足球机器人运动控制系统研究与实现

论文摘要

机器人足球比赛是近年来在国际上迅速开展起来的高科技对抗活动,是将高科技和人们喜爱的足球运动结合在一起的产物,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。本文研究并实现了机器人的全向运动机构、运动控制系统和无线通信系统,并在此基础上进行了机器人的状态检测算法的研究。本文的主要工作如下:研究了足球机器人的硬件平台,并重点对运动机构、击球机构和带球机构进行了设计与实现。为了更好的满足RoboCup中型组比赛的实时性要求,采用了全向运动机构,包括三个通过直流伺服电机驱动的全向轮,每只电机都连有行星减速器和光电编码器。三轮全向运动机构满足了完整运动约束,同双轮差分运动机构相比,可以在复杂的动态环境中更加自如、准确的到达目标位置。击球机构采用高压电磁阀提供动力,在电磁阀导通时将球击出,并通过弹簧复位。带球机构采用由红外传感器控制的直流电机和两侧护板,有效减少了丢球现象。研究并实现了足球机器人的运动控制系统。设计了分层的控制结构,上位机采用笔记本电脑,下位机采用两块通过CAN总线进行通信的DSP芯片,对直流伺服电机和击球器进行控制。上位机通过维护有限状态自动机,根据视觉系统获取的图像信息和下位机的返回速度,给出下一步的动作决策,并通过速度规划模块计算出下一时刻期望的运动速度,发送给下位机。下位机采用PID算法,形成闭环控制,对电机的运动速度进行控制,并加入了扰动解耦环节,提高了机器人运动的精确性。设计并实现了场外Coach程序,通过无线网络将裁判盒给出的裁判和动作命令转发给场上己方机器人。研究并实现了机器人运动机构的自动状态检测系统,使得机器人能够感知自身状态,并可以结合决策系统改变控制方式和比赛策略。文中讨论中型组足球机器人自动状态检测涉及的内容,研究了运动机构状态检测的方法,并提出了基于图像信息和阈值分类器的算法,对击球器的状态进行判断。我们以RoboCup中型组机器人足球比赛为应用背景,建立了自己的足球机器人队伍,于2005、2007年两度参加RoboCup中国公开赛中型组的比赛,并两次获得三等奖。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 机器人足球简介
• 1.2 课题研究的背景和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文的主要贡献及组织结构
• 第2章 硬件平台的研究与实现
• 2.1 三轮全向运动机构的研究与实现
• 2.1.1 全向轮
• 2.1.1.1 瑞典轮
• 2.1.1.2 球形轮
• 2.1.2 电动机
• 2.1.3 减速器
• 2.1.4 编码器
• 2.2 击球机构的研究与实现
• 2.3 带球机构的研究与实现
• 2.4 本章小结
• 第3章 运动控制系统的研究与实现
• 3.1 DSP下位机程序的研究与实现
• 3.1.1 指令格式
• 3.1.2 速度检测
• 3.1.3 PID速度控制模块
• 3.1.4 矢量运动控制计算模块
• 3.1.5 扰动解耦
• 3.2 决策系统的研究与实现
• 3.3 无线通信系统的研究与实现
• 3.4 本章小结
• 第4章 自动状态检测系统的研究与实现
• 4.1 运动机构状态检测的研究
• 4.2 Kicker状态检测的研究与实现
• 4.2.1 状态定义
• 4.2.2 检测流程
• 4.2.2.1 图像采集
• 4.2.2.2 图像处理
• 4.2.2.3 特征提取
• 4.2.2.4 判别规则
• 4.2.3 实验及其结果
• 4.2.3.1 分类器的训练
• 4.2.3.2 分类器的测试
• 4.3 本章小结
• 第5章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读学位期间的获奖情况
• 学位论文评阅及答辩情况表