ROBOCUP小型组机器人的研究

论文摘要

足球机器人是以足球为载体的高科技研究和高技术对抗,是连接基础研究与实际应用的中介和桥梁。它广泛涉及人工智能、计算机视觉、自动控制、精密仪器、传感和信息等一系列学科的创新研究,是人工智能和机器人学的标准问题。足球机器人技术的研究,必将推动和促进我国机器人与自动化技术的发展与创新,为我国的快速持续发展贡献力量。本论文以RoboCup小型组机器人为研究对象,针对足球机器人小车控制系统进行了深入研究。足球机器人小车作为RoboCup小型组足球比赛的场上队员,在整个足球机器人系统中起着非常重要的作用,它直接影响整个机器人的控制精度、运动灵活性乃至整个系统的稳定性。因此,设计出具有优良性能、功能强大的足球机器人是机器人足球研究中的一项重要任务。本论文首先介绍了机器人小车子系统的设计要求及功能,确定了基于嵌入式系统的足球机器人小车的设计方案。在硬件实现部分,选用Philips高性能32位微处理器ARM LPC2138作为嵌入式系统的主控制器,对其最小电路进行了介绍,并设计了能源系统、电机驱动、速度检侧、红外线球检测、控球和击球、无线通讯和人机交互单元。为了提高足球机器人的避障能力,采用单片机作为控制芯片,设计了超声波避障控制器。在软件的编写方面,采用模块化设计方法,各功能模块相互独立,便于修改和调试,文中给出了主要模块的流程图。在运动控制部分,通过对四轮全方位移动机器人小车的运动系统分析,得出了小车的运动学方程,将模糊控制引入到机器人小车系统中,控制足球机器人各轮电机的转速,并对该算法进行了仿真。实验证明,本系统具有良好的运动性能,能满足机器人比赛的要求。本论文充分发挥嵌入式微处理器ARM的低功耗、高性能特点,设计了性能优越的足球机器人控制系统,使足球机器人控制系统的研究上升到了一个更高的平台。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 足球机器人的研究背景
• 1.1.1 足球机器人比赛的起源
• 1.1.2 足球机器人比赛的种类
• 1.1.3 RoboCup 小型组机器人比赛简介
• 1.2 足球机器人比赛的目的和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本论文的研究工作
• 第二章 系统需求分析与设计选型
• 2.1 足球机器人小车的技术要求
• 2.2 基于嵌入式系统的足球机器人小车的设计选型
• 2.2.1 嵌入式系统设计的选型原则
• 2.2.2 LPC2138 微处理器
• 2.3 本章小结
• 第三章 机器人小车控制系统的硬件设计
• 3.1 主芯片的最小系统电路
• 3.2 能源系统
• 3.3 电机驱动电路设计
• 3.3.1 电机选择
• 3.3.2 直流电机的 PWM 调压调速原理
• 3.3.3 直流电机驱动电路
• 3.4 速度检测单元
• 3.5 红外线找球系统
• 3.6 超声波避障系统
• 3.6.1 超声波测距原理及特点
• 3.6.2 避碰超声传感器的电路设计
• 3.7 控球机构
• 3.8 击球机构
• 3.9 无线通信模块设计
• 3.9.1 器件的选择
• 3.9.2 nRF2401 芯片简介
• 3.9.3 电路设计
• 3.10 人机交互界面
• 3.11 本章小结
• 第四章 机器人小车控制系统的软件设计
• 4.1 ADS 集成开发环境
• 4.1.1 CodeWarrior IDE 简介
• 4.1.2 AXD 调试器简介
• 4.1.3 LPC2138 控制器工程模板
• 4.1.4 程序调试器
• 4.1.5 程序下载器
• 4.2 ARM 的控制系统软件设计
• 4.2.1 初始化模块
• 4.2.2 电机驱动模块的软件实现
• 4.2.3 速度检测算法
• 4.2.4 调速控制的软件实现
• 4.2.5 无线通讯模块的软件实现
• 4.2.6 人机交互的软件实现
• 4.3 超声波传感器的软件实现
• 4.4 本章小结
• 第五章 模糊PID 控制及其实现
• 5.1 机器人的运动模型
• 5.2 直流电机的数学模型
• 5.3 模糊PID 控制器设计
• 5.3.1 PID 调节器
• 5.3.2 数字PID 控制算法
• 5.3.3 模糊PID 控制器设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 系统的性能测试
• 6.1 电机的控制系统性能试验
• 6.2 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果