全自主足球机器人控制系统研究

论文摘要

全自主足球机器人是集机器人学、智能控制、无线通讯、图像处理、机械学等多种学科和技术于一体的综合性产物,机器人足球比赛为这些学科和技术的发展提供了一个全新的科研平台。因此近几年机器人足球比赛在国际上迅速的开展起来。首先,本文介绍足球机器人的发展历史,然后分析国内外足球机器人的研究状况,简要介绍了全自主足球机器人四个子系统:视觉子系统、决策子系统、无线通信子系统、驱动控制子系统的结构和功能。本文重点论述驱动控制子系统和视觉子系统的研究与设计。其次,论文分析了全自主式足球机器人驱动控制子系统体系结构和功能,从提高全自主式足球机器人控制系统的性能、简化设计和功能扩展的角度出发,提出了采用ARM7微处理器作为核心的系统设计方案。该方案以片内资源丰富和功能众多的LPC2138作为核心的CPU控制模块,使得电路简单,同时提高了机器人的反应速度。对于直流电机的控制采用PWM技术和L298N驱动芯片来提高电机的控制精度。使用电机自带的光电编码器来实现速度检测,使用集成的2.4GHz准蓝牙模块nRF2401来实现机器人之间的通信。再则,论文对视觉子系统进行详细的论述。本文全自主式足球机器人采用全向视觉和前向视觉相结合的实时视觉子系统,有效的解决了由于机器人本体遮挡造成的视觉盲区问题。选择了更为合适的YUV颜色空间,解决了由于光照不均匀造成的目标丢失的问题。采用基于查找表的像素分类方法和游程长度编码技术来降低图像分割的计算量,从而提高了视觉系统图像处理的速度。并且利用目标的颜色、位置等信息进行目标识别。对目标位置和自我机器人位置标定方法进行研究。最后,本文详细的介绍了视觉系统软件的实现。本文采用基于WINDOWS XP的Visual C++作为开发工具。软件开发采取多线程的编程思想,将图像处理和决策分别设计成一个线程,进程之间通过Socket进行通信。结尾,对本论文研究和设计工作进行了工作总结,并提出一些需要改进的地方,以及对将来的发展进行展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 机器人足球比赛简介
• 1.2 机器人足球比赛的意义
• 1.3 全自主足球机器人系统组成
• 1.3.1 驱动控制子系统
• 1.3.2 视觉子系统
• 1.3.3 决策子系统
• 1.3.4 通信子系统
• 1.4 国内外全自主足球机器人研究现状
• 1.5 课题研究的背景和主要研究内容
• 第二章 驱动控制子系统的硬件设计
• 2.1 驱动控制子系统结构概述
• 2.2 CPU 处理模块
• 2.2.1 CPU 选型
• 2.2.2 CPU 简介
• 2.2.3 CPU 最小系统
• 2.2.4 A/D 转换器
• 2.3 电机驱动模块
• 2.3.1 PWM 调速原理分析
• 2.3.2 驱动芯片L298N 简介
• 2.3.3 PWM 电机调速硬件电路实现
• 2.3.4 带球、击球、挑球驱动控制电路
• 2.4 速度检测模块
• 2.4.1 增量式光电编码器
• 2.4.2 LPC2138 信号捕获实现
• 2.5 超声波定位避障模块
• 2.5.1 超声波传感器及其测距原理
• 2.5.2 超声波定位避障硬件实现
• 2.5.3 超声波传感器布局
• 2.6 通讯模块
• 2.6.1 串口通信模块
• 2.6.2 无线通信模块
• 2.7 电源系统设计
• 2.8 车轮结构设计
• 2.9 球处理机构的分析与设计
• 2.9.1 带球机构
• 2.9.2 击球机构
• 2.9.3 挑球机构
• 第三章 视觉子系统研究与设计
• 3.1 引言
• 3.2 视觉子系统的组成
• 3.2.1 视觉子系统硬件组成
• 3.2.2 视觉子系统软件模块组成
• 3.3 图像采集模块
• 3.3.1 图像采集
• 3.3.2 图像采集软件实现
• 3.4 图像预处理
• 3.4.1 图像平滑
• 3.4.2 图像锐化
• 3.5 图像分割和目标识别
• 3.5.1 颜色空间选择与转换
• 3.5.2 图像分割
• 3.5.3 目标识别
• 3.6 物理位置计算
• 3.6.1 机器人坐标系
• 3.6.2 基于全向视觉的位置标定
• 3.6.3 基于前向视觉的位置标定
• 3.6.4 基于全向视觉的机器人自定位
• 3.6.5 坐标变换
• 第四章 结论
• 4.1 论文研究工作总结
• 4.2 改进与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文