一種比賽機器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種小型組比賽機器人競賽及實驗平臺，本發(fā)明制作了四輪蝶形分布的機器人運動機構(gòu)；針對運動機構(gòu)的特點研究了機器人的運動控制算法，設(shè)計了以ARM和FPGA為核心的機器人的底層控制系統(tǒng)；基于畸變校正、目標分割、圖像識別等圖像處理方法開發(fā)了適合于實驗室場地的機器視覺系統(tǒng)；編寫了機器人自主決策系統(tǒng)，對機器人行為進行預(yù)測判斷、提供決策庫支持、實現(xiàn)動態(tài)環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃；設(shè)計了2.4G射頻通信模塊，構(gòu)建該平臺的無線通信系統(tǒng)，實現(xiàn)機器人子系統(tǒng)與上層決策控制系統(tǒng)之間的信息交換；此外，本發(fā)明還使用“平臺/插件”軟件體系構(gòu)建了RoboCup小型組足球機器人的開放式仿真系統(tǒng)?？梢宰鳛镽oboCup小型組足球機器人競賽的標準平臺推廣應(yīng)用，也可以作為功能完備的競賽系統(tǒng)直接參加機器人比賽。
【專利說明】一種比賽機器人

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機械與控制領(lǐng)域，特別涉及一種比賽機器人。

【背景技術(shù)】
[0002]小型組輪式機器人比比賽是RoboCup機器人足球世界杯賽的主要項目之一，同時也是機器人技術(shù)和人工智能理論的良好的實驗平臺。Robocup足球機器人比賽是世界上影響最大參與范圍最廣的機器人競賽，隨著機器人科學(xué)的不斷發(fā)展，人工智能越發(fā)成為機器人研究的主方向，足球機器人是典型的多智能體系統(tǒng)，它涉及人工智能、智能控制、機器人學(xué)、通訊、傳感器及機構(gòu)學(xué)等學(xué)科。小型組足球機器人是足球機器人比賽的一個重要分支，是發(fā)展最快最熱門的項目之一，它具有速度快、加速度大、比賽節(jié)奏快、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用豐富等特點，因此觀賞性和趣味性強。激烈的比賽包含了機器人性能和攻防策略雙重對抗，優(yōu)良的機器人性能是高水平足球機器人的基礎(chǔ)，是機器人研發(fā)人員孜孜追求的目標。
[0003]美國Cornell大學(xué)是小型組足球機器人研究的先驅(qū)者，先后研制成功了三代機器人競賽和實驗平臺。第一代產(chǎn)品使用完全性約束的三輪全方位驅(qū)動的行走機構(gòu)，并設(shè)計了相應(yīng)的控制算法，為三輪全方位驅(qū)動機器人的理論研究和實用化奠定了基礎(chǔ)；第二代平臺則開始使用較為原始的四輪全方位運動機構(gòu)，具有更大的運動速度和加速度，并在機器人的底層控制算法和決策系統(tǒng)的架構(gòu)上進行了較為深入的研究；第三代機器人平臺進行了分布式?jīng)Q策的嘗試，計算機把攝像頭采集到的場上信息經(jīng)過簡單處理后發(fā)給機器人，這種模式向分布式多智能體方向邁進了一步，由于這種創(chuàng)新設(shè)計不夠健壯，最終在比賽和實際應(yīng)用中沒有發(fā)揮出預(yù)期的效果。美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)也在小型組足球機器人領(lǐng)域進行了較多的研究，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的CMDragons平臺在Corenll大學(xué)研究成果的基礎(chǔ)上設(shè)計了較為完善的決策系統(tǒng)，優(yōu)化了決策系統(tǒng)的整體架構(gòu)以及機器人策略、角色分配、路徑規(guī)劃和底層控制的算法。同時在機器視覺的改進上進行了大量的探索，較好地滿足了機器人足球比賽對視覺定位系統(tǒng)的要求。然而，CMU較為陳舊的機械結(jié)構(gòu)等因素限制了該機器人平臺性能的發(fā)揮。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對以上情況，本發(fā)明從機器人足球比賽和實驗研究的實際需求出發(fā)，制作了四輪蝶形分布的機器人運動機構(gòu)，實現(xiàn)了機器人的多自由度全向移動，并設(shè)計了控球、擊球等機械機構(gòu)；針對運動機構(gòu)的特點研究了機器人的運動控制算法，設(shè)計了以ARM和FPGA為核心的機器人的底層控制系統(tǒng)，構(gòu)建了穩(wěn)定可靠的機器人子系統(tǒng)；基于畸變校正、目標分割、圖像識別等圖像處理方法開發(fā)了適合于實驗室場地的機器視覺系統(tǒng)；編寫了機器人自主決策系統(tǒng)，對機器人行為進行預(yù)測判斷、提供決策庫支持、實現(xiàn)動態(tài)環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃；設(shè)計了 2.4G射頻通信模塊，構(gòu)建該平臺的無線通信系統(tǒng)，實現(xiàn)機器人子系統(tǒng)與上層決策控制系統(tǒng)之間的信息交換；此外，本發(fā)明還使用“平臺/插件”軟件體系構(gòu)建了 RoboCup小型組足球機器人的開放式仿真系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明具有性能優(yōu)良、穩(wěn)定可靠、可擴展性強等優(yōu)點，可以作為RoboCup小型組足球機器人競賽的標準平臺推廣應(yīng)用，也可以作為功能完備的競賽系統(tǒng)直接參加機器人足球比賽。本系統(tǒng)還提供了豐富的接口調(diào)用和開放的仿真實驗平臺，在此基礎(chǔ)上能夠開展機器人運動控制、計算機視覺定位、人工智能、決策庫、路徑規(guī)劃與避障算法等實驗研究，既可以作為相關(guān)理論的驗證工具，又能為學(xué)生及科研人員新算法、新模型提供創(chuàng)新實驗平臺，從而提高小型組足球機器人競賽水平，推進機器人技術(shù)和人工智能理論的發(fā)展進步。
_6] 【具體實施方式】:
本發(fā)明通過對機械結(jié)構(gòu)、硬件電路和底層控制算法的深入研究和優(yōu)化，制作了機械性能優(yōu)良的行走機構(gòu)、控球機構(gòu)、擊球和挑球機構(gòu)，并設(shè)計了穩(wěn)定可靠的控制電路和先進的機器人底層控制算法，針對運動機構(gòu)的特點研究了機器人的運動控制算法，設(shè)計了以ARM和FPGA為核心的機器人的底層控制系統(tǒng)，構(gòu)建了穩(wěn)定可靠的機器人子系統(tǒng)，提高了機器人的運動性能、執(zhí)行能力和控制精度。
[0007]制作了四輪蝶形分布的機器人運動機構(gòu)，實現(xiàn)了機器人的多自由度全向移動，將小型組足球機器人最大速度提升到2.5m/s，最大加速度提高到7m/s2。優(yōu)化傳射機構(gòu)設(shè)計，使擊球速度達到10m/s,挑球高度可達92cm,最遠距離377cm ；
先進的視覺系統(tǒng):本發(fā)明在畸變校正和圖像分割的基礎(chǔ)上，進行圖像識別和信息融合，提高了定位精度，機器人定位精度達lcm，角度誤差小于3度，對環(huán)境適應(yīng)能力強，無需專用光源，并具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力。
[0008]開放仿真實驗系統(tǒng):本發(fā)明基于“平臺/插件”軟件體系結(jié)構(gòu)建立了開放式仿真實驗系統(tǒng)，仿真實驗系統(tǒng)替代了實體機器人的角色，為決策系統(tǒng)提供一個算法研究驗證平臺，可以脫離實體機器人的具體硬件環(huán)境，直接在決策調(diào)度層面上實現(xiàn)策略仿真。
[0009]編寫了機器人自主決策系統(tǒng)，對機器人行為進行預(yù)測判斷、提供決策庫支持、實現(xiàn)動態(tài)環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃。
[0010]設(shè)計了 2.4G射頻通信模塊，構(gòu)建該平臺的無線通信系統(tǒng)，實現(xiàn)機器人子系統(tǒng)與上層決策控制系統(tǒng)之間的信息交換。
[0011]本發(fā)明的主要技術(shù)指標:
(1)機器人尺寸/ 重量:Φ 180X150mm/2.5kg ；
(2)最大速度:2.5m/s ；
(3)最大加速度-Jmfs2；
(4)擊球速度:10m/s；
(5)挑球高度/距離:92cm/377cm；
(6)位置精度:1cm;
(7)角度誤差:小于3度；
(8)運動控制:機器人的移動、旋轉(zhuǎn)、避障等基本行為，提供運動庫支持；
(9)控制策略:多Agent的機器人角色驅(qū)動，提供策略庫支持。
【權(quán)利要求】
1.一種比賽機器人，其特征在于:設(shè)計了以ARM和FPGA為核心的機器人的底層控制系統(tǒng)，構(gòu)建了穩(wěn)定可靠的機器人子系統(tǒng)，提高了機器人的運動性能、執(zhí)行能力和控制精度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的比賽機器人，其特征在于:制作了四輪蝶形分布的機器人運動機構(gòu)，實現(xiàn)了機器人的多自由度全向移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的比賽機器人，其特征在于:本發(fā)明視覺系統(tǒng)在畸變校正和圖像分割的基礎(chǔ)上，進行圖像識別和信息融合，提高了定位精度，機器人定位精度達lcm，角度誤差小于3度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的比賽機器人，其特征在于:本發(fā)明基于“平臺/插件”軟件體系結(jié)構(gòu)建立了開放式仿真實驗系統(tǒng)，仿真實驗系統(tǒng)替代了實體機器人的角色，為決策系統(tǒng)提供一個算法研究驗證平臺。
【文檔編號】G05D1/02GK104423382SQ201310396958
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月4日
【發(fā)明者】張欣欣 申請人:劉雙雙