足球機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

71/77足球機器人限制系統(tǒng)設(shè)計課題：足球機器人的限制系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)：機電一體化班級： 13級機電一班 學(xué)生姓名：王恒學(xué)號：1302050115指導(dǎo)老師：王莉黑龍江職業(yè)學(xué)院20年月摘要機器人足球和足球機器人是近幾年在國際上快速開展起來得高技術(shù)對抗活動。本文以機器人世界杯為背景，采納數(shù)字信號處理器(DSP)作為核心芯片，探討足球機器人的限制系統(tǒng)設(shè)計以及相應(yīng)的限制算法應(yīng)用。通過探討足球機器人的運動特性及限制，能為將來進(jìn)一步探討例如機器人路徑規(guī)劃、人工智能及多機器人合作等探討打下基礎(chǔ)。本文首先介紹了足球機器人的興起，足球機器人的現(xiàn)狀及其意義。接著探討了足球機器人的體系結(jié)構(gòu)，機器人競賽的系統(tǒng)的組成，工作模式及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后簡要介紹了足球機器人的競賽的要求，并在最終探討了限制的對象即我們設(shè)計的足球機器人的機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括所選用的電機及其各種運動結(jié)構(gòu)的設(shè)計。第三、四、五章是本文的核心部分，第三章講解并描述了關(guān)于機器人限制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。首先依據(jù)限制要求分析系統(tǒng)所需的硬件結(jié)構(gòu)，然后針對每一部分進(jìn)行電路設(shè)計分析。第四章是關(guān)于限制系統(tǒng)的軟件策略。首先依據(jù)系統(tǒng)的限制求介紹了軟件限制的總體思想和機構(gòu)，然后分析機器人的動力學(xué)和運動學(xué)模型，在建立模型的基礎(chǔ)上闡述算法的應(yīng)用。第五章是關(guān)于足球機器人的決策子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及其模型的建立。ABSTRACTSoccerrobotsandRoboCuparethehightechnologyactivitiesinrecentyearsthathaveattractedwideconcernsamongmanycountries.BasedonRoboCup，thispaperdealwiththedesignandresearchofcontrolsystemofrobotbyusinganewcoreCPU(DSP).ThemainconcernsofthispaperaresoccerrobotsandIhopewiththedesignofsoccerrobots,someresearchontheirlocomotivepropertiesandcontrolsystems,thiscouldbuildupsolidfoundationforfurtherresearchinsuchareasasMobileRobotPathPlanning,ArtificialIntelligenceandMulti-AgentCollaborativeBehavior.Havingintroducedtheriseofthesoccerrobotatfirst,currentsituationandmeaningofthesoccerrobot.theimpactofmedium-sizedgroupofrobotcompetitionsystem,theworkingmodelandsystemarchitecture,andthenbrieflyintroducedrobotsoccercompetitionrequirements,anddiscussedinthefinalcontroloftheobjectthatwedesignthemechanicalandelectricalsoccerrobotsystemarchitecture,includingtheselectionofthemotorandthedesignofthestructureofawidevarietyofsports.Chapterthree,fourandfiveismainlyconcerned.Chapterthreeisconcenredwiththehardwaredesignofcontrolsystem.Itfirstlyanalyzesthehardwarestructuresandthentherearedetaileddesignandanalysisoneachstructure.Chapterfourdealwithsoftwarestrategies.Firstlyitdiscusseshesoftwarestructuresaccordingtothesystemrequirements,andthenitanalyzesDynamicModelandMovementModel，Itanalyzesuseofsomecontrolarithmetic.Thefifthchapterisonthesoccerrobotdecision-makingsubsystemarchitecturemodelKeywords:Soccerrobot、TMS320LF2407、Motioncontrol、Modeling、Decisionsubsystem書目TOC\o"1-3"\h\u摘要 2ABSTRACT 3第一章緒論 61.1足球機器人的簡介 61.2Robocup中型組足球機器人 91.2.1RoboCup中型組足球機器人探討現(xiàn)狀 91.2.2RoboCup中型組足球機器人探討意義 101.3論文的主要內(nèi)容 111.4本章小結(jié) 12其次章足球機器人的體系結(jié)構(gòu) 132.1機器人足球的系統(tǒng)原理組成 132.2足球機器人的系統(tǒng)工作模式 162.3足球機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 172.4足球機器人的技術(shù)要求 182.5足球機器人機電結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 202.6本章小結(jié) 23第三章足球機器人限制系統(tǒng)硬件設(shè)計 243.1限制系統(tǒng)的硬件電路的組成結(jié)構(gòu) 243.2集于TMS320LF2407的主控系統(tǒng)設(shè)計 253.2.1TMS320LF2407的簡介 253.2.2基于TMS320LF2407的主控系統(tǒng)設(shè)計 263.3電機驅(qū)動電路設(shè)計 293.3.1直流電機調(diào)速限制原理 293.3.2直流電機驅(qū)動設(shè)計 303.4傳感器電路設(shè)計 333.4.1加速度傳感器電路設(shè)計 333.4.2近紅外探測傳感器的電路設(shè)計 36第四章足球機器人的限制對象建模 394.1限制系統(tǒng)的具體要求 394.2足球機器人的動力學(xué)建模 414.3足球機器人的運動學(xué)建模 45第五章中型足球機器人決策子系統(tǒng)分析和設(shè)計 505.1決策子系統(tǒng)分析 505.1.1決策子系統(tǒng)的任務(wù) 505.1.2決策子系統(tǒng)的特點 525.2決策子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 535.2.1決策子系統(tǒng)模型 535.2.2自上而下的分層遞階決策推理模型 55第六章總結(jié)和展望 606.1總結(jié) 606.2對今后工作的展望 61致謝 62參考文獻(xiàn) 63附錄一英文科技文獻(xiàn) 65英文科技翻譯 73第一章緒論1.1足球機器人的簡介一、起源機器人足球的最初想法由UniversityofBritishColumbia,Canada的AlanMackworth教授于1992年正式提出。他在OnSeeingRobots一文中以機器人足球為例，指出傳統(tǒng)的機器人探討中存在的不足：DefiniteKnowledge,CompleteKnowledge,StaticEnvironment,DeterministicWorld,DiscreteSequentialActions...為解決這些不足，他和同事提出了一種新的機器人體系SituatedAgents，并實際設(shè)計了踢足球的機器人（見下圖）。他們指出：1-1踢足球的機器人隨后，眾多學(xué)者和科技人員對機器人足球的可行性及技術(shù)問題進(jìn)行了探討。在一些試驗室或探討所之間也相繼開展了小型的競賽。二、世界性競賽目前很多國家都開展了機器人足球競賽。在世界上比較有影響的競賽主要有兩個：?FIRA（FederationofInternationalRobot-soccerAssociation國際機器人足球聯(lián)合會）?1995年，韓國的Jong-HwanKim教授提出設(shè)想?1996年11月在韓國實行了第一屆賽事?1997年正式成立了FIRA?RoboCup（TheRobotWorldCupSoccerGamesandConferences機器人足球世界杯賽及學(xué)術(shù)大會）?1993年，日本的MinoruAsada等學(xué)者創(chuàng)辦了RoboCup?1997年8月，在日本實行了第一屆RoboCup賽事。三、機器人足球賽的主要類型及規(guī)則機器人足球有仿真賽和實物賽兩種。仿真賽是在計算機上進(jìn)行的虛擬競賽。由競賽舉辦方供應(yīng)仿真平臺，參賽雙方用各自開發(fā)的程序限制“運動員”進(jìn)行競賽。實物賽是由實際的機器人在指定的場地上進(jìn)行的競賽，以下的分類都是對實物賽而言的。從機器人的自主性方面看，有半自主型和全自主型。半自主型機器人競賽中，允許參賽方用一臺主機對機器人進(jìn)行集中限制；全自主型中的機器人則是完全獨立的，機器人只能依靠自身的設(shè)備去獲得信息、做出推斷、協(xié)作隊友及實施行動。從機器人的行走方式看，有輪式和足式。輪式機器人靠輪子行走的，早期的機器人足球都是這種型式的；足式機器人用腳行走，又可分為多足和兩足機器人。1999年，RoboCup首次開展四足機器人足球競賽。完全類似人的兩足機器人足球是機器人足球競賽的最高目標(biāo)，但其涉及較為困難的技術(shù)，目前還只是在足球賽上進(jìn)行行走、避障礙、點球等表演，還不能真正進(jìn)行足球競賽。發(fā)展至今，機器人足球競賽已經(jīng)擁有一整套規(guī)范和規(guī)則，諸如對球場、球、機器人的尺寸規(guī)定，對角球、界外球、隨意球、點球等的定義，對球員犯規(guī)的判罰等。機器人足球競賽每個半場一般只有十幾分鐘。由于目前機器人的視覺系統(tǒng)主要依靠色調(diào)信息對物體進(jìn)行識別，所以球場內(nèi)外各設(shè)備和器材的顏色都有比較嚴(yán)格的規(guī)定，參賽雙方的機器人也必需貼上醒目的顏色標(biāo)識。主機和機器人或機器人和機器人之間靠無線電進(jìn)行通訊，所以對無線電的運用也有相應(yīng)規(guī)定。四、機器人足球的相關(guān)技術(shù)機器人足球是一個綜合性的項目，它涉及眾多的傳統(tǒng)理論和前沿技術(shù)。機器人制造本身就集合了結(jié)構(gòu)工程、電子電路、精密機械、仿生材料等多種技術(shù)，而計算機、自動限制、傳感、無線通訊等技術(shù)則是機器人能夠運動和踢球所不行缺少的，多個機器人之間的協(xié)作更是涉及比較困難的關(guān)于多主體的協(xié)調(diào)、合作和策略等問題。五、機器人足球的意義和目標(biāo)在第15屆國際人工智能聯(lián)合大會上，由Kitano,Veloso和Tambe等來自美、日、瑞典的9位國際聞名或知名學(xué)者聯(lián)合發(fā)表重要論文"TheRoboCupsyntheticagentchallenge97"，系統(tǒng)闡述了機器人足球的探討意義、目標(biāo)、階段設(shè)想、近期主要內(nèi)容和評價原則。概括的說，過去50年中人工智能探討的主要問題是“單主體靜態(tài)可預(yù)料環(huán)境中的問題求解”，其標(biāo)準(zhǔn)問題是國際象棋人－機對抗賽；將來50年中，人工智能的主要問題是“多主體動態(tài)不行預(yù)料環(huán)境中的問題求解”，其標(biāo)準(zhǔn)問題是足球的機－機對抗賽和人－機對抗賽。由此可見機器人足球具有重要的意義。機器人足球是人工智能的新興探討領(lǐng)域，是聯(lián)系理論和應(yīng)用的一個有效手段。它以體育競賽為載體，集中展示了各國高新科技的發(fā)展，并且檢驗了參賽國的技術(shù)水平，從而促進(jìn)科技的發(fā)展和人才的培育。機器人足球的最終目標(biāo)是建立仿人機器人足球隊，讓機器人像人一樣踢足球，甚至戰(zhàn)勝人類足球隊。實現(xiàn)這一目標(biāo)將是一個艱難而漫長的過程。六、中國機器人足球的發(fā)展?fàn)顩r目前機器人足球發(fā)展比較好的國家有歐美、日韓、澳大利亞等國家和地區(qū)。中國在這方面雖然起步較晚，但近年來有較大的發(fā)展。2001年6月，中國自動化學(xué)會機器人競賽工作委員會成立，每年舉辦包括RoboCup和FIRA兩個項目在內(nèi)的中國機器人足球競賽。1.2Robocup中型組足球機器人在RoboCup中型組競賽中，機器人要求具有全自主行為，每個隊員是一個獨立的主體，即感知、行為、決策、通訊等都由機器人自身完成，全部功能都集中在機器人內(nèi)部。RoboCup中型組足球機器人的結(jié)構(gòu)從功能上可以分為四個子系統(tǒng)：感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)。感知系統(tǒng)通過傳感器實時采集競賽信息，經(jīng)處理得到敵方機器人、己方機器人、球、球門的識別和定位信息。對應(yīng)的信息送到?jīng)Q策系統(tǒng)，由決策系統(tǒng)依據(jù)競賽場上狀況和策略產(chǎn)生相應(yīng)的限制指令；限制指令是指對執(zhí)行系統(tǒng)電機的具體限制吩咐，從而驅(qū)動電機的運動。機器人可以通過無線通訊系統(tǒng)和其他機器人進(jìn)行信息的交換。1.2.1RoboCup中型組足球機器人探討現(xiàn)狀我國對自主式足球機器人的探討起步較晚，多年以來，僅有上海交通高校、中科院自動化所、同濟高校等少數(shù)幾個單位從事自主式足球機器人的探討。2003年以來，東北高校、華南理工高校等一批單位接連起先參和這個項目的探討，近兩年參賽隊伍明顯增加。2004年有9支隊伍參與“廣州志向杯”中國足球機器人大賽中型組競賽，2005年8月參與“新科導(dǎo)航杯”中國機器人大賽中型組競賽的隊伍劇增到21支。在參賽隊伍數(shù)量增多的同時，競賽的整體水平也在不斷提高。2004年之前，中國足球機器人大賽中型組只有1：1和2：2兩個競賽項目，2005年的競賽整體升級，設(shè)立了2：2和4：4兩個項目，同時為了和國際接軌，競賽采納就是當(dāng)年國際競賽的規(guī)則?？陀^地說，國內(nèi)自主式足球機器人的探討水平和國外先進(jìn)水平相比還是有較大差距的，這既是壓力也是動力，中國的足球機器人探討者正在加倍努力、奮起直追。我國在這個項目上的探討已呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢，信任在不久的將來，肯定會有中國的隊伍在RoboCup中型組競賽中取得優(yōu)異成果。1.2.2RoboCup中型組足球機器人探討意義RoboCup中型組足球機器人競賽是近幾年國內(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,協(xié)作,射門等動作,相當(dāng)于一個分布式多智能體限制系統(tǒng)。其中須要解決的關(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、限制決策、多傳感器信息融合等技術(shù)。因此,中型組機器人足球競賽最具挑戰(zhàn)性,也最能體現(xiàn)探討單位的科研實力。對智能足球機器人的探討成果可廣泛用于軍事、民用等眾多領(lǐng)域。1.3論文的主要內(nèi)容中型自主足球機器人賽在Robdcup國際足球機器人世界杯具有重要地位，中型自主足球機器人要求限制系統(tǒng)感應(yīng)靈敏、響應(yīng)速度精確、重量輕、體積小。本課題主要是探討設(shè)計一種Robocup中型足球機器人限制系統(tǒng)，著重從電路設(shè)計方面提高其感應(yīng)靈敏性，響應(yīng)快速性。1.4本章小結(jié)足球機器人是人工智能的新興領(lǐng)域，是聯(lián)系理論和實際應(yīng)用的一個有效手段，它以體育競賽為載體，集中展示了各國高科技的發(fā)展，并且檢驗了參賽國的技術(shù)水平，從而促進(jìn)科技的發(fā)展和人才的培育。目前足球機器人發(fā)展比較好的國家有歐美，日韓等，中國在這方面雖然起步比較晚，但今年來有較大的發(fā)展。世界上比較有影響的競賽主要有兩個FIRA和RoboCup，其中RoboCup的最終目標(biāo)是建立仿人機器人足球隊，讓機器人像人一樣踢足球，甚至戰(zhàn)勝人類足球隊。實現(xiàn)這一目標(biāo)將是一個艱難而漫長的過程。其次章足球機器人的體系結(jié)構(gòu)足球機器人是機器人足球系統(tǒng)中的本體部分，一切限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)計對競賽起了至關(guān)重要的作用。不同的限制要求確定了不同機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和限制策略。所以本章首先探討機器人足球賽中型組競賽的系統(tǒng)組成、工作模式及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。然后簡要足球機器人的競賽的要求。圖2-1足球機器人競賽場景2.1機器人足球的系統(tǒng)原理組成RoboCup中型組競賽是由兩支各有多個自主式足球機器人的球隊在標(biāo)準(zhǔn)場地進(jìn)行的競賽，自主式足球機器人系統(tǒng)如圖2-2所示，場上的每個機器人都具有完全的自主實力，自身具有獨立的傳感器系統(tǒng)、決策系統(tǒng)以及執(zhí)行機構(gòu)，機器人將各自搜集到的信息同本隊的其它自主機器人溝通，通過機器人本體或場外監(jiān)控站上數(shù)據(jù)融合得到所需的信息，然后依據(jù)這些信息進(jìn)行決策，并執(zhí)行相應(yīng)的動作。圖2-2自主式足球機器人系統(tǒng)足球機器人系統(tǒng)分為下面幾個部分：1）機器人小車子系統(tǒng)2）視覺子系統(tǒng)3）無線通訊子系統(tǒng)4）機器人限制子系統(tǒng)5）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)，如圖2-3所示。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)，限制子系統(tǒng)依據(jù)指令限制機器人相應(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)限制。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。無線通訊無線通訊子系統(tǒng)視覺子系統(tǒng)機器人小車子系統(tǒng)限制子系統(tǒng)決策子系統(tǒng)圖2-3足球機器人系統(tǒng)組成原理圖機器人小車子系統(tǒng)是競賽的本體部分，其性能的好壞干脆關(guān)系到競賽的結(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)是整個競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競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、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(jìn)行分析決策運用。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，是系統(tǒng)的“大腦”，它主要功能是依據(jù)圖像系統(tǒng)供應(yīng)的一系列的場景信息和及各種傳感器信息，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競賽的成敗。限制系統(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，假如決策系統(tǒng)是教練，那限制系統(tǒng)就是隊員的本事，它的好壞關(guān)系到機器人體現(xiàn)決策系統(tǒng)指令的好壞。它的作用就是依據(jù)肯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，并且限制機器人實現(xiàn)相應(yīng)運動。2.2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。依據(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)(Vision-BasedMobileRobotSystem)；(ii)基于機器人的足球機器人系統(tǒng)(Robot-BasedMobileRobotSystem)，而依據(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)(RemoteBrainlessVision-BasedMobileRobotSystem)，簡稱遙控機器人；②基于視覺智能足球機器人系統(tǒng)(BrainOn-boardVision-BasedMobileRobotSystem)；這樣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)，它全部的視覺處理、策略決策和位置限制都在主機上完成，就像遙控小車一樣。其次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限制、位置限制和自動避障等功能。主機僅通過視覺數(shù)據(jù)來進(jìn)行決策處理，然后發(fā)出吩咐給各個機器人，機器人在依據(jù)吩咐做出行動反應(yīng)，為了實現(xiàn)自動避障和速度限制，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，全部的計算包括決策、限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。不過，任何一種模式的機器人都應(yīng)當(dāng)具備一些基本模塊：驅(qū)動模塊、通訊模塊和CPU限制模塊。不過采納的模式不同，其設(shè)計方案都不同而已。本文系統(tǒng)的設(shè)計就是基于其次種模式(即基于視覺智能機器人系統(tǒng))來設(shè)計的。2.3足球機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成有了前面的足球機器人系統(tǒng)的組成，而最終要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的運行還要硬件來實現(xiàn)。系統(tǒng)的硬件方面包括以下幾個方面：足球機器人小車系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)。下面探討一下系統(tǒng)的硬件組成，以便利后面限制平臺硬件系統(tǒng)的設(shè)計。1．足球機器人小車系統(tǒng)一般來說，足球機器人小車包括CPU模塊、電機驅(qū)動模塊、無線通訊接收模塊和傳感器模塊。而這除了無線通訊接收模塊外都屬于限制平臺的硬件系統(tǒng)。運動電機通常都是單獨驅(qū)動，大部分都采納輪式結(jié)構(gòu)，也有采納履帶結(jié)構(gòu)的。為了得到足球機器人更好的運動特性，我們采納的是四輪設(shè)計，可以實現(xiàn)全向運動的全方位機器人。2.無線通訊系統(tǒng) 對機器人指令傳送采納的是無線數(shù)字通訊。主機的信息經(jīng)過RS-232由放射模塊發(fā)送出去，而由機器人上面的接受模塊接收數(shù)據(jù)。在競賽規(guī)則中以不阻礙對方的前提下，雙方的頻率大小不加以限制。采納的通訊模塊是英國的Radiometrix，它具有433MHZ/418MHZ兩個頻段。3.視覺系統(tǒng)視覺系統(tǒng)主要由攝像頭、圖像采集卡等硬件設(shè)備和處理軟件組成。在競賽中，規(guī)定每方機器人采納黃色或者藍(lán)色作為自己的隊標(biāo)，隊標(biāo)規(guī)定采納直徑為40mm的圓，貼在機器人的上方的中心部分。而機器人的號碼識別所采納的色調(diào)不加以限制。它的主要功能就是完成圖像信息的采集和分析功能。4.主機系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)的計算速度，主機系統(tǒng)一般采納一臺P4的計算機，不過也有的隊伍采納雙CPU的計算機。主機的功能主要是處理經(jīng)過處理的圖像數(shù)據(jù)，得出球和隊員的位置、方向和速度，依據(jù)競賽場上的攻守局勢，做出決策，并且將數(shù)據(jù)通過串口傳給放射器。2.4足球機器人的技術(shù)要求足球機器人小車在整個足球機器人系統(tǒng)中相當(dāng)于執(zhí)行機構(gòu)，但它的作用又不僅限和此。從競賽的角度來說。它是上場競賽的隊員；從表演的角度來說，它又是登臺表演的演員。導(dǎo)演的創(chuàng)作藝術(shù)或者教練的戰(zhàn)術(shù)意圖最終都是通過機器人來實現(xiàn)。全部機器人本體整體性能的好壞對整個系統(tǒng)都起著舉足輕重的作用。設(shè)計機器人本體應(yīng)當(dāng)滿意以下的技術(shù)要求：1.大小要求RoboCup中型機器人組的場地大小相當(dāng)于9個兵乓球臺，機器人的直徑不超過50cm，高度在30cm-80cm之間，每個隊由4臺機器人組成，采納橙色足球進(jìn)行對抗競賽。圖2-4RoboCup中型組競賽場地示意圖中型組競賽場地是一個結(jié)構(gòu)化、彩色化的環(huán)境，如圖2-4所示。結(jié)構(gòu)化是指場地上的固定物體或標(biāo)識都有比較規(guī)則的幾何形態(tài)：球門由三個平面構(gòu)成，角柱是一個圓柱體，場地標(biāo)識線由直線、圓、圓弧構(gòu)成。同樣，彩色化指場地上的每個物體都對應(yīng)一種顏色或顏色的組合：球場底色為綠色，一方球門為藍(lán)色，另一方為黃色，角柱中間三分之一為對方球門顏色、場地標(biāo)識線為白色，競賽用球為橙紅色的5號標(biāo)準(zhǔn)足球，機器人主體為黑色。2.基本功能總體來講，足球機器人應(yīng)能精確接收主機指令并快速做出反應(yīng)，完成帶球、傳球、攔截、射門、防守等技術(shù)動作。因此機器人應(yīng)當(dāng)具備了以下功能：無線信號的接受、電機驅(qū)動及其調(diào)速、障礙識別和避障還有就是對機器人各部分功能的限制以及上述功能的協(xié)同。3.運動性能為適應(yīng)激烈對抗的競賽環(huán)境，機器人還應(yīng)具備高度的機動性能和敏捷性，能平穩(wěn)快速的完成各種前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向及急停等基本動作，且滿意以下要求：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：不能翻倒為滿意上述要求，機器人要求總體質(zhì)量輕，重心低，盡量處在機器人對稱軸線上，運動系統(tǒng)敏捷、牢靠，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量小，連接部件堅固、防松，整體剛性好，具備良好的撞擊性能。4.其它性能競賽中機器人之間的頂?，F(xiàn)象常常發(fā)生，全部要求機器人具有良好的堅實性，一旦碰撞時，機器人不能變形，各種接插件不能松動，零部件不能脫落。同時應(yīng)當(dāng)避開頂牛時候，電路元器件不能燒毀。由于競賽時候的工作環(huán)境終歸惡劣，有很多來自外面的干擾，所以機器人的結(jié)構(gòu)以及限制系統(tǒng)的設(shè)計都應(yīng)當(dāng)具有高牢靠性，在強干擾下不死機或者失控。對于足球機器人而己，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)計方面，考慮便于安裝測試和檢修；軟件設(shè)計上面要便于調(diào)試、糾錯和升級。同時經(jīng)濟性也是在設(shè)計中必需考慮的問題。2.5足球機器人機電結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整個足球機器人硬件系統(tǒng)設(shè)計包括兩個方面：限制系統(tǒng)設(shè)計和機電系統(tǒng)設(shè)計。全部在進(jìn)行機器人限制系統(tǒng)設(shè)計前，必需對它的限制對象足球機器人的機電系統(tǒng)設(shè)計闡述清晰，這樣以便于后面的限制系統(tǒng)的選型和限制電路設(shè)計。機電系統(tǒng)設(shè)計包括限制電機選型及性能參數(shù)、機器人底盤選型和設(shè)計，由于機電系統(tǒng)的設(shè)計不是本文的重點，所以這里概要闡述一下足球機器人的機電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。機器人的運動離不開電機的選擇，對于移動小機器人的限制電機，均選用微電機，其有直流電機和步進(jìn)電機兩種選擇。我們在充分考慮步進(jìn)電機和直流電機的優(yōu)缺點的時候，最終選用的是調(diào)速性能優(yōu)良、調(diào)速便利、平滑范圍廣的直流電機。依據(jù)電機轉(zhuǎn)矩、功率損耗、轉(zhuǎn)速和外形尺寸，經(jīng)過我們的設(shè)計計算，最終我們采納的是瑞士的Maxon電機。依據(jù)上面機器人設(shè)計要求，為了實現(xiàn)各種基本功能，所以我們設(shè)計的足球機器人主體結(jié)構(gòu)主要由機體、行走機構(gòu)、帶球機構(gòu)、擊球機構(gòu)和各種傳感器組成。為了獲得良好的機動性和敏捷性，我們設(shè)計的足球機器人的行走機構(gòu)采納的三輪式驅(qū)動機構(gòu)，三個車輪互呈120，分布在同一個圓周上面，如圖2-6。每個車輪分別由直流伺服電機(主動電機)、齒輪減速器、碼盤和車輪等零部件組成，同時每個車輪都采納全方位輪。全方位輪的機構(gòu)是圓形大輪的圓周上密布小滾動輪子，車輪可以沿周向和軸向兩個方向作滾動運動。，這樣無論直線移動，還是轉(zhuǎn)彎，總以滾動代替滑動，大大削減摩擦力。采納這樣的機構(gòu)可以很便利地實現(xiàn)任何方向地直線運動圖2-6足球機器人的行走機構(gòu)和全方位輪擊球機構(gòu)設(shè)計主要考慮蓄能和瞬間釋放機構(gòu)，彈簧應(yīng)為首選方案。已設(shè)計的擊球機構(gòu)主要由電機，蝸桿，蝸輪，扇形齒輪，齒條擊桿，壓縮彈簧，擊球板等組成。其設(shè)計思路為：不擊球時彈簧始終處于壓縮狀態(tài)，擊球時，限制信號讓電機轉(zhuǎn)動，帶動蝸桿蝸輪，和蝸輪共軸的扇形齒輪和齒條脫離嚙合，彈簧力推動擊桿擊球，當(dāng)扇形齒輪和齒條重新進(jìn)入嚙合，擊桿回收，當(dāng)扇形齒輪轉(zhuǎn)過肯定的角度時，擊桿回收到位，限制信號讓電機停轉(zhuǎn)，依靠蝸桿蝸輪自鎖性，保持擊桿處于回收狀態(tài)。如圖2-7。圖2-7足球機器人的擊球機構(gòu)帶球就是須要球和機器人粘在一起，機器人在競賽過程中往往須要帶球運行，找尋最佳射門點或傳球點，所以帶球機構(gòu)是足球機器人中又一個不行缺少的關(guān)鍵機構(gòu)。機器人能夠?qū)崿F(xiàn)在前進(jìn)，轉(zhuǎn)彎，后退等運行狀態(tài)下帶球是帶球機構(gòu)所要達(dá)到的目標(biāo)。依據(jù)RoboCup競賽規(guī)則：機器人持球的時候，從上往下看必需有80%的球的面積在控球裝置外面，所以不能采納抱球的機構(gòu)。我們從運動學(xué)角度動身，利用相對運動關(guān)系設(shè)計了我們的帶球機構(gòu)，如圖2-8。其關(guān)鍵設(shè)計思想為：機器人在前進(jìn)，轉(zhuǎn)彎，后退的運動中對球產(chǎn)生一個驅(qū)動力或力矩，使球產(chǎn)生相應(yīng)的運動，并使球始終保持和機器人在一起，為此運動過程中，須要兩者速度滿意匹配關(guān)系。圖2-8足球機器人的帶球機構(gòu)依據(jù)以上設(shè)計思路我們設(shè)計了由電機，齒輪及帶傳動機構(gòu)，滾輪，支架等組成的帶球機構(gòu)。在機構(gòu)設(shè)計中，關(guān)鍵是使球產(chǎn)生相對機器人運動結(jié)構(gòu)，用一個具有肯定彈性的滾輪和小球發(fā)生滾動式接觸，靠摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩帶動球在地面產(chǎn)生朝向機器人的滾動。這里設(shè)計的重點是彈性滾輪和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動速度。除了擊球、帶球功能外，在機器人車體上同時安裝了六路近距離紅外傳感器，如圖2-9所示。6是正前方傳感器，4是正后方傳感器，3,5是另外兩主運動方向的傳感器，1,2是擊球和控球動作中找球傳感器，位于機器人正前下方。目的就是為了保證機器人的擊球機構(gòu)擊球的精確性和帶球機構(gòu)能夠順當(dāng)帶球以及在運動過程中實現(xiàn)自動避障。同時為了能夠更好的限制機器人的運動，在機器人上面安裝加速度傳感器，來實時檢測系統(tǒng)的運動速度。、圖2-9足球機器人傳感器圖2-9足球機器人傳感器2.6本章小結(jié)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)、機器人的限制子系統(tǒng)及決策子系統(tǒng)組成構(gòu)成了大的閉環(huán)系統(tǒng)。（2）足球機器人的系統(tǒng)工作模式，依據(jù)機器人的決策部分在整個系統(tǒng)作用位置來確定，本文設(shè)計的是用基于視覺智能機器人系統(tǒng)來設(shè)計的。(3)足球機器人限制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為兩個：決策限制和運動限制。(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。(5)機器人總體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計包括：尺寸限制、功能要求運動功能等(6)機電機構(gòu)設(shè)計，驅(qū)動機構(gòu)、帶球機構(gòu)、擊球機構(gòu)。第三章足球機器人限制系統(tǒng)硬件設(shè)計了解了足球機器人的體系結(jié)構(gòu)，在分析完足球機器人的機電機構(gòu)后，現(xiàn)在來進(jìn)行限制系統(tǒng)的設(shè)計，它是本論文的核心部分。本章首先依據(jù)限制對象的限制要求來分析系統(tǒng)所須要的硬件結(jié)構(gòu)，然后針對每一部分進(jìn)行具體的電路設(shè)計分析。3.1限制系統(tǒng)的硬件電路的組成結(jié)構(gòu)前面談到了足球機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它主要包括CPU模塊、無線通訊接收模塊和傳感器模塊。但是在實際當(dāng)中要實現(xiàn)以CPU電機驅(qū)動模塊為核心的限制系統(tǒng)設(shè)計時候，CPU模塊每個模塊都要進(jìn)行相應(yīng)的擴展，從而來實現(xiàn)具體的限制系統(tǒng)。CPU模塊：CPU+時鐘復(fù)位電路+外圍擴展電路等等；電機驅(qū)動模塊：電機限制回路+電機驅(qū)動放大回路+電機反饋回路；無線通訊接收模塊：無線通訊信號的接受+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+加速度計電路；這樣整個系統(tǒng)的硬件就由圖2-2擴展為下圖：圖3-1硬件限制系統(tǒng)組成框圖3.2基于TMS320LF2407的主控系統(tǒng)設(shè)計足球機器人性能的優(yōu)劣除了由牢靠、有效的機械結(jié)構(gòu)來保證外，它的主控系統(tǒng)硬件電路是機器人動作的大腦，而核心CPU作為這個大腦的靈魂部分。它的選擇不僅確定了主控系統(tǒng)設(shè)計的性能，同時制約了其它系統(tǒng)的設(shè)計。目前，足球機器人限制器大部分是采納8位或者16位單片機，甚至32位單片機作為微限制器，例如康奈爾采納MOTOROLA的MC68HC16、日本采納HITACH公司的SH7043系列等單片機。由于目前的足球機器人車體多為三輪或四輪，采納單片機對實現(xiàn)多電機限制來說，其硬件設(shè)計存在結(jié)構(gòu)相對困難，算法限制實時性差等缺點，所以我們采納美國TI(德州儀器)公司的TMS320LF2407A微限制器，2407DSP限制器具有豐富的外圍接口，它將DSP的高速限制實力和面對電機的高效限制實力集于一體，使機器人限制系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計大大簡化，而且算法限制的實時行提高，使系統(tǒng)更為簡潔，穩(wěn)定牢靠。3.2.1TMS320LF2407的簡介TMS320LF2407DSP是美國TI公司推出的C2xxx系列產(chǎn)品，它是為了滿意大范圍的數(shù)字電機限制應(yīng)用而設(shè)計的。它具有實時運算，工作敏捷，功耗低(采納3.3V工作電壓)等優(yōu)點其基本的特點如下：1)LF2407具有16位定點CPU內(nèi)核，其運行速度為40MIPS，指令執(zhí)行時間為25ns；2)整個程序和數(shù)據(jù)存儲容量為128K*16位存儲空間，其中32K*16位片上FLASH,2.5k的片上數(shù)據(jù)存儲空間，并具有64k的I/0尋址空間；3)16路10位的片上A/D接口；4)豐富的電機限制接口：存在多路PWM限制輸出、正交解碼接口、脈沖捕獲單元和3路定時器，滿意實時電機限制要求；5)豐富的通訊接口：UART串行接口(SCI)、CAN總線標(biāo)準(zhǔn)接口，具有SPI同步串行外設(shè)接口；6)具有片上平安監(jiān)控功能：如看門狗，電源驅(qū)動愛護(hù)等；7)豐富的I/0口。TMS320LF2407A豐富的片上資源：正交解碼電路、串行通訊接口、多電機PWM驅(qū)動接口、多定時/計數(shù)器、多路A/D、脈沖邊緣捕獲電路等，使其特別適用于足球機器人限制系統(tǒng)實現(xiàn)的須要。而且由于DSP的高性能的運算實力，為采納困難限制算法例如PID限制、自適應(yīng)限制以及卡爾曼濾波等等供應(yīng)了高牢靠性和可編程性，從而提高了電機限制的實時性和整個系統(tǒng)的性能。3.2.2基于TMS320LF2407的主控系統(tǒng)設(shè)計上章己經(jīng)闡述過我們研制的中型足球機器人的機電系統(tǒng)設(shè)計，它是采納三主動輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)，機器人運動的敏捷性有了顯著的提高。同時也分析了足球機器人所須要的各種功能結(jié)構(gòu)，所以機器人主控系統(tǒng)要實現(xiàn)的具體功能如下：1)驅(qū)動三個獨立的主運動電機，使機器人具有運動功能；2)驅(qū)動兩個獨立的帶球，擊球電機，使機器人具有帶球和擊球的功能；3)六路近紅外傳感器檢測，用以實現(xiàn)小車限制的近距離避障以及檢測球是否在機器人被控范圍，從而提高擊球的精確性；4)三路主電機的電流信號檢測，從而實時完成電機的電流限制；5)加速度計傳感器檢測，用以計算機器人車體的加速度信息，從而進(jìn)行機器人限制；6)和無線通訊系統(tǒng)接口，實現(xiàn)決策信息的接受；7)三主運動電機碼盤信號的檢測，實時完成電機速度限制。為了實現(xiàn)上述機器人的功能，采納2407A微處理器，擴展系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)RAM分別為64K便利程序調(diào)試，同時外擴64K的程序ROM，使系統(tǒng)有足夠的程序空間。主控系統(tǒng)硬件框圖如下圖3-2所示。圖3-2足球機器人主控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖由于須要檢測機器人的三個主電機的碼盤信號，而DSP內(nèi)部只有兩路正交解碼電路，因此必需基于DSP外擴一組碼盤信號檢測電路。我們采納碼盤接口芯片HCTL2000和DSP接口來實現(xiàn)第三路碼盤信號的檢測、相、計數(shù)。由于HCTL2000芯片內(nèi)部集成正交脈沖鑒向電路和信號四倍頻電路，內(nèi)有12位加減可逆計數(shù)器，并且通過總線連接方式接口，其最大工作頻率為14MHz，從而使碼盤信號檢測便利、牢靠實現(xiàn)。設(shè)計中通過采納GAL譯碼，將HCTL2000芯片作為DSP的I/O外設(shè)映射TMS320LF2407ADSP的I/O空間的0X0000地址，DSP通過I/O操作指令訪問I/O空間的0X000口地址，從而通過數(shù)據(jù)總線讀取電機碼盤信號。HCTL2000和DSP的硬件連接示意圖如圖3-3所示。圖中HCTL2000工作在12M頻率。DSP通過I/O口IOPF5置低來對HCTL2000內(nèi)部計數(shù)器清零，DSP讀取HCTL2000內(nèi)部計數(shù)器值時，首先使HCTL2000的SEL為低電平(置IOPF6=0)HCTL2000內(nèi)部12位計數(shù)器的低8位數(shù)據(jù)通過8位總線(BO-B7)，經(jīng)74LVTH245(3.3V和5V)總線隔離后干脆通過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位計數(shù)器的高4位數(shù)據(jù)同樣可以得到。碼盤芯片復(fù)位后，當(dāng)電機正轉(zhuǎn)時，HCTL2000的計數(shù)值從0起先增計數(shù)，反轉(zhuǎn)時從4096起先減計數(shù)。3.3電機驅(qū)動電路設(shè)計在設(shè)計好基于TMS320LF2407的主控系統(tǒng)后，限制系統(tǒng)就可以以它作為平臺從而實現(xiàn)接受指令、處理指令和輸出指令的功能。電機是限制系統(tǒng)的輸出端和執(zhí)行元件，所以電機驅(qū)動電路設(shè)計的好壞干脆影響足球機器人的運動性能。下面來探討電機的驅(qū)動限制原理、驅(qū)動放大電路和電機的速度位置檢測回路。3.3.1直流電機調(diào)速限制原理由于不同的電機類型有著不同的運動特性，所以采納的方法也往往不同。因為我們采納的是直流電機作為驅(qū)動元件，所以下面分析一下它的運動特性和限制方法。1.直流電機運動特性直流電機的運動轉(zhuǎn)速n符合下列公式：n=(rpm)(3-1)其中：：電樞電壓（v）,：電樞電流(A),：表示電樞電路總電阻()，：電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，：電極的磁通量(wb)。2.電機限制方式由上式(3-1)可得，直流電機轉(zhuǎn)速n的限制方法有兩種：勵磁限制法和電樞電壓限制法。其中勵磁限制法通過變更電極的磁通量來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的限制，但是這種限制方法在低速時受到磁極飽和的限制，高速時受到換向火花和換向轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的限制，所以它的限制功率比較小，同時由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差。所以我們通常采納的限制方法是變更電樞電壓的方法從而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的限制。假設(shè)電機的電樞端串聯(lián)個電阻R，接在直流電源的兩端，其中直流電源的電壓為，所以(3-2)明顯通過變更電阻R就可以變更電機兩端的電壓，從而實現(xiàn)調(diào)速功能。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)展了很多新的電樞電壓限制方法，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)用越來越少。PWM限制方法就是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖序列，通過限制電壓脈沖序列的寬度或周期從而達(dá)到變更電壓的目的，或者通過變更電壓脈沖寬度和脈沖序列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種限制技術(shù)。PWM的調(diào)壓比串聯(lián)電阻調(diào)壓功耗小，效率高。而且PWM限制所須要的濾波裝置很小甚至只利用電樞的電感就己經(jīng)足夠了，從而不須要外加濾波裝置，且電機的發(fā)熱小，動態(tài)響應(yīng)快。3.3.2直流電機驅(qū)動設(shè)計1.主運動電機的驅(qū)動設(shè)計下面是我設(shè)計的主電機雙向調(diào)速的驅(qū)動電路圖。如下圖(3-4)，設(shè)計中采納4AM11作為電機驅(qū)動芯片，具體限制時候由TMS320lf2407輸出PWM信號和兩個方向信號，通過和門輸入到驅(qū)動芯片4AM11，然后將驅(qū)動信號輸出到電機的接口端。由于主控芯片DSP是在3.3v下工作的，所以光電編碼器產(chǎn)生的碼盤信號通過前期處理將輸入到TMS3201f2407,從而形成速度檢測環(huán)限制，至于碼盤信號的捕獲在上面已經(jīng)介紹了。同時將電流檢測信號AN2返回到主控芯片從而形成電流環(huán)。圖3-4主運動電機雙向調(diào)速驅(qū)動電路2.帶球、擊球電機的驅(qū)動設(shè)計擊球、帶球的電機選擇和主運動電機一樣是采納MAXON的直流伺服電機，由于它們應(yīng)用的場合要求和主運動電機不同，所以設(shè)計的具體電路也有所不同。在競賽中，帶球電機須要實現(xiàn)帶球跟著機器人運動，所以帶球電機只須要單方向運動，同時對于速度的調(diào)整不作要求，而擊球電機實現(xiàn)擊球功能時候須要在擊球機構(gòu)打出去的同時收回來，所以擊球電機須要雙向運動，同時因為競賽的時候，傳球力度和擊球力度完全不一樣，所以須要對速度進(jìn)行調(diào)整，由于系統(tǒng)考慮還沒有完全實現(xiàn)傳球功能，所以我們在設(shè)計的時候也省去了擊球電機速度調(diào)整的設(shè)計。圖3-5是它的驅(qū)動電路原理圖。為了使系統(tǒng)調(diào)試的便利，而且?guī)蚝蛽羟蛞蟛顒e不多，所以在設(shè)計的時候?qū)螂姍C的驅(qū)動設(shè)計成和擊球電機一樣。3.4傳感器電路設(shè)計由于足球機器人競賽是在高速對抗中進(jìn)行，它要求機器人的運動精確、快速、敏捷。所以須要機器人本體供應(yīng)的協(xié)助信息越多越具體越好，單純依靠碼盤、電流檢測和視覺等形成的限制閉環(huán)信息還是太過于偏少。所以我在設(shè)計系統(tǒng)的時候添加了加速度傳感器和近紅外傳感器，從而豐富機器人的限制信息。下面分別來探討加速度傳感器和近紅外探測傳感器的工作原理及其電路系統(tǒng)設(shè)計方案。3.4.1加速度傳感器電路設(shè)計加速度傳感器有很多種，在系統(tǒng)設(shè)計時候，我們采納的是美國ADI公司的ADXL202加速度芯片。選用ADXL202具有下列優(yōu)點：首先它是集成在單片集成電路上的一個完整的加速度測量系統(tǒng)。它采納了先進(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，運用了溫度穩(wěn)定性較好的差動電容器做敏感元件，而且使得加速度計成為完整的標(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，無須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。它可以測量正負(fù)加速度。它的測量范圍是士2g，可以測量動態(tài)或靜態(tài)的加速度，同時在測量的時候可以保持比較高的精度要求。下圖3-7是它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：圖3-6加速度計ADXL202的內(nèi)部圖其中Xout,Yout為兩個輸出端口，輸出的是X、Y兩個方向的加速度。它所輸出的波形是一個方波，依據(jù)方波的脈寬比來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=輸出信號的周期可以從0.5ms-10ms范圍里面，它主要由R電阻的大小確定，信號的帶寬可以從0.01HZ到5KHZ變更，這個主要取決于C、C的大小，其設(shè)置的公式是：F=即F=(3-3)加速度信號在5mg以下也可以測出來。下面是ADXL202的管腳封裝和它的管腳說明：ADXL202管腳說明PINFUNCTIONDESCRIPTIONS引腳名稱描述1，6，8NC空腳NoConnect2V測試點，應(yīng)用懸空TestPoint,DoNotConnect3ST自檢測點，自檢測時接V，應(yīng)用時接地或懸空SelfTest4，7COM公共地Common5T2R的接入點，用于設(shè)置DCM調(diào)制周期ConnectRtoSetT2Period9YY軸循環(huán)數(shù)字信號輸出點YAxisDutyCycleOutput10XX軸循環(huán)數(shù)字信號輸出點XAxisDulyCycleOutput11YY軸濾波電容接入點或Y軸模擬信號輸出點ConnectCupaeltorforYFilter12XX軸濾波電容接入點或X軸模擬信號輸出點ConnectCupaeltorforXFilter13，14V電源+3Vto+5.25VConnectto13(14)依據(jù)以上的功能設(shè)計出電路板上所用的加速度計電路如下：圖3-7加速度計設(shè)計電路由以上的電路產(chǎn)生的信號通過Xout,Yout，通過前期信號處理返回到主控板，給限制策略供應(yīng)協(xié)助的機器人本體信息，從而提高機器人限制的平穩(wěn)性和快速性。近紅外探測傳感器的電路設(shè)計在機器人競賽過程中,為了讓機器人在高速運動的時候可以精確的發(fā)覺球的位置，從而提高擊球和帶球吩咐的精確性，同時防止機器人之間的碰撞，所以在機器人本體上面設(shè)計了紅外探測傳感器，它的位置和功能前面己經(jīng)講解并描述了，這里主要探討紅外探測傳感器的原理和電路設(shè)計方案。近距離紅外傳感器測量原理如圖(3-8)所示，紅外發(fā)光管發(fā)出紅外光，光敏接收管接收前方物體反射光，接收管接收的光強隨反射物體的距離變更，所以可以推斷前方是否有障礙物同時依據(jù)接收信號強弱來推斷物體的距離。近距離紅外傳感器，其體積小，簡潔安裝運用，對環(huán)境的要求不高，而且可避開外部的干擾光線。圖3-8紅外線傳感器原理和傳感器系統(tǒng)設(shè)計框圖每一路傳感器都是由紅外發(fā)光管，紅外光電管，發(fā)光管驅(qū)動電路，光電管信號前置放大電路等組成。因為紅外發(fā)光管的能耗很高，每個發(fā)光管的功耗接近機器人上的一個電機空載運行時的功耗(100mA以上電流)，所以假如六路傳感器同時工作的話，多個發(fā)光管一起工作時的能耗將不行小視。機器人的能量來源于電池，降低能耗對機器人系統(tǒng)設(shè)計特別重要，而且從減輕機器人總體質(zhì)量，提高運動敏捷性角度動身，要盡可能少帶電池，所以必須要在不影響傳感器正常的工作的狀況下大幅度的減小功耗。所以我設(shè)計了一個循環(huán)掃描的選通電路，通過對這個電路的限制每一時刻只讓一路傳感器工作，這樣就使功耗降低到原來的1/6。假如再考慮采納脈沖調(diào)制信號來驅(qū)動紅外發(fā)光管，就可以使能耗再降低一個數(shù)量級。傳感器系統(tǒng)設(shè)計的框圖如上圖(3-8)。系統(tǒng)的運作流程是：由主控芯片DSP輸出選通信號，信號通過選通電路來選擇某路傳感器工作，驅(qū)動這路傳感器的紅外發(fā)光管發(fā)出紅外光，而相對應(yīng)的紅外光電管的輸出信號被選擇進(jìn)入信號處理電路，假如加上調(diào)制電路的作用，紅外發(fā)光管發(fā)出的是脈沖紅外光。在探測范圍內(nèi)遇到障礙物，反射回來的光線被紅外光電管接收，輸出脈沖的信號，此信號經(jīng)過前置放大電路后被放大，通路選擇電路將放大后的信號送到信號處理電路。經(jīng)處理后輸出的是電壓模擬信號，干脆輸送到主控芯片DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。主控芯片DSP對此數(shù)字信號進(jìn)行處理計算，從而得到前方障礙物的距離。依據(jù)前面的傳感器系統(tǒng)方案我設(shè)計了傳感器系統(tǒng)電路。為了使得電路調(diào)試時候的更便利，我依據(jù)電路的邏輯關(guān)系，將整個電路分成下列幾個模塊來分別實現(xiàn)不同的功能。它們是紅外發(fā)光管驅(qū)動模塊，傳感器信號前置放大模塊，紅外發(fā)光管選通模塊，信號處理模塊等組成。這些模塊的功能是獨立的，設(shè)計時可以獨立設(shè)計。下圖(3-10)就是我所設(shè)計的傳感器系統(tǒng)電路原理圖。圖3-9紅外探測傳感器系統(tǒng)電路設(shè)計第四章足球機器人的限制對象建模4.1限制系統(tǒng)的具體要求因為足球機器人競賽是在高速對抗中進(jìn)行，要求機器人運動精確、快速、敏捷，因此對機器人運動限制特別重要。同時足球機器人競賽系統(tǒng)是個群體機器人協(xié)調(diào)作戰(zhàn)系統(tǒng)，猶如人類足球競技競賽一樣，每個機器人不僅要充當(dāng)整體角色中的一員，而且自身也要具備很強的單兵作戰(zhàn)實力。機器人限制系統(tǒng)是保證機器人跑位、帶球、傳球、截球、阻擋、射門、戰(zhàn)術(shù)協(xié)作等一系列技術(shù)動作得以完備實現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。限制系統(tǒng)要以最優(yōu)的限制方式來完成競賽過程中的各種技術(shù)動作，所謂的最優(yōu)限制是指：兩個動作之間的平穩(wěn)切換、動作組合、運動慣性的限制、電機特性限制、路徑規(guī)劃、快速精確的定點移動等。限制系統(tǒng)總體設(shè)計如下：足球機器人是一個慣性系統(tǒng)，具有肯定的超調(diào)響應(yīng)和滯后效應(yīng)。在競賽過程中機器人始終處于動態(tài)，同時要求速度快、運動穩(wěn)定和精確等，但是對于慣性系統(tǒng)而言兩者是沖突的，速度越快，系統(tǒng)的慣性越嚴(yán)峻，限制比較困難。圖4-1是足球機器人的限制系統(tǒng)框圖。主控單元采納DSP作為系統(tǒng)的處理器，接收場景信息并處理，進(jìn)行整體戰(zhàn)術(shù)決策分析。姿態(tài)限制部分由MPU和電機驅(qū)動電路組成，電機實行PWM調(diào)速，各種傳感器信息同時反饋到DSP和MPU系統(tǒng)，實現(xiàn)對機器人運動精確限制。圖4-1足球機器人限制系統(tǒng)框圖限制系統(tǒng)是機器人運動的核心，機器人的每一個動作都須要經(jīng)過決策、姿態(tài)限制、電機運行、信號檢測循環(huán)過程。其中決策和姿態(tài)限制聯(lián)系特別緊密，兩者之間是相輔相成。機器人的很多動作，例如走直線、轉(zhuǎn)彎、射門、帶球、傳球等動作既可以在決策中完成，也可以在姿態(tài)限制部分完成，兩者都須要占用較多的CPU運算時間。這些都給機器人限制系統(tǒng)的設(shè)計帶來了難題。為了解決好決策和姿態(tài)限制之間的關(guān)系，解決好多機器人協(xié)調(diào)限制所帶來的問題，我采納分級限制的處理方法。所謂分級限制就是將限制系統(tǒng)分為組織級、協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級三級對機器人進(jìn)行限制，使得整個系統(tǒng)運行更加快速、敏捷、精確。三級之間采納一些接口參數(shù)進(jìn)行彼此聯(lián)系。圖4-2是足球機器人限制系統(tǒng)的三級結(jié)構(gòu)圖：圖4-2足球機器人限制系統(tǒng)的三級結(jié)構(gòu)圖4.2足球機器人的動力學(xué)建模限制系統(tǒng)的好壞關(guān)系到?jīng)Q策系統(tǒng)指令執(zhí)行的好壞，所以如何依據(jù)電機的特性、自身運動狀態(tài)、限制吩咐等信息生成比較好的限制運動指令，從而實現(xiàn)限制目標(biāo)。這都依靠于系統(tǒng)限制方程的建立。限制方程包括動力學(xué)方程和運動學(xué)方程，而限制方程的好壞往往依靠于所限制的對象，下面我們就來講解并描述我所限制的足球機器人的動力學(xué)建模。動力學(xué)模型的建立和它限制對象的特性親密相關(guān)，不一樣的機器人結(jié)構(gòu)所建立的動力學(xué)模型都不一樣。上面我己經(jīng)闡述過我們設(shè)計的機器人是采納三輪行走驅(qū)動限制，同時三個輪子分布在同一圓周上，互成120方向。這樣的目的就是可以實現(xiàn)隨意方向的運動。為了建立方程的便利，以圖4-3所示的X,Y方向為坐標(biāo)軸正方一直分析機器人的運動學(xué)方程。對于直流電機而言，它的運動限制特性滿意下列方程：T=-(4-1)其中,U表示電機兩端的電壓(v)，表示電機的角速度(rad/s)，（Nm.rad/s）、（Nm.rad/s）表示直流電機常數(shù)。圖4-3足球機器人結(jié)構(gòu)簡圖因為主動輪是聯(lián)在電機軸上的，假如在機器人不打滑的狀況下，主動輪的驅(qū)動特性為：f=(4-2)其中，（N/v）、(kg/s)是由電機常數(shù)和輪子所確定的特性常數(shù)。如圖4-3所示，假設(shè)=（xy）表示在全局坐標(biāo)下中心點的位置向量，則我們可以得到三個主動輪的位置和速度方程。(4-3)V(4-4)其中，,逆時針方向為正。因為三輪是依據(jù)120分布，依據(jù)方程（4-3）、（4-4）我們可以得到速度和位移之間的方程：(4-5)其中，L表示三個主動輪所處圓的半徑。依據(jù)牛頓其次運動定律，系統(tǒng)的運動應(yīng)當(dāng)滿意動力學(xué)平衡方程，方程如下：（4-6）其中，m表示系統(tǒng)質(zhì)量（4-7）其中，J表示系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量，表示第i電機產(chǎn)生的扭矩。將（4-2）帶入到方程（4-6）、（4-7）可得下列方程：（4-8）L(4-9)依據(jù)上述的方程，我們可以得到機器人運動的微分方程如下所示：（4-10）其中，，為了將（4-10）轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的動力學(xué)方程形式，進(jìn)行下列時間和位置變換，假設(shè)、、，令、、、、將它們代入到方程（4-10）得到簡化的動力學(xué)方程：（4-11）其中動力學(xué)方程（4-11）含有三個方程四個未知數(shù)，它是個無法解析出具體結(jié)果的限制方程，為了獲得簡潔、易采納處理的最優(yōu)限制，我們加了很多限制條件去解耦方程（4-11），從而得到可以解析的限制方程，所得解析方程如下：（4-12）（4-13）（4-14）其中、（4-15）其中方程（4-15）是經(jīng)過歸一化的結(jié)果。所以得到限制模型的動力學(xué)方程如（4-12）、（4-13）、（4-14）所示后面的限制算法的應(yīng)用供應(yīng)了模型。4.3足球機器人的運動學(xué)建模為了便于分析我們提出下列假設(shè)：(1)小車，驅(qū)動輪和地面均為剛體；(2)車輪的厚度忽視不計；(3)子輪、母輪只發(fā)生純滾動；(4)機器人底盤重心和中心重合；(5)三個主運動輪在同一圓周上；(6)忽視子輪自滾產(chǎn)生的徑向速度的影響。選擇固定在車體的坐標(biāo)系(稱車體坐標(biāo)系)XOY，如下圖(4-4)所示：依據(jù)運動合成和分解原理，車體的運動和驅(qū)動輪的運動之間的運動關(guān)系如下：（4-16）（4-17）（4-18）圖4-4機器人運動學(xué)分析圖其中，,,分別是三組驅(qū)動輪的線速度，，，分別是三組驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動角速度。，分別是機器人平移速度V在機器人車體坐標(biāo)系下X和Y軸的重量，是機器人自轉(zhuǎn)角速度。，，分別是車體質(zhì)心到三組車輪中心的水平距離，R是車輪半徑。將方程（4-16）、（4-17）、（4-18）寫成規(guī)范的矩陣形式，為：（4-19）其中、、假如以固有的世界坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系時有：（4-20）其中，為機器人的世界坐標(biāo)，T為坐標(biāo)變換關(guān)系，為車體坐標(biāo)系X軸正方向在世界坐標(biāo)系中的方向角。由上兩個運動方程可得：（4-21）依據(jù)運動學(xué)方程可以直觀分析出機器人做簡潔運動時，三個驅(qū)動輪的速度之間的關(guān)系。1.隨意方向的直線運動此時機器人組轉(zhuǎn)角速度為0時，即機器人平動。則：（4-22）（4-23）（4-24）其中若=0時，機器人向前后直線運動，若=0時，機器人向左右直線運動。2.繞質(zhì)心自轉(zhuǎn)此時機器人。則三組驅(qū)動輪線速度。3.圓弧運動1）（即平動圓弧）因為,所以車體運動憑借和值的不斷變更變更運動方向，從而實現(xiàn)圓弧運動。如下圖4-5所示：則在t時刻，(4-25)(4-26)其中為起始點指向圓心的向量的方向角，r是圓弧半徑，V為小車走圓弧的線速度。將（4-25）、(4-26)帶入到（4-16）、（4-17）、（4-18）可得到機器人的三個驅(qū)動輪的速度分析。2）(即機器人始終沿著圓弧的切線方向運動) 圖4-5機器人圓弧運動軌跡因為，車體運動為平動加轉(zhuǎn)動。平動的速度如何安排到三個驅(qū)動輪上這個問題在上一小節(jié)已經(jīng)探討過，這里只要依據(jù)小車走圓弧的速度V求出小車自轉(zhuǎn)的角速度，再疊加上平動的速度就可以得到機器人小車運動軌跡為這種圓弧是三個驅(qū)動輪的速度和時間的函數(shù)。因為小車運動一圈時，小車自轉(zhuǎn)的角度也是，所以小車自轉(zhuǎn)的角速度是：，所以平動和轉(zhuǎn)動在三個驅(qū)動輪上的安排速度疊加后得到：（4-27）（4-28）（4-29）依據(jù)對機器人的動力學(xué)建模和運動學(xué)建模，就可以很好的采納具體的限制算法來實現(xiàn)機器人運動限制的平滑、穩(wěn)定和快速性。第五章中型足球機器人決策子系統(tǒng)分析 和設(shè)計5.1決策子系統(tǒng)分析5.1.1決策子系統(tǒng)的任務(wù)在機器人足球競賽系統(tǒng)中，決策子系統(tǒng)上接視覺子系統(tǒng)，下接通信子系統(tǒng)，它是整個系統(tǒng)的中心樞紐。視覺子系統(tǒng)傳來場上機器人和球的位置坐標(biāo)和方向角，這些數(shù)據(jù)信息作為輸入量進(jìn)入決策子系統(tǒng)。決策子系統(tǒng)的任務(wù)就是如何依據(jù)這些信息，經(jīng)過決策處理，得出各個機器人的運動限制吩咐，提高無線通信子系統(tǒng)發(fā)送給各個機器人。決策子系統(tǒng)的優(yōu)劣將干脆影響到競賽的成敗。足球機器人的決策系統(tǒng)扮演著教練員和運動員的職責(zé)。在真實的綠茵場上，作為教練員要依據(jù)球場上的實際狀況來部署球員，同時也依據(jù)不同的對手，選擇不同的隊形。足球機器人賽場上，決策者也應(yīng)當(dāng)依據(jù)不同的球隊實行不同的策略，對于錯綜困難的球場形勢，運用敏捷的策略。作為人類，球員和教練的思維通常包括形象思維和邏輯思維兩部分，在激烈的體育競賽中通常以形象思維為主。如當(dāng)競賽場上具有如圖5.1所示的態(tài)勢:R1～R3為我方機器人在左半場，向右進(jìn)攻，人類教練員會馬上看出R1隊員進(jìn)攻位置比圖5.1反映競賽瞬間態(tài)勢的示意圖較好，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行射門。而機器人決策系統(tǒng)從視覺子系統(tǒng)得到的信息只是一個包含機器人姿態(tài)和球位置的數(shù)據(jù)矩陣，這使人類形象思維的優(yōu)勢蕩然無存。人類對球場信息的處理通常是在模糊概念上，如:遠(yuǎn)、近、快、慢、有利、無利??，用自然語言進(jìn)行推理、決斷。而決策子系統(tǒng)面對的是精確的數(shù)據(jù)和呆板的程序語言。如何將教練員的決策思維過程形式化、規(guī)范化，并用計算機程序表現(xiàn)出來，這屬于學(xué)問工程的范疇，嶄新的前沿領(lǐng)域。這也是機器人足球比計算機下國際象棋更具挑戰(zhàn)性的要點所在，也是決策子系統(tǒng)的難點所在。視覺系統(tǒng)視覺系統(tǒng)辨識數(shù)據(jù)微型足球機器人決策系統(tǒng)人機界面設(shè)定機器人左右輪速度設(shè)定辨識數(shù)據(jù)圖5.2決策系統(tǒng)輸入輸出模塊圖如圖5.2所示，決策系統(tǒng)是一個學(xué)問型系統(tǒng)，有如下關(guān)系:O=f(I)其中，I矩陣是視覺輸出的數(shù)據(jù)，為場上物體的位姿，O矩陣是決策輸出數(shù)據(jù)，為我方機器人的左右輪速設(shè)定，n為我方機器人的數(shù)目。對于Mirosot3VS3的足球機器人系統(tǒng)，場上實體的位置信息，它可由一個7×3的矩陣來表示：其中，前3行分別表示我方機器人R1、R2、R3的坐標(biāo)值(x,y)及方向角值，第四行至第六行分別表示對方機器人OR1、OR2、OR3的坐標(biāo)值(x,y)及方向角值，最終一行表示球的坐標(biāo)值及方向角值。決策系統(tǒng)的輸出量用來指揮本方球員的行動，它由3×4的矩陣組成：其中第一行向量分別表示我方機器人R1的左右輪速度和左右輪的位移量，其次行向量分別表示我方機器人R2的左右輪速度和左右輪的位移量，第三行向量分別表示我方機器人R3的左右輪速度和左右輪的位移量。明顯f是一個困難的、非線性、非結(jié)構(gòu)化的函數(shù)關(guān)系，決策系統(tǒng)的任務(wù)就是構(gòu)建并實現(xiàn)這個困難的函數(shù)模型。決策子系統(tǒng)的輸入是場上足球機器人和球的位姿信息和競賽統(tǒng)計信息，輸出為我方隊員運動速度的給定值。從以上分析可以看出，在輸入和輸出之間建立一種數(shù)學(xué)映射關(guān)系是不行能的，它是一種學(xué)問型的非線性映射關(guān)系。5.1.2決策子系統(tǒng)的特點足球機器人決策系統(tǒng)具有如下特點:f是特別困難、非結(jié)構(gòu)化的函數(shù)關(guān)系，體現(xiàn)教練員、運動員的決策過程，明顯解不唯一。需將模糊的形象思維轉(zhuǎn)化為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评砗蛿?shù)學(xué)計算過程一一學(xué)問工程領(lǐng)域的前沿課題。體現(xiàn)了智能限制系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu):上層智能決策——隊形、角色、動作選擇;下層快速限制——目標(biāo)、軌跡、輪速。上下層的區(qū)分和關(guān)系:上層進(jìn)行決策對策為下層供應(yīng)任務(wù)規(guī)劃和目標(biāo)點設(shè)定，下層是具體任務(wù)實現(xiàn)。上層的信息更具有模糊性和學(xué)問性，精度要求不高，下層的軌跡規(guī)劃和機器人限制更注意精確性。閱歷要漸漸的積累，學(xué)問要漸漸豐富，策略在逐步發(fā)展。通過以上的分析和足球機器人的特點，對決策子系統(tǒng)提出了以下要求:決策系統(tǒng)設(shè)計要兼顧實時性和精確性;保證系統(tǒng)功能實現(xiàn)，提高系統(tǒng)魯棒性和可控性;使系統(tǒng)具有肯定的冗余度，提高容錯性;程序設(shè)計要結(jié)構(gòu)化、層次化、模塊化;開放式結(jié)構(gòu)，具有良好的可擴展性;可多路選擇，使系統(tǒng)操作具有較大的敏捷性(開球方式、本隊策略等);設(shè)法使得系統(tǒng)有自組織自學(xué)習(xí)的功能。5.2決策子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)目前參和競賽的機器人不多，采納集中式?jīng)Q策結(jié)構(gòu)對整體優(yōu)化、實時性能優(yōu)于分布式?jīng)Q策結(jié)構(gòu)。為此本文仍以集中式的決策結(jié)構(gòu)來探討機器人足球系統(tǒng)相關(guān)問題。對于基于視覺的Mirosot機器人足球系統(tǒng)，全隊機器人的統(tǒng)一決策，相當(dāng)于全局限制器，產(chǎn)生限制足球機器人的吩咐，各個機器人僅作為決策限制的執(zhí)行機構(gòu)。全局限制器內(nèi)部采納分層結(jié)構(gòu)，限制流程是從上至下的，數(shù)據(jù)流是單向的，執(zhí)行過程流暢高效。5.2.1決策子系統(tǒng)模型在目前開發(fā)的足球機器人系統(tǒng)中，人們提出了很多決策子系統(tǒng)模型和算法，如角色安排法、時間區(qū)域限制法、人自為戰(zhàn)法等。角色安排法：角色安排法又分為基于現(xiàn)場狀況的角色安排和基于區(qū)域的角色安排。基于現(xiàn)場狀況的角色安排，顧名思義，就是依據(jù)現(xiàn)場狀況，比如對方的水平強弱來為我方隊員安排角色，如確定某個隊員為防守者或進(jìn)攻者?；趨^(qū)域的角色安排就是將機器人的競賽場地劃分為一些區(qū)域，在不同的區(qū)域中，每個機器人的優(yōu)先級不同，具有最高優(yōu)先級的機器人有權(quán)選擇動作，而其它機器人的動作要協(xié)作最高優(yōu)先級機器人，以避開機器人之間的沖突。該方法的優(yōu)點是每個機器人都被安排了固定的角色，避開了角色變換環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的問題，每個機器人的任務(wù)特別明確。但是，由于每個機器人的角色固定，使得球隊的戰(zhàn)略決策顯得有些死板，特殊是基于區(qū)域的角色安排方法，由于每個機器人被安置在固定區(qū)域中，機器人在本區(qū)域中盡忠職守，不越“雷池”半步，即使小球處于自由狀態(tài)，但只要小球不在本區(qū)域中，機器人也