大场地集控式足球机器人系统的研究与实现

论文摘要

足球机器人是典型的多学科交叉研究,近年来受到了人工智能、机器人和控制科学等相关领域学者的广泛关注,己成为热点研究课题。足球机器人系统研究由多个移动机器人组成的群体,在复杂的动态环境下如何组织、协调、合作,竞争、共同完成复杂任务的问题。具有实时性要求高、环境不可预测等特点。足球机器人系统作为一种多机器人协作自治系统,被许多研究人员作为多智能体系统的理想研究平台,研究多机器人在复杂动态环境和多重制约、干扰下,完成多任务和多目标所需的实时推理和规划技术。如何提高在动态环境中多机器人的协作能力,是其中急需研究和解决的问题。将多机器人作为一个整体,从系统的角度研究多机器人系统的整体行为和组织结构,已成为机器人、人工智能和控制、决策领域的关注热点。它将有关高科技的研究和足球联系在一起,通过竞技来检验各种理论、方法和技术的进展。系统涉及计算机视觉、多智能体理论、机器人运动控制、无线通信、微机电系统、电气传动等研究领域,也是一种小型高科技对抗平台。本文提出的11vs11大场地集控式足球机器人系统由视觉子系统、决策子系统、通讯子系统和机器人小车四个部分构成,依据2004年国际机器人足球联合会推出的相应竞赛要求。系统要能有良好的表现,不仅需要其各个组成部分具有优良的性能,更重要的是能具有优良的整体性能。11vs11大场地集控式足球机器人系统由于场地面积大、机器人小车多,给系统在技术上带来了很多需要解决的难题。本文深入研究了大场地集控式足球机器人系统,从理论到实践解决了这一系统的关键技术问题,设计并实现了该系统。取得的主要创新研究成果有:给出了一种大场地集控式足球机器人系统的构建方案,提出了一种面向大场地集控式足球机器人系统的客户机/服务器(C/S)模式体系结构的系统软件框架,通过采用内核同步机制、消息映射等多线程技术和基于Socket的网络通讯技术实现了双摄像头的采集结构和双机通信,解决了大场地条件下系统信息量大增的处理问题。提出并实现了“标识数据池”结构,增加了决策系统的“大脑”记忆功能,提高了智能化程度。提出了基于扰动观察器的机器人小车运动控制系统,给出了引入扰动观察器后机器人小车运动控制系统的结构,设计了控制器和扰动观察器的参数,解决了小车在大场地高速运动时的抗干扰能力,提高了小车运动的稳定性。针对机器人小车速度给定发生较大变化时,研究并实现了在车轮不打滑条件下提高加速度的速度控制算法。针对比赛过程中机器人小车运动状态需要急剧改变、经常发生顶撞等情况,研究并给出了新的速度检测方法和手段,准确地检测小车的实际运动速度,实现了可靠的速度闭环控制。分析了大场地条件下对视觉系统的要求,设计了一套新颖的大场地集控式足球机器人视觉系统。研究了不同颜色模型在实时彩色图像处理和目标识别中的特点,设计了一系列色标系统。针对因场地大而光照不均造成的色标缺损,给出了一套补偿算法。对两个摄像头的图像重叠部分进行了信息融合处理,分析了场地图像畸变的特点,研究并设计了满足实时性要求的图像校正处理算法。根据集中式决策结构,针对足球机器人系统逻辑思维形式化、规范化、知识化以及大场地空间大的特点,提出并实现了一系列基于“攻守平衡”思想的策略。设计了守门员积极防守的完整策略。分析了常用避障方法的不足,给出了一种新的动态避障算法,兼顾了实时性和避障的要求。提出了一种兼顾防守的足球机器人进攻布局及角色分配方法。最后设计实现了一套基于对方信息预测的动态攻防策略。研究并实现了一套满足大场地集控式足球机器人系统要求的点对多点短距离无线通信系统。在以上理论和技术研究成果的基础上,完成了完整的大场地集控式足球机器人系统的研究和设计。本系统参加了一系列国内、外的足球机器人竞赛,在国内连续获得冠军,2006年在德国多特蒙德举行的世界机器人足球锦标赛上获得第三名,2007年在美国旧金山举行的世界机器人足球锦标赛上获得亚军。表明了本文给出的大场地集控式足球机器人系统良好的稳定可靠性、实时性与总体性能先进性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 足球机器人的发展
• 1.3 足球机器人系统研究的意义
• 1.4 足球机器人系统的研究现状
• 1.5 论文主要研究内容安排及创新点
• 1.5.1 主要研究内容安排
• 1.5.2 论文主要创新点
• 第2章 大场地集控式足球机器人系统的基本构建
• 2.1 大场地集控式足球机器人系统的组成
• 2.2 大场地集控式足球机器人系统平台
• 2.3 大场地集控式足球机器人系统技术
• 2.3.1 机器人小车子系统在大场地上的技术要求
• 2.3.2 视觉系统在大场地上的技术难点
• 2.3.3 大场地系统中决策的特点
• 2.3.4 无线通信在大场地系统中的关键特征
• 2.4 大场地足球机器人系统的软件结构设计与分析
• 2.4.1 串行系统结构的设计
• 2.4.2 M/S主从（Master/Slave）式并行系统结构的设计
• 2.4.3 C/S客服（Client/Server）式并行系统结构的设计
• 2.4.4 三种系统结构特点的分析比较
• 第3章 大场地条件下机器人小车的运动控制
• 3.1 引言
• 3.2 两轮移动机器人扰动观察器的设计和运用
• 3.2.1 控制系统设计
• 3.2.2 扰动观察器设计
• 3.2.3 实验研究
• 3.3 机器人小车快速启动控制研究
• 3.3.1 启动速度控制设计
• 3.3.2 启动速度控制实现
• 3.3.3 试验对比
• 第4章 大场地足球机器人视觉系统研究与实现
• 4.1 引言
• 4.2 不同颜色空间的图像分割比较
• 4.2.1 不同颜色空间的对比分析
• 4.2.2 基于不同颜色空间的图像分割
• 4.3 基于角度补偿的色标辨识算法
• 4.3.1 视觉系统的实现
• 4.3.2 色标设计及辨识算法
• 4.4 基于圆拟合的圆形色标缺损补偿算法
• 4.4.1 引言
• 4.4.2 色标研究
• 4.4.3 重心法辨识算法
• 4.4.4 缺损检测
• 4.4.5 基于圆拟合的色标中心及方向角检测算法
• 4.4.6 实验分析
• 4.5 大场地足球机器人视觉系统设计与实现
• 4.5.1 场地校正
• 4.5.2 彩色图像分割
• 第5章 大场地足球机器人比赛的策略研究
• 5.1 引言
• 5.2 MiroSot足球机器人守门员防守策略设计
• 5.2.1 球与球场信息的提取
• 5.2.2 守门员防守策略
• 5.2.3 非常规情况处理
• 5.2.4 策略特点分析
• 5.3 基于全局视觉的足球机器人实时避障策略设计
• 5.3.1 引言
• 5.3.2 障碍物的检测
• 5.3.3 避障算法的实现
• 5.3.4 试验结果
• 5.4 基于攻守平衡的足球机器人进攻策略的设计与实现
• 5.4.1 三角进攻
• 5.4.2 标识数据池
• 5.4.3 角色转换
• 5.4.4 角色设计
• 5.5 基于对方信息预测的足球机器人攻防策略与设计
• 5.5.1 盯人防守
• 5.5.2 进攻避障
• 第6章 大场地集控式足球机器人系统的若干实现
• 6.1 HDNS2000在足球机器人速度检测中的应用
• 6.1.1 HDNS-2000工作原理
• 6.1.2 系统结构设计
• 6.1.3 光学定位芯片速度方向检测设计
• 6.1.4 系统程序设计
• 6.2 基于nRF2401的无线通信系统研究
• 6.2.1 nRF2401概述
• 6.2.2 用户接口
• 6.2.3 工作模式
• 6.2.4 器件配置
• 6.2.5 通信系统的设计与实现
• 6.3 大场地集控式足球机器人系统的若干实现图例
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表或录用的论文
• 攻读博士学位期间主持的科研项目
• 大场地集控式足球机器人系统比赛获奖情况
• 致谢