【正文】 多主體動(dòng)態(tài)不可預(yù)測(cè)環(huán)境中的問(wèn)題求解”，其標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題是足球的機(jī)－機(jī)對(duì)抗賽和人－機(jī)對(duì)抗賽。 機(jī)器人足球是人工智能的新興研究領(lǐng)域，是聯(lián)系理論與應(yīng)用的一個(gè)有效手段。 機(jī)器人足球的最終目標(biāo)是建立仿人機(jī)器人足球隊(duì)，讓機(jī)器人像人一樣踢足球，甚至打敗人類足球隊(duì)。 六、中國(guó)機(jī)器人足球的發(fā)展情況 目前機(jī)器人足球發(fā)展比較好的國(guó)家有歐美、日韓、澳大利亞等國(guó)家和地區(qū)。2001年6月，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)機(jī)器人競(jìng)賽工作委員會(huì) 成立，每年舉辦包括 RoboCup 和 FIRA 兩個(gè)項(xiàng)目在內(nèi)的中國(guó)機(jī)器人足球比賽。 RoboCup 中型組足球機(jī)器人的結(jié)構(gòu)從功能上可以分為四個(gè)子系統(tǒng)：感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)。對(duì)應(yīng)的信息送到?jīng)Q策系統(tǒng)，由決策系統(tǒng)根據(jù)比賽場(chǎng)上情況和策略產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令；控制指令是指對(duì)執(zhí)行系統(tǒng)電機(jī)的具體控制命令，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。 RoboCup中型組足球機(jī)器人研究現(xiàn)狀我國(guó)對(duì)自主式足球機(jī)器人的研究起步較晚，多年以來(lái)，僅有上海交通大學(xué)、中科院自動(dòng)化所、同濟(jì)大學(xué)等少數(shù)幾個(gè)單位從事自主式足球機(jī)器人的研究。2004年有9支隊(duì)伍參加“廣州理想杯”中國(guó)足球機(jī)器人大賽中型組比賽，2005年8月參加“新科導(dǎo)航杯”中國(guó)機(jī)器人大賽中型組比賽的隊(duì)伍劇增到21支。2004年之前，中國(guó)足球機(jī)器人大賽中型組只有1：1和2：2兩個(gè)比賽項(xiàng)目，2005年的比賽整體升級(jí)，設(shè)立了2：2和4：4兩個(gè)項(xiàng)目，同時(shí)為了與國(guó)際接軌，比賽采用就是當(dāng)年國(guó)際比賽的規(guī)則。我國(guó)在這個(gè)項(xiàng)目上的研究已呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)，相信在不久的將來(lái)，一定會(huì)有中國(guó)的隊(duì)伍在RoboCup中型組比賽中取得優(yōu)異成績(jī)。其中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)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)。對(duì)智能足球機(jī)器人的研究成果可廣泛用于軍事、民用等眾多領(lǐng)域。本課題主要是研究設(shè)計(jì)一種Robocup中型足球機(jī)器人控制系統(tǒng)，著重從電路設(shè)計(jì)方面提高其感應(yīng)靈敏性，響應(yīng)迅速性。目前足球機(jī)器人發(fā)展比較好的國(guó)家有歐美，日韓等，中國(guó)在這方面雖然起步比較晚，但今年來(lái)有較大的發(fā)展。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)將是一個(gè)艱巨而漫長(zhǎng)的過(guò)程。所以中型組足球機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)對(duì)比賽起了至關(guān)重要的作用。所以本章首先討論機(jī)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)。圖21足球機(jī)器人比賽場(chǎng)景RoboCup中型組比賽是由兩支各有多個(gè)自主式足球機(jī)器人的球隊(duì)在標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地進(jìn)行的比賽，自主式足球機(jī)器人系統(tǒng)如圖22所示，場(chǎng)上的每個(gè)機(jī)器人都具有完全的自主能力，自身具有獨(dú)立的傳感器系統(tǒng)、決策系統(tǒng)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)器人將各自搜集到的信息同本隊(duì)的其它自主機(jī)器人溝通，通過(guò)機(jī)器人本體或場(chǎng)外監(jiān)控站上數(shù)據(jù)融合得到所需的信息，然后根據(jù)這些信息進(jìn)行決策，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。決策系統(tǒng)的指令通過(guò)無(wú)線通訊系統(tǒng)發(fā)送給機(jī)器人小車系統(tǒng)，控制子系統(tǒng)根據(jù)指令控制機(jī)器人相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，再由視覺(jué)子系統(tǒng)采集場(chǎng)地信息，反饋給決策系統(tǒng)，完成閉環(huán)控制。無(wú)線通訊子系統(tǒng)視覺(jué)子系統(tǒng)機(jī)器人小車子系統(tǒng)控制子系統(tǒng)決策子系統(tǒng)圖23 足球機(jī)器人系統(tǒng)組成原理圖機(jī)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。視覺(jué)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”。無(wú)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(gè)機(jī)器人，使其執(zhí)行相關(guān)的動(dòng)作。它的優(yōu)劣關(guān)系到機(jī)器人的智能化水平以及比賽的成敗。它的作用就是根據(jù)一定的算法來(lái)解析決策系統(tǒng)的指令將它轉(zhuǎn)化為具體的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指令，并且控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)機(jī)器人的決策部分在整個(gè)系統(tǒng)的作用位置，可以將足球機(jī)器人系統(tǒng)工作模式分為以下兩種：(i)基于視覺(jué)的足球機(jī)器人系統(tǒng) (VisionBased Mobile Robot System)；(ii)基于機(jī)器人的足球機(jī)器人系統(tǒng)(RobotBased Mobile Robot System)，而根據(jù)機(jī)器人智能程度，(i)又可以分為：①基于視覺(jué)遙控的無(wú)智能足球機(jī)器人系統(tǒng)(Remote Brainless VisionBased Mobile Robot System)，簡(jiǎn)稱遙控機(jī)器人； ②基于視覺(jué)智能足球機(jī)器人系統(tǒng)(Brain Onboard VisionBased Mobile Robot System)；這樣就可以得到三種足球機(jī)器人的系統(tǒng)工作模式：第一種基于視覺(jué)遙控的無(wú)智能足球機(jī)器人系統(tǒng)，它所有的視覺(jué)處理、策略決策和位置控制都在主機(jī)上完成，就像遙控小車一樣。主機(jī)僅通過(guò)視覺(jué)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行決策處理，然后發(fā)出命令給各個(gè)機(jī)器人，機(jī)器人在根據(jù)命令做出行動(dòng)反應(yīng)，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障和速度控制，機(jī)器人上面都裝有紅外、加速度等傳感器。這個(gè)時(shí)候視覺(jué)系統(tǒng)就類似于一種傳感器。不過(guò)采用的模式不同，其設(shè)計(jì)方案都不同而已。有了前面的足球機(jī)器人系統(tǒng)的組成，而最終要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行還要硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面討論一下系統(tǒng)的硬件組成，以方便后面控制平臺(tái)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。而這除了無(wú)線通訊接收模塊外都屬于控制平臺(tái)的硬件系統(tǒng)。為了得到足球機(jī)器人更好的運(yùn)動(dòng)特性，我們采用的是四輪設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)的全方位機(jī)器人。主機(jī)的信息經(jīng)過(guò)RS232由發(fā)射模塊發(fā)送出去，而由機(jī)器人上面的接受模塊接收數(shù)據(jù)。采用的通訊模塊是英國(guó)的Radiometrix，它具有433MHZ/418 MHZ兩個(gè)頻段。在比賽中，規(guī)定每方機(jī)器人采用黃色或者藍(lán)色作為自己的隊(duì)標(biāo)，隊(duì)標(biāo)規(guī)定采用直徑為 40mm的圓，貼在機(jī)器人的上方的中央部分。它的主要功能就是完成圖像信息的采集與分析功能。主機(jī)的功能主要是處理經(jīng)過(guò)處理的圖像數(shù)據(jù)，得出球和隊(duì)員的位置、方向和速度，根據(jù)比賽場(chǎng)上的攻守局勢(shì)，做出決策，并且將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳給發(fā)射器。從比賽的角度來(lái)說(shuō)。導(dǎo)演的創(chuàng)作藝術(shù)或者教練的戰(zhàn)術(shù)意圖最終都是通過(guò)機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)機(jī)器人本體應(yīng)該滿足以下的技術(shù)要求：RoboCup中型機(jī)器人組的場(chǎng)地大小相當(dāng)于9個(gè)兵乓球臺(tái)，機(jī)器人的直徑不超過(guò)50cm，高度在30cm80cm之間，每個(gè)隊(duì)由4臺(tái)機(jī)器人組成，采用橙色足球進(jìn)行對(duì)抗比賽。結(jié)構(gòu)化是指場(chǎng)地上的固定物體或標(biāo)識(shí)都有比較規(guī)則的幾何形狀：球門(mén)由三個(gè)平面構(gòu)成，角柱是一個(gè)圓柱體，場(chǎng)地標(biāo)識(shí)線由直線、圓、圓弧構(gòu)成。 總體來(lái)講，足球機(jī)器人應(yīng)能準(zhǔn)確接收主機(jī)指令并迅速做出反應(yīng)，完成帶球、傳球、攔截、射門(mén)、防守等技術(shù)動(dòng)作。為適應(yīng)激烈對(duì)抗的比賽環(huán)境，機(jī)器人還應(yīng)具備高度的機(jī)動(dòng)性能和靈活性，能平穩(wěn)快速的完成各種前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向及急停等基本動(dòng)作，且滿足以下要求： 1）前進(jìn)后退：盡量走直線 2）轉(zhuǎn)向：轉(zhuǎn)彎半徑盡量小 3）急停/碰撞：不能翻倒為滿足上述要求，機(jī)器人要求總體質(zhì)量輕，重心低，盡量處在機(jī)器人對(duì)稱軸線上，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)靈活、可靠，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，連接部件牢固、防松，整體剛性好，具備良好的撞擊性能。同時(shí)應(yīng)該避免頂牛時(shí)候，電路元器件不能燒毀。對(duì)于足球機(jī)器人而己，可維護(hù)性是很重要的，包括軟件和硬件的維護(hù)，在硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面，考慮便于安裝測(cè)試和檢修；軟件設(shè)計(jì)上面要便于調(diào)試、糾錯(cuò)和升級(jí)。 整個(gè)足球機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括控制電機(jī)選型及性能參數(shù)、機(jī)器人底盤(pán)選型和設(shè)計(jì)，由于機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不是本文的重點(diǎn)，所以這里概要闡述一下足球機(jī)器人的機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。我們?cè)诔浞挚紤]步進(jìn)電機(jī)與直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)的時(shí)候，最后選用的是調(diào)速性能優(yōu)良、調(diào)速方便、平滑范圍廣的直流電機(jī)。根據(jù)上面機(jī)器人設(shè)計(jì)要求，為了實(shí)現(xiàn)各種基本功能，所以我們?cè)O(shè)計(jì)的足球機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)主要由機(jī)體、行走機(jī)構(gòu)、帶球機(jī)構(gòu)、擊球機(jī)構(gòu)和各種傳感器組成。每個(gè)車輪分別由直流伺服電機(jī)(主動(dòng)電機(jī))、齒輪減速器、碼盤(pán)和車輪等零部件組成，同時(shí)每個(gè)車輪都采用全方位輪。這樣無(wú)論直線移動(dòng)，還是轉(zhuǎn)彎，總以滾動(dòng)代替滑動(dòng)，大大減少摩擦力。已設(shè)計(jì)的擊球機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)，蝸桿，蝸輪，扇形齒輪，齒條擊桿，壓縮彈簧，擊球板等組成。如圖27。機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)在前進(jìn)，轉(zhuǎn)彎，后退等運(yùn)行狀態(tài)下帶球是帶球機(jī)構(gòu)所要達(dá)到的目標(biāo)。我們從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度出發(fā)，利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系設(shè)計(jì)了我們的帶球機(jī)構(gòu)，如圖28。 圖28 足球機(jī)器人的帶球機(jī)構(gòu) 根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路我們?cè)O(shè)計(jì)了由電機(jī)，齒輪及帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，滾輪，支架等組成的帶球機(jī)構(gòu)。這里設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是彈性滾輪與球之間的摩擦力以及滾輪轉(zhuǎn)速，最終作用效果為球心的水平運(yùn)動(dòng)速度。6是正前方傳感器，4是正后方傳感器，3, 5是另外兩主運(yùn)動(dòng)方向的傳感器，1, 2是擊球和控球動(dòng)作中找球傳感器，位于機(jī)器人正前下方。同時(shí)為了能夠更好的控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，在機(jī)器人上面安裝加速度傳感器，來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度。（2）足球機(jī)器人的系統(tǒng)工作模式，根據(jù)機(jī)器人的決策部分在整個(gè)系統(tǒng)作用位置來(lái)決定，本文設(shè)計(jì)的是用基于視覺(jué)智能機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)的。 (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(jué)子系統(tǒng)、機(jī)器人車體子系統(tǒng)等組成。第三章 足球機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)了解了足球機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)，在分析完足球機(jī)器人的機(jī)電機(jī)構(gòu)后，現(xiàn)在來(lái)進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，它是本論文的核心部分。前面談到了足球機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它主要包括CPU模塊、無(wú)線通訊接收模塊和傳感器模塊。CPU模塊：CPU+時(shí)鐘復(fù)位電路+外圍擴(kuò)展電路等等；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：電機(jī)控制回路+電機(jī)驅(qū)動(dòng)放大回路+電機(jī)反饋回路；無(wú)線通訊接收模塊：無(wú)線通訊信號(hào)的接受+通訊的接口，主要是和核心CPU連接部分；傳感器模塊：紅外傳感器發(fā)送和接收電路+加速度計(jì)電路；這樣整個(gè)系統(tǒng)的硬件就由圖22擴(kuò)展為下圖： 圖31 硬件控制系統(tǒng)組成框圖足球機(jī)器人性能的優(yōu)劣除了由可靠、有效的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)保證外，它的主控系統(tǒng)硬件電路是機(jī)器人動(dòng)作的大腦，而核心CPU作為這個(gè)大腦的靈魂部分。目前，足球機(jī)器人控制器大部分是采用8位或者16位單片機(jī)，甚至32位單片機(jī)作為微控制器，例如康奈爾采用MOTOROLA的MC68HC1日本采用HITACH公司的SH7043系列等單片機(jī)。 TMS320LF2407的簡(jiǎn)介T(mén)MS320LF2407 DSP是美國(guó)TI公司推出的C2xxx系列產(chǎn)品，它是為了滿足大范圍的數(shù)字電機(jī)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。TMS320LF2407A豐富的片上資源：正交解碼電路、串行通訊接口、多電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)接口、多定時(shí)/計(jì)數(shù)器、多路A/D、脈沖邊緣捕獲電路等，使其非常適用于足球機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的需要。上章己經(jīng)闡述過(guò)我們研制的中型足球機(jī)器人的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它是采用三主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性有了顯著的提高。為了實(shí)現(xiàn)上述機(jī)器人的功能，采用2407A微處理器，擴(kuò)展系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)RAM分別為64K方便程序調(diào)試，同時(shí)外擴(kuò)64K的程序ROM，使系統(tǒng)有足夠的程序空間。圖32 足球機(jī)器人主控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖由于需要檢測(cè)機(jī)器人的三個(gè)主電機(jī)的碼盤(pán)信號(hào)，而DSP內(nèi)部只有兩路正交解碼電路，因此必須基于DSP外擴(kuò)一組碼盤(pán)信號(hào)檢測(cè)電路。由于HCTL2000芯片內(nèi)部集成正交脈沖鑒向電路和信號(hào)四倍頻電路，內(nèi)有12位加減可逆計(jì)數(shù)器，并且通過(guò)總線連接方式接口，其最大工作頻率為14M Hz，從而使碼盤(pán)信號(hào)檢測(cè)方便、可靠實(shí)現(xiàn)。HCTL2000與DSP的硬件連接示意圖如圖33所示。DSP通過(guò)I/O口IOPF5置低來(lái)對(duì)HCTL2000內(nèi)部計(jì)數(shù)器清零，DSP讀取HCTL2000內(nèi)部計(jì)數(shù)器值時(shí)，首先使HCTL2000的SEL為低電平(置IOPF6=0) HCTL2000內(nèi)部12位計(jì)數(shù)器的低8位數(shù)據(jù)通過(guò)8位總線(BOB7)，經(jīng)74LVTH245 (3. 3V與5V)總線隔離后直接通過(guò)DSP的數(shù)據(jù)總線得到，然后使SEL為高電平(置IOPF6=1)，HCTL2000內(nèi)部12位計(jì)數(shù)器的高4位數(shù)據(jù)同樣可以得到。在設(shè)計(jì)好基于TMS320LF2407的主控系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)就可以以它作為平臺(tái)從而實(shí)現(xiàn)接受指令、處理指令和輸出指令的功能。下面來(lái)討論電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制原理、驅(qū)動(dòng)放大電路和電機(jī)的速度位置檢測(cè)回路。因?yàn)槲覀儾捎玫氖侵绷麟姍C(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，所以下面分析一下它的運(yùn)動(dòng)特性和控制方法。 由上式(31)可得，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n的控制方法有兩種：勵(lì)磁控制法和電樞電壓控制法。所以我們通常采用的控制方法是改變電樞電壓的方法從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。但這種傳統(tǒng)的調(diào)速方法，效率比較低，所以隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法，其中應(yīng)用最多的就是脈寬調(diào)制方法(PWM)，而傳統(tǒng)的方法也應(yīng)用越來(lái)越少。PWM的調(diào)壓比串聯(lián)電阻調(diào)壓功耗小，效率高。下面是我設(shè)計(jì)的主電機(jī)雙向調(diào)速的驅(qū)動(dòng)電路圖。所以光電編碼器產(chǎn)生的碼盤(pán)信號(hào)通過(guò)前期處理將輸入到TMS3201f2407,從而形成速度檢測(cè)環(huán)控制，至于碼盤(pán)信號(hào)的捕捉在上面已經(jīng)介紹了。 圖34 主運(yùn)動(dòng)電機(jī)雙向調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路、擊球電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)擊球、帶球的電機(jī)選擇和主運(yùn)動(dòng)電機(jī)一樣是采用MAXON的直流伺服電機(jī)，由于它們應(yīng)用的場(chǎng)合要求和主運(yùn)動(dòng)電機(jī)不同，所以設(shè)計(jì)的具體電路也有所不同。圖35是它的驅(qū)動(dòng)電路原理圖。由于足球機(jī)器人比賽是在高速對(duì)抗中進(jìn)行，它要求機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確、快速、靈活。所以我在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候添加了加速度傳感器和近紅外傳感器，從而豐富機(jī)器人的控制信息。加速度傳感器有很多種，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)候，我們采用的是美國(guó)ADI公司的ADXL202加速度芯片。它采用了先進(jìn)的多晶硅表面微加工技術(shù)，激光微調(diào)薄膜電路等工藝，使用了溫度穩(wěn)定性較好的差動(dòng)電容器做敏感元件，而且使得加速度計(jì)成為完整的標(biāo)定了的內(nèi)附參考并具有良好溫度穩(wěn)定性的加速度元件，無(wú)需要附加的任何有源器件既可以接到模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入端。它的測(cè)量范圍是士2g，可以測(cè)量動(dòng)態(tài)或靜態(tài)的加速度，同時(shí)在測(cè)量的時(shí)候可以保持比較高的精度要求。它所輸出的波形是一個(gè)方波，根據(jù)方波的脈寬比來(lái)求出加速度和方波的周期由下面的公式確定： A(g) =O(g) = 50%占空比T2