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　　本文对当前足球机器人现状进行研究,针对目前足球机器人存在延时的问题,从而导致执行策略不够准确,本文主要对数学模型加以改进,减少机器人在运动过程中的响应时间,在实际操作中更加快速有效的执行策略。本文从两个方面的改进和研究来提高足球机器人的实时性。

　　首先针对数学模型进行研究发现,当前多数足球机器人多采用两轮差动模型,而该模型存在着不能侧滑的缺点,执行策略过程中要先转向再加速前进,本文建立了一种可全向移动的机器人数学模型,该模型可实现在平移过程中同时完成旋转,节省了旋转后再加速的调节时间,结合,,,算法对其运动控制系统进行分析,设计专门针对该数学模型的,,,控制器,针对不同条件调整参数。通过仿真实验,验证该方法可以实现对机器人快速准确的控制,提高了机器人的运动性能。

　　另外,为了进一步提高机器人动作方案选择准确度和实时性,本文提出了一种基于,,,,并移植,,,,,,片上系统的,,,总线设计方案,应用于足球机器人内部通讯,连接主机与监控设备、电机、图像采集装置、避障传感器等器件,解决了传统串行通讯方式总线利用率与数据传输速率较低,无容错机制等问题,使机器人的执行能力更加快速、准确、有效。

　　足球机器人本身设计的领域十分广泛,包括图像处理,自动控制,精密机械设计,通信传感技术,人工智能等等。而机器人本身作为一种载体,是最理想化的多领域科学研究的平台。这种多智能体的平台对于研究各个智能体相互间通信协作能力有着非常大的帮助。另外机器人足球赛的诞生,对于该领域的科学研究,又提供了更多的趣

　　足球机器人目前实现完全仿人的结构和思维还是有一定困难的,而多数采用的则是智能小车的系统,即一个集成了机器视觉,策略选择软件算法与电机和气泵控制的智能结构。机器视觉主要完成的是判断球场形式,队友及对手位置,球门位置等等,其中还可以加入其他传感器,如电子罗盘,超声波传感器,红外传感器等等来辅助机器视觉,对于球场形式判断更加准确。策略选择部分则完全由计算机算法来决定,即何时传球,何时射门,何时与队友配合,与哪个队友配合更加合理等等。电机则是用来控制机器人小车的运动方式,气泵的功能是控制机器人击球的力量和部位的阳,。

　　最早发起机器人足球世界杯的人是韩国科学院的金钟焕教授,他在上个世纪,,年代中期提出了这一设想,并于次年在韩国举办了第一届世界杯比赛。在第二届世界杯举办的时候,各方条件均已成熟,由多个国家提出组成了国际足球机器人联盟组织,并在这些国家当中每年举办一届世界杯,我国也在同年由哈工大组成了第一支代表队,并成为国际足球机器人联盟组织会员。

　　我们作为国际足球联盟组织的会员也在二十一世纪举办过世界杯比赛,值得欣喜的是,我们中国人对于足球世界杯冠军的渴望终于在机器人世界杯上得以实现。由于成绩的突出,我国在该领域的发展可谓突飞猛进,由哈尔滨工业大学领军的足球机器人队伍不断壮大,目前已有上百所高校参与其中,参与进来的企业也不计其数,大家都在为着同一个目标而努力,我们可以看到,我们的机器人足球水平是可以和世界强队相抗衡的,或者说我们已经在逐渐踏入世界强队的行列。这是一个能给我们带来希望的舞台,这是一片充满了乐趣与挑战的试验田,这是可以通过科学知识来实现历代足球人夙愿的圆梦地。

　　随着对人工智能的重视和发展,在人类历史上出现了这样里程碑的事件, 即,,,公司的计算机深蓝战胜了俄罗斯的世界象棋冠军,这给我们的启示是,思维缜密的计算机系统的计算能力是可以超越这个星球上的天才的, 因为计算机系统是更多天才,奋斗了一代又一代的结晶。但是,在这种相对静止的条件下,一个自然智能体与人工智能体之间的较量并不能够说明所有的问题,此时我们的科学天才们又提出了另外的一种假设,就是一群智能体与一群智能体之间的较量,而且实在那种相对动态的环境下,这就对实时性与智能体之间相互协作的能力提出了更高的要求, 当然我们的科学家们总是喜欢这种有挑战性的工作。这种科学假设实现的最佳平台就是智能足球机器人,相对于会下象棋的机器人来说,这种设计的难度要复杂的多,这不但要解决相对单一的算法问题,而且要解决在自然法则中都比较困难的团结协作能力,这种领域的研究不但涵盖了计算机领域的知识, 同样对人类社会的发展也会起到相当大的促进作用,相信当计算机可以和人一样懂得去试着理解同伴,试着与其它智能体配合完成一项工作的时候,这在人类历史上的进步绝不亚于当年计算机深蓝战胜国际象棋世界冠爱【 ,,, ,

　　就像是计算机深蓝可以推动单个智能体的发展一样,现在我们希望智能足球机器人带动多智能体领域的发展, 因为这是最具有代表性的最典型的,也是技术含量最集中的一个平台,这种载体不但对于单个智能体的控制算法要求非常精确,而且可以扩展到对其实时性的要求,和对动态条件下的决策能力, 以及对相互之间协调冲突的能力的研究,条件更加严格, 当然我们相信前景会更加光明,对于人类的贡献也会更加巨大。

　　从智能足球机器人整体系统来考虑,该系统算法上的设计基本由三大块构成,第一是要想让多个机器人与多个机器人进行比赛,就要最大限度的发挥团队的优势,不再是简单的单兵作战能力那么简单,而是相互支援相互配合,这就对算法上要求的更加严格,第二,机器人在运动当中要完成各种动作,对动作的准确性,实时性和效率的要求也非常苛刻, 比如射门的准确度,力量,还有找球的能力与控球的能力等等。第三, 由于属于竞技体育范畴,不但要做好自己的本职工作,而且要了解场上的局势与对手的动态,对于整体局势的判断更加重要,至于是选择整体防守还是整体进攻的策略,完全取决于场上的形势, 当然对每个足球机器人来说相当于思考能力,这是最大的难点,也是一个多智能体相互协作的突破口。

　　总之从象棋机器人到足球机器人,是一种境界的提升,是一个质的飞跃,人类的历史会随着科学技术的发展不断的写出新的篇章,也许有一天我们会看到我们的智能机器人足球队在球场上战胜我们人类的世界冠军足球队, 当然或许在人工智能方面我们的科学家们依然会不断的探索,不断的去寻求新的挑战,不断的为我们的生产生活做出更加巨大的贡献。

　　现场总线是在制造过程中或是区域现场装置当中多点通讯的数字式传输方式,在网络化普及的今天应用是越来越多,越来越广泛, 当然现场总线的控制也成为了一个工业化当中逐渐发展起来的研究课题。

　　由于在现场总线当中我们经常使用的是,,,,,的通信方式,而这种通信方式虽然使用简单方便,但是存在一个最大的问题就是没有容错机制,也就是说一旦出现错误传输我们根本无从检测,而这种通信方式在足球机器人这种高精度要求的系统中应用起来就显得有点捉襟见肘。

　　,,,总线是博世公司提出的一种比较先进的通信方案,虽然相比较,,一,,,来说,价格稍高,但是其具有更多,,一,,,无法比拟的优势例如多主网络,有更加完善合理的容错机制, 因此通信失败率会被降到最低。相对来说像足球机器人这种对运动控制和策略选择要求极高的领域来说,优势相当明显。另外由于,,,总线在汽车等领域的广泛的应用,技术已经相当成熟,在这些领域的成功经验可以作为我们设计通信方案的一个信心的依托和经验上的支持“ ,。

　　考虑各项要求,本文选择,,,,,,,类型的现场总线作为机器人内部各部分通信方式,相信对于提高足球机器人的运动控制会有较大帮助。选取当前在国内应用比较广泛的,,一,,,总线与,,,,,,,总线进行比较,见表卜 ,,

　　本文主要针对足球机器人运动模型进行研究,并对模型加以改进, 以提高动控制精度,另外对机器人内部结构加以分析,设计基于,,,总线的内部通讯方式连接主机与监控设备、 电机、 图像采集装置、避障传感器等器件, 以达到提高传输速率,实现提高策略选择的实时性。

　　,收集关于足球机器人方面资料,并加以整理,掌握当前国内外该技术的特点及发展状况。

　　,运用自动控制原理,设计一种具有较强针对性的,,,控制器,对新运动模型加以控制, 以达到更加精确的目的。

　　,介绍,,,总线原理及相关技术,选择,,,总线作为足球机器人内部通讯方案,并完成硬件设计工作。

　　本章主要通过对传统足球机器人数学模型进行细致分析,发现并解决其中一些弊端,从而进行改进并提出一种新的模型以取代传统模型,最终两种模型通过比较来展现新模型的各项优势。

　　两轮差动足球机器人一般采用的是双轮运动的小车的模型,该模型的结构设计方式采用的是两侧各装有一个双向驱动轮,有各自电机对其控制。除此之外,多数机器人还会在采用后面加装一个辅助轮的设计,辅助轮没有电机驱动,完全是为了平衡机器人重心。两轮足球机器人完全靠两个驱动轮与地面之间产生的附着力来改变运动状态,两个驱动轮的中心必须设计在同一轴线上,为了最大限度的减少运动时所产生的

　　两轮足球机器人移动机构是利用两个驱动轮速的差异,可实现前进、后退和旋转。在坐标系,—,中,机器人的位置和坐标如图,, ,所示, 以机器人中心点为原点建立坐标

　　,,—,,, 因此可以表示出足球机器人的运动速度可以表示为,直线运动速度■, ,和旋

　　设车轮的半径为, , ,两轮间距为,,,若右轮旋转角度为咖,左轮转动角度为咖,

　　这个运动参数,圪, ■,仞,,可表现为场地坐标系,,, ,,,所观察到以机器人中

　　对于两轮独立驱动机器人,通过左右轮的反向运动,,,,,,,,能够实现方向变

　　三轮全向设计是将运动机构设计成三个轮子,均匀分布在同一圆周上,分别置于等边三角形的三个定点上,每个轮子分别由直流电机、减速器和码盘组成。全向轮的关键在于其全向轮系结构,全向轮系的结构是大轮边缘套有侧向小轮,这样机器人在横向移动时始终保持与地面滚动摩擦,大大减少移动时带来的阻力。

　　三轮全向足球机器人三个轮按照,,,。均匀分布,建立总坐标系‰一虬如图,, ,所

　　示, 同时以足球机器人原点为中心建立坐标系,,—,, , 当机器人在运动过程中机器人的

　　中心以速度,平移,平移过程中的旋转角速度为国,机器人中心到车轮的垂直距离为,,

　　机器人的基本动作要通过当前姿态的确定来实现期望的位置和速度。 由于机器人的运动需要在平移过程中完成旋转, 由运动模型可知速度为车轮平移速度分量与车轮旋转的切线方向线速度的合成, 即为,

　　在运动过程中,假设机器人的方向运动完全取决于转向运动, 即口的变化,而位

　　置变化取决于丛,转向过程所需时间为卜,运动过程中,让相邻的两次运动转动的角

　　度△,尽量小,则在,,,臼≈,,而血与缈同样近似于,,两次相邻运动的变化可表示

　　点描述出的运动轨迹的方法。考虑机器人的当前位置,,。 ,虼,吼,, 目标为,堙,

　　,运动轨迹上的二阶导数连续变化, 因此就保证了机器人快速平滑的运转。常用的拟合方法有, 贝塞尔曲线,样条曲线, ,,,,,曲线等。

　　,,,根据当前位置,,,, ,,和目标位置,题,埯,,作为机器人的相切半

　　,,,作圆,,和,占的公切线, 圆,,和,有四种组合形式,若按相互之间两条共

　　,,,机器人沿着,。上的圆弧段运动,选定公切线作为前进路径,最后再沿着,,圆

　　在方案三圆弧直线轨迹生成法中生成的轨迹具有一阶导数的连续性,不过圆弧,以

　　风为半径的圆周的一部分,和直线,可看作半径为无穷大的圆,在切点上的二阶导数

　　不连续,从而将导致曲率急剧变化,这样实现机器人运动的平滑性就比较困难,如果采用回旋曲线代替圆弧的方法就可以很好的解决这一问题。

　　,,,利用全向移动足球机器人可以任意方向直接直线运动的特点,可直接控制机器人运动到目标点。

　　该方案为全向移动足球机器人特有的运动方式, 由于可不经过转向直接对准目标位置进行直线运动, 因此节省了大量的运动时间,每一次运动的转角不超过,,,。 。

　　两种足球机器人模型由于系统结构的不同,在运动过程中也会存在着一定的差异,对于外在条件的要求也有所不同。从机构的紧凑性和控制精度来分析, 当然是全向结构更加有优势,下面就从运动性能方面对二者进行分析,

　　两轮足球机器人把两个驱动轮设计在了同一轴线之上,所以在直线的前进运动中,电机驱动两轮的速度就是整个机器人的前进速度,而三轮足球机器人三个驱动轮都有各自的方向,机器人整体实际速度则是三个驱动轮的速度的矢量和,对于同等条件的电机来说,无形中使速度的极限被分解了。 同时两轮差动机器人模型在直线运动过程中对场地摩擦力的要求不高,而三轮足球足机器人则对场地的摩擦系数要求较高。当场地摩擦力不足以满足驱动轮的驱动力时,则非常容易出现打滑现象,会严重影响运动机构的运动精度和计算机对于机器人本身的位置判断与策略选择。而如果场地提供的摩擦力过大又会对机器人的驱动轮造成损坏,从而使运动方向产生偏移,最终导致运动瘫痪。 同时对于机器人可适应的场地摩擦系数范围的测定又比较复杂,难度较大。

　　在灵活性方面比较,两轮差动足球机器人相比与全向移动足球机器人来说就处于绝对的劣势。三轮全向移动足球机器人在转向方面会表现出非常好的灵活性。因为在足球比赛过程中,球可能存在于机器人本身的任何方向,而对于两轮差动模型来说,要找到位于侧向或后方的球时,必须要走一条弧线或者转向再直线运动再转向,这势必会影响到运动时间。而三轮足球机器人的运动性能则可以展现无疑,全向移动模型可以解决差动模型不能左右横向移动的缺点,无论球处于任何方向上,均可以迅速的以直线运动的方式到达目标点,并完成带球和护球动作,在绝对距离相同的情况下,全向模型到达目的地的时间和距离都要比差动模型少得多。

　　两个驱动轮同轴, 闲置一个 三个驱动轮在同一圆周上,结构合理性 支撑轮,结构不够紧凑 结构较为紧凑

　　通过上述比较,三轮全向移动足球机器人可以实现两轮差动足球机器人不能实现的横向移动,和以自身为中心的旋转等动作, 由于运动模型主要应用于比赛中,所以会对模型的在运动过程中的灵活性能要求更高,尽管全向移动模型还存在一些缺点和问题,但是相比较而言,三轮全向的运动模型还是有较大优势的,所以选择该模型作为本文的研究重点,另外针对其中的一些缺点和问题,文章会在下面的章节中进行进一步的研究和讨论。

　　由于选择了三轮全向足球机器人的运动模型作为本文的研究重点,在本章中就要针对该模型的一些问题就要行进一步的该改进与控制。首先针对打滑现象,对模型系统性能进行分析,尽量避免此现象的出现。之后对,,,控制器进行分析,设计一种专门作用于该模型的,,,控制器,并对该控制器进行仿真实验,分析实验效果。

　　当地面提供摩擦力不足以为满足驱动轮的驱动力的时候,机器人就会失去控制,出现打滑现象。而打滑现象主要是由于加速度过大而引起的,所以只要对加速度加以控制就可以在一定范围内避免该现象的出现。下面我们就对该模型的系统性能进行分

　　模型本身可以看作刚体,其运动可分解为整体运动和绕自身中心的转动。力学分析如图,, ,所示。

　　通过对上图的分析我们可以知道, ,是以机械结构内部中心为原点的转动惯量, ,