HIT-II型仿人机器人的视觉系统设计及运动规划

论文摘要

机器人学是21世纪重要的前沿学科之一,现阶段国内外很多研究者都致力于全自主仿人机器人的研究。机器人足球是联系机器人和人类社会的桥梁,而近年来,FIRA的足球机器人比赛项目也开始侧重于仿人机器人,尤其是全自主仿人机器人比赛项目。HIT-I型仿人机器人其自身不具备全自主的硬件条件,不能用于参加全自主类的比赛,因此本文对现有的HIT-II型仿人机器人进行了硬件和软件的改造及扩充,使得HIT-II成为一台拥有视觉感知、定位系统和决策系统的全自主仿人足球机器人。本文在分析了HIT-I型仿人机器人优缺点的基础上,介绍了HIT-II型仿人足球机器人视觉系统的搭建及实现过程,详细描述了视觉系统的目标识别和图像分割算法,以及基于图像坐标信息的目标定位算法;同时针对点球比赛项目,设计了基本运动规划。在视觉系统的设计中,首先介绍了视觉系统的硬件组成和连接方式,通过对比RGB与HSI颜色模型的优劣,选取了HSI颜色空间进行视觉图像处理。视觉系统要解决两大问题:一是目标识别和图像分割,在目标识别算法中,对现有的HSI多阈值算法进行了改进,简化了阈值分析的参数,随后使用K-均值模糊聚类算法对目标进行聚类分割。另一个是目标定位,在定位算法中,采用了精确定位和模糊定位结合的方式。实验表明,该算法具有识别率高、定位精确的优点。决策系统负责在视觉系统的辅助下进行基本运动规划,包括步态规划和路径规划。根据事先设计好的步态动作,本文根据有限状态自动机的思想,设计了一套寻找球、接近球、球前脚步调整等运动规划算法。经过实验统计,该算法成功率较高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状和分析
• 1.2.1 机器人视觉国内外研究现状和分析
• 1.2.2 步态及路径规划国内外研究现状和分析
• 1.3 仿人机器人研究成果
• 1.4 课题来源
• 1.5 本文主要研究内容及内容安排
• 第2章 HIT-II 型仿人机器人的硬件及软件设计
• 2.1 机器人的双层架构
• 2.2 机器人的下层硬件控制系统
• 2.2.1 HIT-II 型仿人机器人概述
• 2.2.2 HIT-II 型仿人机器人主控器
• 2.2.3 HIT-II 型仿人机器人舵机控制程序
• 2.3 机器人的上层软件控制系统
• 2.3.1 软件控制系统硬件组成
• 2.3.2 软件控制系统硬件连接方式
• 2.3.3 软件控制系统软件组成
• 2.4 本章小结
• 第3章 HIT-II 型仿人机器人视觉系统设计
• 3.1 图像处理及定位原理
• 3.2 颜色空间分析
• 3.3 基于颜色的目标识别
• 3.3.1 HSI 颜色空间分析
• 3.3.2 模糊K-均值聚类算法
• 3.3.3 基于模糊K-均值聚类算法的图像分割算法
• 3.4 基于坐标变换的目标定位
• 3.4.1 基本参数设定
• 3.4.2 基本坐标系的建立
• 3.4.3 摄像头成像规律
• 3.4.4 定位问题的数学描述
• 3.4.5 方程的建立和求解
• 3.4.6 球定位的应用
• 3.4.7 相对距离对应表
• 3.5 视觉系统实验
• 3.5.1 目标识别实验
• 3.5.2 追踪球实验
• 3.6 本章小结
• 第4章 HIT-II 型仿人机器人基本运动规划
• 4.1 运动规划原理
• 4.2 步态设计
• 4.2.1 基本步态
• 4.2.2 通信协议
• 4.2.3 连续动作设计
• 4.3 路径规划算法
• 4.3.1 寻找球算法
• 4.3.2 接近球算法
• 4.3.3 球前脚底调整
• 4.4 运动规划实验
• 4.4.1 各基本运动实验
• 4.4.2 点球运动规划实验
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢