機器人足球系統(tǒng)分為下面幾個部分 : 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 .◆ 機器人小車子系統(tǒng) .◆ 視覺子系統(tǒng) ◆ 無線通訊子系統(tǒng) . ◆ 機器人控制子系統(tǒng) ◆ 決策子系統(tǒng) 上述五個子系統(tǒng)構(gòu)成了大的閉環(huán)系統(tǒng)。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(yīng)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。 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。 圖 22 足球機器人系統(tǒng)組成原理圖 機器人小車子系統(tǒng)是比賽的本體部分，其性能的好壞直接關(guān)系到比賽的結(jié)果。它設(shè)計的關(guān)鍵在于機器人的軟硬件設(shè)計。 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 ‖。它的主要任務(wù)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(guān)數(shù)據(jù)，主要是每個機器人的橫坐標(biāo) x x、縱坐標(biāo) y 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。 無線通訊子系統(tǒng)的作用主要是完成決策指令的傳輸，將決策系統(tǒng)的結(jié)果發(fā)送給各個機器人，使其執(zhí)行相關(guān)的動作。 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，Strategies Making subsystem Wireless Communication Subsystem Soccer Robot Subsystem playground Vision Subsystem 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 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，同時將機器人的運動指令通過無線通訊系 統(tǒng)傳給機器人 .它的優(yōu)劣關(guān)系到機器人的智能化水平以及比賽的成敗。 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(lǐng)，它的好壞關(guān)系到機器人體現(xiàn)決策系統(tǒng)指令的好壞。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(yīng)運動。 足球機器人的系統(tǒng)工作模式 明白了 足 球機器人的系統(tǒng)組成，對于我們來說，選擇合適的硬件和軟件系統(tǒng)還得考慮機器人系統(tǒng)的整體工作模式。根據(jù)機器人的決策部分在整個系統(tǒng)的作用位置 ，可以將足球機器人系統(tǒng)工作模式分為以下兩種 ： （ i） 基于視覺的足球機器人系統(tǒng) (VisionBased Mobile Robot System)； （ ii）基于機器人的足球機器人系統(tǒng) (RobotBased Mobile Robot System)，而根據(jù)機器人智能程度， (i)又可以分為 ： ① 基于視覺遙控的無智能足球機器人系統(tǒng) (Remote Brainless VisionBased Mobile Robot System)，簡稱遙控機器人 。 ② 基于視覺智能足球機器人系統(tǒng) (Brain Onboard VisionBased Mobile Robot System)。 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。 第二種基于視覺智能足球機器人系統(tǒng)，這個時候機器人本體具有速度控制、位置控制和自動避障等功能。主機僅通過視覺數(shù)據(jù)來進行決策處理，然后發(fā)出命令給各個機器人，機器人在根據(jù)命令做出行動反應(yīng)，為了實現(xiàn)自動避障和速度控制，機器人上面都裝有紅外、加速度等傳感器。 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(guān)信息傳給機器人。這個時候視覺系統(tǒng)就類似于一種傳感器。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 不過 ,任何一種模式的機器人都應(yīng)該具備一些基本模塊 :驅(qū)動模塊、通訊模塊和 CPU控制模塊。不過采用的模式不同，其設(shè)計方案都不同而已。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。 ．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： 視 覺信 息裁 判信 息信 息 處 理 層機 器 人 運 動 機 構(gòu)協(xié) 調(diào) 戰(zhàn) 術(shù) 層速 度 軌 跡 生 成速 度 軌 跡 跟 蹤任 務(wù) 層動 作 層決策控制運動控制 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)。它的主要功能是預(yù)測 ―球 ‖和場上對手的運動，組織安排球隊級的戰(zhàn)術(shù)和配合，利用多智能體協(xié)調(diào)控制算法為每個機器人安排各自的 ―任務(wù) ‖。所謂 ―任務(wù) ‖即為機器人應(yīng)該到達的位置及 姿態(tài) 。 決策控制部分采用分層控制處理結(jié)構(gòu)，由信息處理層、協(xié)調(diào)戰(zhàn)術(shù)層、任務(wù)層和動作層組成，如圖 23所示。 信息處理層：處理場上基本信息，經(jīng)過預(yù)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。 協(xié)調(diào)戰(zhàn)術(shù)層：根據(jù)公共信息庫的知識，從戰(zhàn)術(shù)庫中選擇有利于我方的戰(zhàn)術(shù)，更新球員角色分配表。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 任務(wù)層：根據(jù)角色分配表中自己的角色，確定自己的動作類型與目標(biāo)坐標(biāo)，更新私有信息庫。 動作層：根據(jù)私有信息庫的知識，結(jié)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)。 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(wù) ‖控制機器人運動。足球機器人運動控制部分也可分為兩個部分： 速度軌跡生成 (Velocity Trajectory Generation)部分：它針對決策控制部分制定的 ―任務(wù) ‖，根據(jù)機器人當(dāng)前位置、當(dāng)前速度、目標(biāo)點位置和目標(biāo)點速度，為足球機器人生成一條從 ―當(dāng)前點 ‖到 ―目標(biāo)點 ‖的時間最優(yōu)的速度軌跡。 速度軌跡跟隨 (Velocity Trajectory Tracking)部分：它控制足球機器人的驅(qū)動機構(gòu)，實時控制足球機器人的速度跟隨生成的速度軌跡，使足球