１ ９ ９ ２ 年的论文《 Ｏｎ　 Ｓ ｅ ｅ ｉ ｎ ｇ　 Ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｓ 》中提出［ ２ １ 。举办机器人世界杯足球比赛的目

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摘 要

机器人足球比赛 己经成为当前人工智能和机器人领域的研究热点之一，

其中，全 自主足球机器人有着 巨大的应用潜力，其应用领域包括自动驾驶 、

导游 、未 知区域 的探 索、核 电站 的维护 、无人工 厂中 的搬 运系 统等等 。 作为

一个复杂的分布式智能控制系统，全 自主足球机器人涉及人工智能、自动控

制 、传 感 器技术 、图像 识别等 多 门学科 。本文概述 了机 器人足 球 比赛 的 发展

历史和研究动向，然后通过列举实例来说明全 自主足球机器人发展现状及其

关 键技术 。 　　　　

由哈 工大 计算 机学 院 自主 设计 开发 的 ＨＩＴ－１１型全 自主足 球机 器人 的硬 件 结构 由五部 分组 成 ：嵌入 式主 控计 算机 、异 构双 目视 觉 系统 、运 动控 制 系 统 、无 线通信 系统 和 电源 系统 。该机 器人最 大的特 点是 以工 业嵌 入式工 控 计 算 机系统 为核 心 ，使之具 有体 积小 、计算 能力强 、稳定性 高等特 点 ，可 以适 应 各种 比赛情 况 。

视觉 和运 动控制 系统 是全 自主足球 机器人 系统 的基础 ，它对机 器人 的总 体 性能起 着决 定性 的作用 。多机 器人合 作 、全 局定位 与导航 等高层 复杂 功能 模 块都 要建立 在运动 控制 和视 觉系统 的基础 上，所 以必须保 证这 两个系 统具 备 实 时性 、 稳 定性 、精 确 性和 易 用性 。运 动控 制 系统 的 核心 是 电机 驱动 模 块 ，而 电机驱 动模块 的核 心是 基于 ＬＭ６２９ 的电机 驱动板和 运动控 制程序 。 视 觉 系统 采用 一 种 基于 颜色 的 目标 识 别快 速算 法 和基 于 单 目的 目标 定位 方 法 。本 文尽力 优化 了算法 得每 一个步骤 ，确保 视觉 系统不但具 备鲁 棒性 ，而 且 具有极 高 的实时性 。针对 机 器人足球 比赛 的动态 非确 定环境 特点 ，提 出 了

一种简单而实用的基于推理规则的实时避障与路径规划算法，并在 ＨＩＴ－１１

型机 器人 上实现 了该 算法 。路径 规划 实验表 明该避障 方法可 以应用 在全 自主 机器 人足 球 比赛中 。本文 设计 的运动控 制和视觉 系统 良好的 实时性 和鲁棒 性 在路 径规划实验 中得 到进一步 的验证 。

关键 词 全 自主型足球 机器人 ；嵌入式 计算机；伺服 电机 控制 ； 目标识 　　　　　　　　

别：路 径规 划

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Ａ ｂｓｔｒａｃｔ

Ｒｏｂｏｔｉｃ　ｓｏｃｃｅｒ　ｈａｓ　ｂｅｃａｍｅ　ａ　ｐｏｐｕｌａｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｄｏｍａｉｎ　ｏｆ　ｒｏｂｏｔｉｃｓ　ａｎｄ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ．Ｉｎ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｓｏｃｃｅｒ　ｒｏｂｏｔｓ，　Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　ｓｏｃｃｅｒ　ｒｏｂｏｔ　ｈａｓ　ｂｉｇ ｖａｌｕｅｓ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，　ｉｔｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　ｄｒｉｖｉｎｇ，　ｇｕｉｄｅ ｒｏｂｏｔ，　ｕｎｋｎｏｗｎ　ｔｅｒｒａｉｎ　ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ，　ｎｕｃｌｅａｒ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　ｒｏｂｏｔ，　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｔｒａｎｓｍｉｔ

ｒｏｂｏｔ，　ｅｔｃ．　Ａｓ　ａ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ，　ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　ｒｏｂｏｔ

ｉｓ　ｉｎｖｏｌｖｅｄ　ｉｎ　ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，　ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ，　ｓｅｎｓｏｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｉｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，　ｅｔｃ．　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ　ｔｈｅ　ｈｉｓｔｏｒｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｂｏｔｉｃ　ｓｏｃｃｅｒ　ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｓｔａｔｅ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｅａ　ｗｉｔｈ　ｔｗｏ　ｅｘａｍｐｌｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｂｏｔｉｃ　ｓｏｃｃｅｒ

ｔｅａｍ ｓ．

ＨＩＴ　ＩＩ　　 ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　ｓｏｃｃｅｒ　ｒｏｂｏｔ，　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｂｙ　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ｉｎ　ＨＩＴ，　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ，　ｔｗｏ　ｉｓｏ－ｖｉｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，

ｍｏｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｔｈｅ　ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｏｂｏｔ　ｉｓ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｔｈａｔ　ｍａｄｅ　ｉｔ　ｈａｓ　ａ　ｓｍａｌｌ ｓｉｚｅ，　ｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，　ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｃａｎ　ａｄａｐｔｓ　ｔｏ　ａｌｌ　ｔｈｅ　ｇａｍｅｓ．

Ｖｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｍｏｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｂａｓｉｃ　ａｎｄ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ　ｒｏｂｏｔ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｍａｎｙ　ｈｉｇｈ　ｌｅｖｅｌ　ｍｏｒｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｓｕｃｈ ａｓ　ｍｕｌｔｉ－ｒｏｂｏｔｓ　ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ，　ｇｌｏｂａｌ　ｓｅｌｆ－ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，　ｈａｖｅ　ｔｏ

ｄｅｐｅｎｄ　ｏｎ　ｍｏｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｖｉｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ，　ｓｏ　ｔｈｅｓｅ　ｔｗｏ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｍｕｓｔ　ｂｅ　ｒｅａｌ－

ｔｉｍｅ，　ｒｏｂｕｓｔ，　ａｃｃｕｒａｔｅ　ａｎｄ　ｅａｓｙ　ｕｓａｂｌｅ．　Ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｓ　ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｏｆ　ｍｏｔｏｒ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｂｏａｒｄ ｗｉｔｈ　ｃｏｒｅ　ｃｈｉｐ　ＬＭ６２９．　Ｔｈｅ　ｖｉｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　ｃｏｌｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｂｊｅｃｔ ｒｅｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｉｎｇｌｅ－ｃａｍｅｒａ　ｂａｓｅｄ　ｏｂｊｅｃｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．　Ｗｅ　ｍａｄｅ　ｇｒｅａｔ ｅｆｆｏｒｔｓ　ｔｏ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｅｖｅｒｙ　ｓｔｅｐ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　ｓｏｃｃｅｒ　ｒｏｂｏｔ　ｆｏｒ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ．　Ｔｏ　ｄｅａｌ　ｗｉｔｈ　ｒｏｂｏｔ ｓｏｃｃｅｒ　ｇａｍｅ＇ｓ　ｈｉｇｈｌｙ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，　ｗｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ａ　ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｒｕｌｅｓ－ｂａｓｅｄ　ｏｂｓｔａｃｌｅ　ａｖｏｉｄａｎｃｅ　ａｎｄ　ｐａｔｈ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｏｕｒ　ｒｏｂｏｔ．　Ｉｎ ｏｎｅ　ｈａｎｄ，　ｗｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｔｈ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ； ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒ　ｈａｎｄ，　ｗｅ　ｗａｎｔ　ｔｏ　ｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ　ｏｆ　ｍｏｔｉｏｎ　ａｎｄ ｖｉｓｉｏｎ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｐａｔｈ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　　　ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　ｓｏｃｃｅｒ　ｒｏｂｏｔ；　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ；　ｓｅｒｖｏ　ｍｏｔｏｒ 　　　　　　

ｃｏｎｔｒｏｌ；　ｏ场ｅｃｔｒｅｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ；　ｐａｔｈ　ｐｌａｎｎｉｎｇ

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第１ 章 绪论

１ ． １课题背景

机器人足球 比赛 已经成 为当前人工智 能和机器 人领域 的研 究热点之一 。所

谓机器人足球比赛是指双方球队由机器人组成，按照与人类足球比赛相似的环 境及规则，在无人干涉的条件下 自动地向对方球门攻球的实验平台。机器人足 球比赛的设想首先是由加拿大不列颠哥伦比亚大学的教授Ａｌａｎ　Ｍａｃｋｗｏｒｔｈ在

１ ９ ９ ２ 年的论文《 Ｏｎ　 Ｓ ｅ ｅ ｉ ｎ ｇ　 Ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｓ 》中提出［ ２ １ 。举办机器人世界杯足球比赛的目

的是为了促进分布式人工智能研究与教育的发展［３１。通过提供一个标准的易于

评价 的比赛平台 ，使得研 究人员利用各种技术获得更好的解决方案 ，从 而有 效 的促进各领域 的发展 。

相对人工智能的典型 问题一计算机象棋 ，机器人足球的研究更具有挑战 性。计算机象棋解决的是一个单智能体对另一个单智能体在静态环境下，以非 实时方式进行的知识处理问题 ；而机器人足球比赛要解决分散存在的多智能 体，在复杂动态环境下，通过相互通信和协调，以实时方式进行的知识处理问 题。机器人足球涉及的研究领域包括：智能机器人系统、多智能体系统、实时 模式识别与行为系统、智能体结构设计、实时规划和推理、多传感器及其信息

融合等［ｌ１ 　　　　

目前，有关机器人足球比赛的国际组织有两个：ＦＩＲＡ组织和 ＲｏｂｏＣｕｐ联 合会。ＦＩＲＡ　（Ｆｅｄｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｒｏｂｏｔ　ｓｏｃｃｅｒ　Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ），是由韩国科

学 与技术学 院金钟焕 教授创立 的组 织，从 １９９７年开始每年举 办一届 比赛，主

要参赛队伍来自韩国、新加坡、中国、澳大利亚及东欧一些国家的大学及研究 机构。ＲｏｂｏＣｕｐ　（Ｒｏｂｏｔ　Ｗｏｒｌｄ　Ｃｕｐ），即机器人世界杯足球锦标赛，是在一些 学者的积极倡导下 （如美国ＣＭＵ的 Ｍａｎｕｅｌａ　Ｍ．　Ｖｅｌｏｓｏ教授）和 Ｓｏｎｙ公司的

支持下成立的。Ｒ ｏ ｂ ｏ Ｃ ｕ ｐ联合会于 １ ９ ％ 年在日本举行了一次表演赛。

ＲｏｂｏＣｕｐ比赛和会议从 １９９７年开始每年举行一次，参赛队伍主要来 自美国、

日本和欧洲的大学及研究机构。

综合 ＦＩＲＡ和 ＲｏｂｏＣｕｐ的比赛规则，根据机器人的环境感知、决策模式和 运动方式的不同，机器人足球比赛可以分为以下几种类型 （如图 １－１一图 １－５）：

（ １ ） 仿真比赛；（ ２ ） 半自主机器人足球比赛；（ ３ ） 全自主机器人足球比赛；（ ４ ） Ｓ ｏ ｎ ｙ

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要任务是研究和开发足球机器人的环境感知系统、行为决策系统以及运动控制 系统，使足球机器人在无人干预的情况下全自主独立的进行踢球。

１ ． ４本文主要研究内容及结构

本文主要研究内容是：以全自主足球机器人的智能控制系统为主线，按照 ＲｏｂｏＣｕｐ中型组和 ＦＩＲＡ　ＲｏｂｏＳｏｔ全自主机器人足球比赛规则，给出一种机器 人的硬件体系结构的设计方案。为机器人设计并开发运动控制系统、视觉系统 等底层支持软件，并研究和实现一种避障和路径规划算法，构成一个完整的机

器 人智 能控制 系统．

本文从系统的角度研究了全 自主型足球机器人智能控制系统。在第 ２章 研究机器人的硬件体系结构的设计与实现，分别介绍了组成机器人的五大子系

统 ，还 给出了一种足球机器人智 能控 制软件系统 的总体框架 。第 ３章和第 ４章

是本文的核心内容，设计并实现了机器人的运动控制系统和视觉系统。视觉和 运动控制是全 自主足球机器人的基础，它对机器人的总体性能起着决定性的作 用。多机器人合作、全局定位与导航等高层复杂功能模块都要建立在本文开发 的运动控制系统和视觉系统的基础上，所以必须保证这两个系统具备实时性、

稳定性、精确性和易用性。在第 ４章，本文尽力优化了算法的每一个步骤以确 保视觉系统不但具备鲁棒性，而且具有极高的实时性。第 ５章给出了一种比较 简单而实用基于推理规则的全 自主机器人避障与路径规划算法，其 目的有两 个：（Ｉ）研究本文提出的实时避障路径规划方法应用到全 自主机器人足球比赛 中的可行性；（２）检验本文设计并实现的运动控制系统和视觉系统是否满足高

层行为决 策要 求，是否满足全 自主机器人足球 系统对实时性和鲁棒性的要求 。 本文 ３－５章分别涉及全 自主机器 人的运动控制 、环境感知和行为决策三大组成

模块，从硬件系统和软件系统多个层次，比较完整地研究了机器人的体系结构

和智能控制 问题 。

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第２ 章 全自主足球机器人体系结构设计

ＨＩＴ　１１型全自主足球机器人是由哈尔滨工业大学计算机学院自主设计，由 韩国加工制造的全 自主足球机器人，它由环境感知、行为决策和运动控制三大 模块组成。环境感知系统由视觉系统和机器人自定位系统组成，它是比赛成败

的关键［ｓ１。本文根据赛场环境和机器人足球比赛的特点设计了上下布局的异构 双 目彩色视觉系统。视觉系统实时地采集、处理、识别赛场图像，计算赛场上

球 、门、其他 队员等 目标 物体到机器人 的相对位 置、速度 等有关数据。然后 定

位系统利用视觉对 目标物体 （包括动态 目标和静态 目标）的相对定位结果推算

机器 人的全局位姿 。视觉系统与定位系 统的处理 结果融合 以后供行为决策系统

进行分析和行为选择。最后 由运动控制系统执行决策系统输出的基本动作指 令。机器人在视觉系统的驱动下周而复始地执行着环境感知、行为决策、动作 执行这样一个过程［６１

全 自主型机器人足球系统的总体设计思想是［０＇　９１：　（１）不采用集中控制系 统而采用分散控制方式，即每个机器人独立地控制 自己的行为：（２）在机器人 群体中，每个机器人根据环境感知决定自己的行为，即机器人具有知识；（３）

每个机器人具有可直接对话的通信功能，这种通信是双向的；（４）根据每个机 器人的知识粒度不同，可建异构形多智能体系统。这种系统的最大的特点是每

个机器人有 知识，因此可 以独立地进 行行为 决策，而且各机器人之间 的协调 与 合作是通过通信 ，在相互 了解对方 意图的基础上进行 的。

２． １硬件体 系结构

ＨＩＴ　ＩＩ型机器人参加了２００２年韩国ＦＩＲＡ世界杯机器人足球赛，其外观如

图 ２－１所示 。该机器 人呈高 ３２ｃｍ、直径 ２０ｃｍ的圆柱形。ＨＩＴ　ＩＩ型 比 ＨＩＴ　Ｉ型

增加了上 目视觉，采用上下布局的异构双目视觉结构；在机器人四周均匀布局 了 ８个超声波测距探头；增加用于踢球的弹射装置；增加无线以太网通信系

统 ；为了能够 处理更多的视觉信 息提 高机器 人行 为系统的反应能 力，把嵌入 主 控计算机 由原先 的 ＡＤＶＡＮＴＥＣ　ＰＣＭ５８２０更 换为 ＰＣＭ９３７０。改进后的 ＨＩＴ－１Ｉ机

器人在环境感知、实施图像处理和行为决策、灵活性与机动性等方面都有极大

的提高 。

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２ ． １ ． ５电源系统

电源系统由电池、充电器和电源板组成。电池和充电器为光宇公司生产的

配套产 品， 电池是可充 电铿 电池 ，它具有充 电时间短、待机 时间长、抗 冲击负

载能力强等特点。电源板的输入端接电池的 １２伏输出，电源板输出正 ５伏电

源 。该 电源系统可 为正常 比赛 的机器 人连续供 电）２．５小时。

２． ２软件体系结构

本文 的设计 目标是： 比赛 时机器 人不但依靠 自身的环境感 知能力完 全 自主

地进行 比赛，而且能够利用无线通信系统共享彼此的环境感知数据和行为状 态。但实验表明机器人间的无线通信存在数据丢失和传输延迟问题，所以机器

人又 不能 完全依赖 通信 系统得 到的数 据 ，必 须建 立 自己 的环 境模型 和决策 模

型。无线通信系统不但使多机器人合作比赛成为可能，而且方便了软件开发和 调试。我们把在个人电脑上开发的程序用网络传送到机器人主控计算机上执

行 ，并通 过无线网络实时监控程序在 机器人上 的运 行状态 。本文 设计的全 自主

机器人足球队的控制软件结构如图 ２－８所示。在该结构下，每个机器人通过无 线网卡把 自身的传感处理结果以及根据单机器人传感数据建立的全局环境模型

发送到场 外主控计算机上 。场外 主机 融合多个机器 人的环境感知 结果，建立一 个全局环境 模型，再通过无线 网络把 融合后 的环境 模型发送给每 个机 器人，供 每个机器人 的决策系统使用 。

图 ２－９显 示了单 机器人 控制软件 体系结 构 。首 先 ，感知系统 处理传感数 据，建立全 局环 境模型 ，机器人 综合利用 自己建立 的环境模型和场外 主机传 来

的环境模型进行行为决策。但由于实时性的要求，机器人大部分行为指令都是 根据自身建立的环境模型而决策的。一般当机器人从自身位置看不到某个 目标 时才利用场外主机传来的环境模型进行决策。

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场 外

一无 线 了 以 太 矿、

压画 ！ 蓄词

、、

！ － 言ｔ ｉ － ｅ 习

到２－８ 全队多机器人整体控制结构 Ｆｉｇ２－８　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｏｆｔｅａｍ．

　　　　　　 图２－９ 单机器人控制软件结构

　　　　　　 Ｆｉｇ．２－９　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｒｏｂｏｔ

传 统的 自主机器人行 为控制 体系结构 主要有 基于功能分解 的体系结构和基

于行为的反应式体系结构ｐｐ。本文采用 目前比较流行的两种混合式的体系结 构。目的是克服功能分解体系结构在不确定和未知环境中的建模困难、实时性

和适应 性差等缺点 ；同时实现对 已有环境信 息进 行有效表 示和利用 ，完成单一 结构无法 实现 的复杂行为任务。

为了使软件具备完整性 、可扩展性和可移植性 ，本文使用 Ｃ＋十语言开发程 序 ，采用 面向对象的思想把程序的各功 能模块 设计成 类别对象 。第 ５章 的机器

人避障路径规划系统就是采用上述思想和体系结构设计的一个完整的控制软

件 。

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２ ． ３本章小结

本章详细描述了本实验室自主研制的 ＨＩＴ　ＩＩ型全自主足球机器人的硬件体

系 结构和 实现方 案，分别介绍 了机器人 的五大模块 ：嵌入 式主控计算机 、异构

双 目视觉系统、运动控制系统、无线通信系统和电源系统。还简要介绍了 Ｈ工Ｔ－ ｎ全 自主机器人足球队的软件系统结构和单机器人的软件系统结构。该机器人

最 大 的特 点是 以工业 嵌入式 计算机 系统 为核 心 ，使之 具有 体积 小、计算 能 力

强、稳定性高等特点，可以适应各种比赛情况。该系统在 ２００２年 ５月汉城举 办的第七届世界杯机器人足球大赛中获得 ＲｏｂｏＳｏｔ比赛项目的冠军。这说明该 系统软硬件体系结构设计是合理的。我们设计的机器人不但可用于足球比赛，

而且同样适用于其他移动机器人系统。

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电路。机器人踢球装置驱动电机只需要小功率的微型直流电机，电机板通过芯 片 Ｌ２９８Ｎ直接驱动该电机带动踢球板旋转。

３ ． ２ ． ２电机驱动程序的设计与开发

电机驱动程序是运行在主控计算机上 ，它负责电机驱动板上的控制芯片 ＬＭ６２９的数据读写和发送指令，从而实现对电机的控制．所以 ＬＭ６２９的特

性 、工 作原理及指令集是开发 电机驱动程序 的基础 。 　　

（１） ＬＭ６２９工作原理：

如 电路 框图 ３－２所示，ＬＭ６２９通过其 １／Ｏ端 口与主控 计算机通信，计算 出 一个梯 形速度 图并进行数 字滤波 。用增量编码 器反馈实际位 置。无论是位置控

制还是速度控制方式，这个梯形速度图发生器都要计算出相应的梯形速度分布

图。在运行 时，ＬＭ６２９进行预定位置 （速度 图发 生器 计算的位置 ）与实际位置

作减法运算，把运算结果看作电机运转的误差，然后由数字 ＰＩＤ滤波器处理该 误差后输出下一采样周期的 ＰＷＭ 调速信号，驱动 电机到达预定位置。表 ３－１ 给出 ＬＭ６２９的综合性能数据。

　　　　　　 表 ３－１　　ＬＭ６２９综合性能数据

　　　　　　 Ｔａｂ．３－１　ＬＭ６２９　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ　ｓｕｍｍａｒｙ

位置 范围 －１，０７３，７４１，８２４ 一１，０７３，７４１，８２３计数

速度 范围 ０一１，０７３，７４１，８２３　／　２１６计数／采样，即。一１６，３８３计数／采样，分辨率

　　　　　　 １／２　１６计数／采样

加速 度范 围 ０一１６，３８３／２　１６计数深样２，分辨率１／２＂计数／采样２

工作 方式 位置控制和速度控 制

控制算法 比例、积分、微分 （ＰＩＤ　）

采 样时 间间 隔 微分：２０４８／ｆｃＬＫ一２０４８　Ｘ　２５６／ｆＣＬＫ（对于ｆｃ：Ｌ．Ｋ　＝　８ＭＨｚ，即２５６一 　　　　　　

６５５２６　ｕ　ｓ）比例、积分：２０４８／ｆＣＬＫ

Ｃ２） 位置反馈接 口

增量编码器的三个信号 Ａ．　Ｂ和雨 接至 ＬＭ６２９。两个正交信号 Ａ．　Ｂ用

来跟 踪 电机 绝对位 置，它们组成 ４ 个不 同逻辑状态 ，此逻 辑状态 的每一 次改

变，相应的 ＬＭ６２９内位置寄存器数值加一或减一。这样，系统分辨率比该编

码器 的条文数高 ４倍 。编码器信号输入 与 ＬＭ６２９的时钟 同步。

　　　　 Ｉ

ｌｖ信号是电机每旋转一周产生一个低电平。当编码器 ３个信号都是低电 平时产生 ｉｎｄｅｘ信号送内部专门的 ｉｎｄｅｘ寄存器，记录了电机的绝对位置。其

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中

　　　　　　 ｉｎｄｅｘ二 Ａ ＂Ｂ＂ＩＮ

（３） 速度图的产生 　　　　

梯形速度图发生器计算出期望位置与事件关系。在位置控制方式时，主计 算机驱动程序确定加速 （减速）度、最高速度和停止位置。ＬＭ６２９则利用这些 信息使电机 以规定加速度加速到最高速度，或开始减速，直至停到规定最终的 位置上。图 ３－３（ａ）表示这种简单的梯形速度图情况，减速度总是等于加速度。

在运动过程中允许改变最高速度和终止位置，但不能改变加速度，如图 ３－３（ｂ）

所示 。

　　　　 最大速 度

ｎ速度／减速度相等

　　　　　　　　 时间 ｔ

速度ｖ速度ｖ

（ｂ）

图３－３ 两种典型的速度图：（ａ）说明加速度与减速度相等。（ｂ）说明运动中可改变最高速度

　　　　　　 和终止位置，但不能改变加速度。

　　　　　　 Ｆｉｇ．３－３　＇１沙ｐｉｃａｌ　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｐｒｏｆｉｌｅｓ

在速度控制方式时，电机以规定加速度加速至规定速度，并维持着速度直 至接受到 “结束”指令。如果运动存在扰动，其长时间的平均速度仍维持为恒 值。在位置控制方式时，电机走完预先设定的距离后 自动停止。运动轨迹参数 是 ３２位值。

（４）　　 ＰＩＤ补偿滤波器

ＬＭ６２９用一个数字 ＰＩＤ 滤波器来补偿被控制的闭环系统 。在预定位置 上，对于任何扰动，电机都产生一个力矩来保持此位置。此回复力矩与位置偏

差成 正比 ，加 上偏差 的积分和微分 。ＬＭ６２９给 电机 的输 出信 号的计算公式如 下 ：

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ｕ（ｎ）＝ｋＰｅ（ｎ）＋ｋ ^{Ｙ＿　ｅ（Ｎ ）＋ｋｄ　（＂（ｎ．）一。（ｎ’一１）］ （３一１）}

其中，ｕ　（ｎ）是数字 ＰＩＤ 单元输出的控制信号，ｅ　（ｎ）表示第 ｎ次采样的位置

误差，ｎ表示微分采样速度，Ｋ ｐ ，　 Ｋ； ，　 Ｋｄ 是由驱动程序设定的滤波参数。

第一项为比例项，回复力矩正比于位置误差 。（ｎ），类似于弹簧服从 Ｈｏｏｋ 定律。第二项是积分项，回复力矩随时间而增大，使系统静态位置误差为零。

对于负载是恒转矩情况，得到零位置误差。第三项是微分项，对应的回复转矩 分量与位置误差变化率成正比。与此项相关的采样间隔由用户选择。ＬＭ６２９有 能力满足系统惯性矩 （机械时间常数）大范围的选择，并使差分计算很好的接

近 于连续微分 计算 。

电路内的位置误差信号 １６位，送给数字滤波器。首先乘以系数 Ｋｐ得到比 例项；次误差信号加上上一次的误差累积形成积分信号；由选取的采样间隔，

将上一次误差减去现在的误差形成微分信号。全部乘法按 １６位整型数进行。

其乘积只取低 １６位。ＬＭ６２９取高 ８位生成输出的 ＰＷＭ 信号，其中最高的符 号位对应 ＬＭ６２９方向信号输出，其余 ７位确定方波的占空比。图 ３一 显示 ＬＭ６２９输出的ＰＷＭ 信号。

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　　　　　　 图３－４　　ＰＷＭ输出信号

　　　　　　 Ｆｉｇ．３－４　ＰＷＭ　Ｏｕｔｐｕｔ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｆｏｒｍａｔ

综上所述，ＬＭ６２９是国家半导体公司专为直流电机和直流无刷伺服电机以

及其他 能够提供位 置反馈信 号的装置所 设计的运动控制 处理器 。该装置满足 高

效能的数字运动控制所需的密集的实时的计算任务。因而它是一个专用性很强 的控制芯片 ，能够编程完成计数、ＰＩＤ控制 ，还能产生 ＰＷＭ 信号。正是由于

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使用了这样的功能强大的芯片，使得其 ＣＰＵ 和驱动软件的任务变得比较简

单。

掌握了 ＬＭ６２９的特性、工作原理及指令集以后，就可以开发电机驱动程 序。电机驱动软件直接操作 ＬＭ６２９，从而实现对电机的运动控制。驱动软件主 要任务是：初始化 ＬＭ６２９寄存器参数、设定加速度、设定运动轨迹参数和设

定 ＰＩＤ 滤波器 参数，然后 ＬＭ６２９按照预定参 数 自动完成 对 电机的 ＰＩＤ 控制 。 针 对 ＬＭ６２９进行操作 的电机 驱动软件流程 图如图 ３－５所 示。

图 ３－５　　ＬＭ６２９驱动程序流程 图 Ｆｉｇ．３－５　Ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ＬＭ６２９　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｐｒｏｇｒａｍ

３． ３机器人的基本动作程序设计

运动控制程序ｃ ｌ ａ ｓ ｓ　 ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ通过三个ｃ ｌ ａ ｓ ｓ　 ｍｏ ｔ ｏ ｒ对象 ｌ ｅ ｆ ｔ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ，　 ｒ ｉ ｇ ｈ ｔ ｍｏ ｔ ｏ ｒ

和 ｃａｍｅｒａｍｏｔｏｒ控制 机器人 的动力轮和云台 ，踢球装置 电机 只有开和关两种状 态 ，运动控制程 序直接读 写电机 驱动 板端 口来实现踢球装 置的开关。所 以 ｃｌａｓｓ

ｒｏｂｏｔ的控制功能又分成三部分：机器人移动控制、摄像机云台控制和踢球装 置控制。后两种控制比较简单，本文重点介绍机器人的移动控制方法。

移动控制根据双轮驱动模型使机器人能完成三个基本动作：走直线、走圆 弧和原地旋转。所以机器人所有路径都必须由这三个基本路线组合而成。

走直线 ：左 右轮速度相等，方 向相 同。

原地旋转 ：左右轮速度相等，方 向相反 。

走圆弧：推导轨迹方程为圆时的左右轮速 ｖ，与ｖ２的函数关系。

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　　　　　　 图 ３－６轨迹 圆

　　　　　　 Ｆｉｇ．３－６　Ｔｒａｊｃｔｏｒｙ　ｃｉｒｃｌｅ

图中有 两个 同心圆，圆心为 Ｏ 点，大 圆半径 ｒ＋ｗ，小 圆半径 ｒ，　ｗ为机 器 人左右 轮子 间宽度 ，大 圆为右轮轨迹 ，小圆为左轮 轨迹 ，Ｖ１，　　ｙｒ分 别为左右

轮速，ａ为单位时间内机器人绕圆心 Ｏ 点的转角，Ｓ，为对应转角 ａ的小圆弧 长，Ｓ２为对应转角ａ的大圆弧长，则 Ｓ，一ａＸｒ，Ｓ２一ａＸ（ｒ＋ｗ）．

而 Ｓ，为单位时间内机器人左轮走过的弧长，即与左轮速度相等 Ｓ　１＝ｖ，，同 理 Ｓ２＝ｖ，，有 ｖ，＝ａ，ｙｒ＝ａＸ（ｒ＋ｗ）　／　ｒ，所以

ｙ ｒ

ｒ ＋ｗ

即（３－２）式为轨迹方程为圆时机器人左右轮速的函数关系。

３ ． ４基于 电机码 盘 的里程计设计

（１）机器人坐标 系：

　　　　　　 图 ３－７机 器人坐标系

　　　　　　 Ｆｉｇ．３－７　Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｂｏｔ

机器人坐标系采用直角坐标系，其定义如图 ３－７所示。规定机器人左右动 力轮之间的中点为机器人坐标系的原点，机器人的正方向为 ｙ轴的正方向。

（２）环境坐标系：

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对 方球 门

　　　　　　 图３－８环境坐标系

　　　　　　 Ｆｉｇ．３－８　Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ

环境坐 标系也采用直角坐标系 ，其定义如 图 ３－８所 示，规定 己方球 门左边 的角球 点为原点 ，从 己方球 门到对方球 门的方向为 Ｙ轴正方 向。机器人 的位姿

（ｘ，　Ｙ，　　Ｂ）由三个变量表示，（Ｘ，力为机器人坐标系原点在环境坐标系的坐标，

Ｂ为表示机器人的朝向角，其定义为环境坐标系 Ｘ 轴到机器人正方 向的夹 角， Ｂ取值范围：［　０　０，　　３６０　０）ｅ

里程计的功能是在机器人运动过程中，不断根据左右轮的码盘反馈和初始

位姿来 推算机器人 的当前位姿 。机器人在球场 上的移动 由三个基 本轨迹组成 ：

直线、原地旋转和圆弧。每执行一个基本轨迹动作便更新一次机器人的位姿。

根据码 盘更新机器人位姿 的公式推导过程如下 ：

设Ｐ为机器人在球场上的初始位姿，Ｐｎ二（（Ｘ．，Ｙｏ，Ｏ．），　　Ｐ，＋，为机器人执行 第 ｉ个基本动作Ａ，以后的位姿，ｉ二０，　１，．．．，ｎ，　Ａ，“慎 线，旋转，圆弧全，Ｉｄ；为在

执行Ａ ， 过程中机器人左轮运动的距离，若Ｉ ｄ ；　 ＞　 ０，则左轮向前运动；若Ｉ ｄ ；　 ＜　 ０

（１）当Ａ；＝直线 时：

十Ｉ ｄ

＋ Ｉｄ

Ｃｏｓ口

ｓｉｎ　Ｈ

（３－３）

　　１气夕口＝＝　　－－．１　　１什杆　　什Ｘ夕

口护！！亡，．１．、

（２）当Ａ；＝旋转 时：

　　　　　　 Ｉｄ．、

Ｈ ｉ

，， 一” ｏ ｒ ｍ（ “ ， 一节 ，

Ｘｉ＋ｉ＝ 毛 Ｙｉ＋ｉ＝ Ｙｉ

（３－４）

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其中 ；为机器人左右轮间距的一半，ｎｏｒｍ（Ｂ）表示把角度ｄ归一化到

［００，　３６００）． 　　　　

（３）当Ａ；＝圆弧 时：

图 ３一 由圆形轨迹运动使机器人位姿从Ｐ，到Ｐ，＋ｉ 　　

Ｆｉｇ．３－９　Ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｏｆ　ｃｉｒｃｌｅ响 ｃｔｏｒｙ 若 左 轮速度＜右轮速度 ：

、尹、，少

ｘｉ＋ｌ＝ｘ；＋Ｒ・

Ｙ，＋ｉ＝ Ｙｉ＋Ｒ ・

　　　　　　 Ｒ 一ｒ　　　ｉｔ

（ｓｉｎ　８；＋，一ｓｉｎ

（ｃｏｓ　Ｂ，一ｃｏｓ　Ｂ ^{（３－５）}

其中 Ｒ为机器 人左右轮 中心 所经过 圆弧轨迹 的半径。

若 左轮速度＞右轮速度 ：

＝ｎｏｒｍ　（Ｂ

＝ ｘ；

＝ Ｙ ｉ

＋ Ｒ

＋ Ｒ

（ｓｉｎ

（ｃｏｓ

Ｒ ｄ

一１ ８ ０　 ）

　　　　　　 汀

ｓｉｎ　８；＋，　）

（３－６）

ｄｉ＋ｌ一ｃｏｓ夕，）

如 ｘｉ＋ｌ ｙｉ＋ｌ

３ ． ５电机驱动系统的中断检测

电机驱动 板没有硬 中断功能，所以电机驱动程序 的一个 重要功能就 是中断

信号检测。电机驱动扳的中断信号主要来自于 ＬＭ６２９，　３．２．１节提到，ＬＭ６２９

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具有实时可编程的主控计算机中断，通过 “读状态字”指令可以读取 ＬＭ６２９

的中断状态 ，总共 有 ７个 中断信号，

运动控制程序主要使用 Ｂｉｔ６和 Ｂｉｔ５中断信号。本文使用多线程功能实现 电机板的中断信号检测功能。电机驱动程序单独启动一个状态字检测线程循环 检测 ＬＭ６２９的状态字，一旦检测到中断信号则向主控线程发送中断消息，主 线程接收到中断消息后做出相应的中断处理。从而本文用软件的方式实现了电

机板 的中断功能 。

　　　　　　 表 ３－３　ＬＭ６２９中断状态

状 态字 ｝ 功能

Ｂｉｔ　７ ｝ 电机停止

Ｂｉｔ　６ 到达位 置断点 （中断 ）

Ｂｉｔ　５ 位置误差过大 （中断 ）

Ｂｉｔ　４ 位置计 数器溢出 （中断 ）

Ｂｉｔ　３ Ｉｎｄｅｘ信号有效 （中断）

Ｂｉｔ　２ 运动轨迹完成 （中断 ）

Ｂｉｔ　Ｉ 错误指令 （中断）

Ｂｉｔ　０ 数据端 口忙

３ ． ６本章小结

本章详细介绍了全自主足球机器人的运动系统设计方案，具体讲述了 ＨＩＴ

ｎ机器人运 动系统 的驱 动程序和运动控制程序 的设计与实现 。机 器人采用新型 三点支撑 轮式车 体 （双 轮驱动和 一个辅助支撑 滚轮 ），该设计达 到 了增 强机 器

人灵活性的效果。机器人运动系统采用基于 ＬＭ６２９的电机驱动电路板，协调４

个电机 的运 转，使机器人 严格按照控制指令运动 。在 控制软件 的设计 中，本 文

采用 了模块化面向对象的程序设计思想，各模块功能明确、接口简单易用，整 个程序结构明了。第 ５章路径规划实验的程序调用 了本章开发的运动控制程 序，实际运行情况表明，ＨＩＴ－ＩＩ机器人的运动控制系统具备反映灵敏，动作执

行准 确， 电磁千扰 小、稳定性高等特性，达到 了设计要求 。