该害犬海

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分类号：ＴＨｌ２

１０７^ｌ０．２００９２２５００４

该害犬海

工程硕士学位论文

ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统设计研究

吴彬天彬

导师姓名职称申请学位级别论文提交日期学位授予单位

蔡宗琰教授

答辩委员会主席学位论文评阅人

胡永彪教授王海英副教授徐娅萍副教授

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Ｓｔｕｄｙ ^ｏｎｔｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ^{Ｎｅｔｗｏｒｋ} ＳｙｓｔｅｍｆｏｒＲｏｂｏＣｕｐ

Ｍｉｄｄｌｅ・－Ｓｉｚｅ

Ｒｏｂｏｔ

ＡＤｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎＳｕｂｍｉｔｔｅｄｆｏｒｔｈｅ_{Ｄｅｇｒｅｅ} ｏｆＭａｓｔｅｒ

Ｃａｎｄｉｄａｔｅ：Ｗｕ ^Ｂｉｎ

Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：Ｐｒｏｆ．ＣａｉＺｏｎｇｙａｎ

Ｃｈａｎｇ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ，Ｃｈｉｎａ

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论文独创性声明

本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。

本声明的法律责任由本人承担。

论文作者虢券书 ^{沙庠妇Ｅｔ}

论文知识产权权属声明

本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。

（保密的论文在解密后应遵守此规定）

论文作者签名：关赫多

导师签名：

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ｆ年多月．７

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噜驯年ｆ夕日

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摘要

机器人足球赛是一项竞争激烈、对抗性强的高水平比赛，它涉及的技术包括机器视觉、图像处理、人工智能、机电一体化、机器入学、数据融合、局域网通信等。足球机器人系统已经成为人工智能领域许多科研工作者的研究热点之一，这些研究将不断促进机器人技术水平向前发展，并服务于人类社会。本文以ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人为研究平台，以ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人足球比赛为研究背景，对机器人通信网络系统进行研究与设计，并设计相关实验进行检验，取得了较好的效果。本文研究和设计的主要内容包括：

（１）详细说明ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人比赛系统以及机器人系统各部分的组成和原理，并在此基础上分析了机器人系统研究的关键技术：视觉信息处理技术、决策系统相关技术和通信网络系统相关技术。

（２）对有关ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信的基本原理进行分析，介绍了ＯＳＩ参考模型、ＯＳＩ传输层协议ＴＣＰ和ＵＤＰ、ＷＬＡＮ技术以及机器人通信系统所使用的无线局域网协议，画出机器人通信网络系统的体系结构图。对ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统干扰进行分析，并进行相应的抗干扰分析。

（３）结合ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人足球比赛的实际情况，分析ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统所需要的功能并画出相应的功能框架图，对所分析的功能进行功能设计并画出相应的流程图。使用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶｉｓｕａｌＣ＋＋．ＮＥＴ２００３编写机器人通信网络系统的实例，包括：网络控制端教练机程序和机器人通信子系统程序。

（４）对所编写的教练机程序和机器人通信子系统程序进行实验，验证ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人网络通信系统应用软件的可行性，验证通信系统传输信息的可靠性和准确性，实验结果表明本文的理论和设计的软件是可行的，并具有很好的实用性。

关键词：ＲｏｂｏＣｕｐ机器人，通信网络系统，功能分析，系统设计，实验验证

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Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｔｈｅｒｏｂｏｔｉｃｓｏｃｃｅｒｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎｉｓ ^ａｈｉｇｈｌｙｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅａｎｄａｎｔａｇｏｎｉｓｔｉｃｈｉｇｈｌｅｖｅｌ

ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｉｎｖｏｌｖｅｄ ^{ｉｎｔｈｅ}ｒｏｂｏｔｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｃｌｕｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｖｉｓｉｏｎ，ｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｒｏｂｏｔｉｃｓ，ｄａｔａｆｕｓｉｏｎ，ＬＡＮｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｅｔｃ．Ｔｈｅｓｏｃｃｅｒ－ｒｏｂｏｔｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｃｏｍｅ ^ｏｎｅｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ^{ｆｏｃｕｓｅｓ}ｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆａｒｔｉｆｉｃｉａｌｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅｆｏｒｍａｎｙｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ．ＴｈｅｓｅｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋＣａｎｃｏｎｓｔａｎｔｌｙｂｏｏｓｔ

ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｒｏｂｏｔｉｃｓａｎｄ _ｇｉｖｅｓｅｒｖｉｃｅｔｏｏｕｒｓｏｃｉｅｔｙ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｏｃｃｅｒ－ｒｏｂｏｔａｎｄｔｈｅｒｏｂｏｔｉｃｓｏｃｃｅｒｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ，ｓｔｕｄｙａｎｄｄｅｓｉｇｎｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｎｅｔｗｏｒｋｓｙｓｔｅｍｏｆｓｏｃｃｅｒ－ｒｏｂｏｔ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓａｌｓｏｍａｄｅａｇｏｏｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｔｅｓｔｓｉｎｔｈｅｒｏｂｏｔｔｒａｉｎｉｎｇ．Ｔｈｅ^ｍａｉｎ^{ｃｏｎｔｅｎｔｓ} ^{ｏｆｔｈｉｓ}ｐａｐｅｒａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｓ：

（１）ＴｈｉｓｔｈｅｓｉｓｅｌａｂｏｒａｔｅｓｏｎｔｈｅＲｏｂｏＣｕｐｍｉｄｄｌｅ－ｓｉｚｅｌｅａｇｕｅｒｏｂｏｔｉｃ ^{ｓｏｃｃｅｒ} ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ

ｓｙｓｔｅｍａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｏｃｃｅｒ－ｒｏｂｏｔｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｎｂｒｉｎｇｓｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ^ｏｎｔｈｅｓｏｃｃｅｒ－ｒｏｂｏｔｓｙｓｔｅｍ：Ｉｍａｇｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄ

ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ^{ａｂｏｕｔ} ｄｅｃｉｓｉｏｎ－ｍａｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ^ｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｎｅｔｗｏｒｋ_{ｓｙｓｔｅｍｆｏｒ}ｓｏｃｃｅｒ－ｒｏｂｏｔ．

（２）Ｔｈｉｓ ^{ｔｈｅｓｉｓ} ａｎａｌｙｚｅｓ ^ｔｈｅｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌａｂｏｕｔｔｈｅＲｏｂｏＣｕｐｍｉｄｄｌｅ－ｓｉｚｅｒｏｂｏｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ^ｔｈｅＯｐｅｎＳｙｓｔｅｍｓＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｐｒｏｔｏｃｏｌｏｆｉｔｓｔｒａｎｓｐｏｒｔｌａｙｅｒ，ｔｈｅＷＬＡＮｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ^ａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙａｂｏｕｔｔｈｅＷＬＡＮ

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌｔｈａｔｔｈｅｔｈｅＲｏｂｏＣｕｐｍｉｄｄｌｅ－ｓｉｚｅｒｏｂｏｔ

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

ｓｙｓｔｅｍ

ｕｓｅｄ．Ｔｈｅｎｄｒａｗ _ｕｐｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒｔｏｆｔｈｅ

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ

ｎｅｔｗｏｒｋ _{ｓｙｓｔｅｍ} ｏｆ

ｓｏｃｃｅｒ－ｒｏｂｏｔ．Ｔｈｉｓ_{ｐａｐｅｒａｌｓｏ} ａｎａｌｙｚｅｓ ^ｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｉｎｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｎｅｔｗｏｒｋ_{ｓｙｓｔｅｍ} ａｎｄ_{ｅｘｐａｔｉａｔｅ} ｏｎｔｈｅａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ^{ｍｅｓｓｕｒｅｓ}ａｂｏｕｔｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋ．

（３）Ｔａｋｅｒｏｂｏｔｉｃ ^{ｓｏｃｃｅｒ}ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎｓｉｎｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓ ^ｔｈｅ ^{ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ}

ｔｈａｔｔｈｅＲｏｂｏＣｕｐｍｉｄｄｌｅ－ｓｉｚｅｒｏｂｏｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｈｏｕｌｄｈａｖｅａｎｄｄｒａｗｓｆｕｎｃｔｉｏｎ

ｄｉａｇｒａｍｓｔｈａｔｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ^ｔｏｔｈｅｓｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｎ，ｄｅｓｉｇｎｓｔｈｅｓｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｎｄｄｒａｗｓｔｈｅｉｒ

ｄａｔａｆｌｏｗｄｉａｇｒａｍ．Ａｆｔｅｒｔｈａｔ，ｕｓｅｓＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶｉｓｕａｌＣ＋＋．ＮＥＴ２００３ ^ｔｏｃｏｍｐｉｌｅｔｈｅｒｏｂｏｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｓｙｓｔｅｍ’Ｓｅｘａｍｐｌｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ：Ｎｅｔｗｏｒｋｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｃｅｄｕｒｅａｎｄ ^{ｒｏｂｏｔ} ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅ ^{ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ}ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ．

Ⅱ

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（４）Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ^ｏｎ ^ｔｈｅＮｅｔｗｏｒｋｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ^{ａｎｄｒｏｂｏｔ} ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅｓｕｂｓｙｓｔｅｍｐｒｏｃｅｄｕｒｅｏｆｔｈｅＲｏｂｏＣｕｐｍｉｄｄｌｅ－ｓｉｚｅ ^{ｒｏｂｏｔ}ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｔｅｓｔｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｉｍｍｕｎｉｔｙ．Ｔｈｅ^{ｔｅｓｔｓ} ｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃｓａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｉｎｔｈｉｓ_{ｐａｐｅｒ}^ａｒｅｆｅａｓｉｂｌｅａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＲｏｂｏＣｕｐｒｏｂｏｔ；ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｓｙｓｔｅｍ；ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌａｎａｌｙｓｉｓ；ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎ；ｔｅｓｔｓ

ＩＩＩ

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１．６ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人系统研究的关键问题………．．８１．７论文的研究内容和结构安排………．１１第二章ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统体系结构………１３２．１引言………．１３２．２网络通信的基本原理………１３

２．２．１ＯＳＩ参考模型【６】和传输层协议………一１^３２．２．２无线局域网ＷＬＡＮ………１５

２．３ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统的结构………１７

２．４ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统干扰分析………１^９２．４．１无线电信号的干扰【６】．………．１^９

２．４．２ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统干扰与抗干扰………２０２．５本章小结………２１第三章ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统的功能分析………２２

３．１引言………．２２

３．２ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统的组成………２２３．２．１教练机系统………。２２３．２．２机器人通信子系统………．２３

３．３ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统的功能模型………２４３．３．１教练机系统功能模型………２４

ＩＶ

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３．３．２机器人通信子系统的功能模型………．３２３．４本章小结………３７第四章ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统的功能设计………３８４．１引言………３８

４．２ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统教练机功能设计……－………．３８４．２．１教练机设置机器人相关参数功能的设计………３８４．２．２教练机接收裁判盒发送的信息功能的设计………４７４．２．３教练机显示裁判盒发送的指令功能的设计………４９４．２．４教练机向机器人发送比赛指令功能的设计………４９４．２．５教练机接收并显示机器人发送的信息功能的设计………４９４．２．６教练机在模拟球场上显示机器人与球的位置功能的设计………５１

４．３ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统机器人功能设计………５１４．３．１客户端（ＣｌｉｅｎｔＳｏｃｋｅｔ）模块功能的设计………．５２４．３．２服务器（ＳｅｒｖｅｒＳｏｅｋｅｔ）模块功能的设计………５６４．３．３信息输出（ＣｏｍｍｕｎＯｕｔｐｕｔ）模块功能的设计………６２４．３．４信息交流（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）模块功能的设计………６３４．４本章小结………．．６７第五章ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统设计………６８５．１引言………．６８５．２编程相关知识介绍………６８５．２。１编程语言介绍………６８

５．２．２ＭＦＣ概述………．６９５．２．３机器人通信子系统网络编程算法………．６９５．３教练机程序设计………７２５．３．１教练机程序构成设计………．７２５．３．２教练机控制界面设计………８０５．４机器人通信子系统程序设计………８３５．５本章小结………８７第六章ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统实验验证………８８６．１通信网络系统比赛模式实验………８８６．２通信网络系统训练模式实验………９１６．３本章小结………９３第七章总结与展望………９４７．１全文总结………９４

Ｖ

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７．２研究展望………．９４参考文献………９５攻读学位期间取得的研究成果………．．９９ｊｇＣ谢………．１００

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长安大学硕士学位论文

１．１引言

第一章绪论

移动机器人技术是近年来发展起来的一门综合学科，集中了机械、电子、计算机、

自动控制等多学科最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就【１】。足球机器人是移动机器人的一种，对足球机器人的研究有助于提高人们在人工智能领域和机器人领域的研究水平。对足球机器人的研究，可以通过参与机器人足球比赛来展开，在比赛中不断验证修改已有的技术以获得更好的技术解决方案，从而促进相应学科技术的发展。

机器人足球是人工智能和机器人学新的标准问题，是连接基础研究与实际应用的中介和桥梁，是展示信息自动化前沿研究成果的窗口和促进产、学、研相结合的新途径。

进行机器人足球系统的研究具有重要的科研和现实意义【２】。

１．２机器人足球比赛和足球机器人的发展状况

１．２．１国外发展状况

训练机器人进行足球比赛，这一提议是由加拿大哥伦比亚大学教授ＡｌａｎＭａｃｋｗｏｒｔｈ在１９９２年首次提出的。ＡｌａｎＭａｃｋｗｏｒｔｈ教授希望通过让足球机器人参加机器人足球比赛，不断提高人们对人工智能以及智能机器人的研究水平。机器人足球的构想提出后，

便得到世界上许多科学家的认可和支持，并开始展开相关的工作使机器人足球的想法得到实现。１９９２年１０月，日本学者在东京召开与机器人足球相关的“关于人工智能（ＡＩ）

领域的严重挑战’’研讨会（Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ^ｏｎＧｒａｎｄＣｈａｌｌｅｎｇｅｓ ^ｉｎＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，

Ｏｃｔ．１９９２，Ｔｏｋｙｏ），会议详细讨论了举办机器人足球赛事的重要意义，尤其是对推动科技发展的重要作用，并指出对足球机器人的研究是智能机器人与人工智能领域具有较高挑战性的课题。

机器人足球比赛发展至今己日趋完善，与其相关的国际组织主要有：ＦＩＲＡ和

ＲｏｂｏＣｕｐ。

ＦＩＲＡ的全称是Ｆｅｄｅｒａｔｉｏｎ^ｏｆＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌＲｏｂｏｔ．ＳｏｃｃｅｒＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，即国际机器人足球联合组织。ＦＩＲＡ机器人足球比赛最早由韩国高等技术研究院（ＫｏｒｅａＡｄｖａｎｃｅｄ ^{Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ}

ｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＫＡＩＳＴ）的金钟焕（Ｊｏｎｇ—ＨｗａｎＫｉｍ）教授于１９９５年提出，

并于１９９６年在韩国举办了第一届国际比赛。ＦＩＲＡ于１９９７年６月第二届机器人足球比

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第一章绪论

赛期间成立，总部设在ＫＡＩＳＴ。从此ＦＩＲＡ每年都在全球范围内举行一次机器人足球世界杯比赛（ＦＩＲＡＲｏｂｏｔ．ＳｏｃｃｅｒＷｏｒｌｄＣｕｐ）。ＦＩＲＡ通过在澳大利亚、巴西、中国、法国、

韩国等许多国家进行比赛，使足球机器人相关技术取得了长足的进步，ＦＩＲＡ世界杯比

赛已经成为一个世界瞩目的机器人节日。

ＦＩＲＡ的比赛种类如表１．１所示：

表１．１ＦＩＲＡ的比赛种类

比赛种类比赛名称

１半自主型机器人足球：ＭｉｒｏＳｏｔ

２全自主型机器人足球：ＲｏｂｏＳｏｔ

３仿真机器人足球：ＳｉｍｕｒｏＳｏｔ

４超小型半自主机器人足球：ＮａｒｏＳｏｔ

５超小型全自主机器人足球：ＫｈｅｐｅｒａＳｏｔ

６类人机器人足球：ＨｕｒｏＳｏｔ

ＲｏｂｏＣｕｐ的全称是ｎｌｅ^{Ｒｏｂｏｔ}ＷｏｒｌｄＣｕｐＩｎｉｔｉａｔｉｖｅ，即机器人世界杯足球锦标赛，

以ＭＡＳ（Ｍｕｌｔｉ－ＡｇｅｎｔＳｙｓｔｅｍ，多智能体系统）和ＤＡＩ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，

分布式人工智能）为主要研究背景。１９９６年，ＲｏｂｏＣｕｐ国际联合会成立，并每年举行一次比赛。ＲｏｂｏＣｕｐ的主要目的是促进分布式人工智能与机器人学及相关领域的发展。它通过提供一个标准问题，使得研究人员参与相关技术研究，从而有效促进人工智能和智能机器人的发展。ＲｏｂｏＣｕｐ比赛的最终目标是：到２０５０年，使用一个由全自主类人足球机器人组成的足球队战胜最近一次的人类足球世界杯冠军队伍。毫无疑问，这一目标是未来几十年对机器人学和人工智能领域的巨大挑战。虽然这个

目标现在看来有些难以实现，但是提出和努力实现这个目标是非常重要的。

目前ＲｏｂｏＣｕｐ的活动包括有：技术会议、机器人比赛、挑战计划、教育计划、

基础发展等，而机器人比赛是所有赛事活动的核心。目前ＲｏｂｏＣｕｐ包括的机器人比赛的类型如表１．２所示：

２

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表１．２ＲｏｂｏＣｕｐ机器人比赛类型

比赛类型比赛名称

仿真组（Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ^{Ｌｅａｇｕｅ）}

小型组（ＳｍａｌｌＳｉｚｅＲｏｂｏｔＬｅａｇｕｅ）

足球比赛中型组（Ｍｉｄｄｌｅ ^Ｓｉ^ｚｅ ^{Ｒｏｂｏｔ} Ｌｅａｇｕｅ）

（ＲｏｂｏＣｕｐＳｏｃｃｅｒ）

四腿组（ＳｏｎｙＬｅｇｇｅｄＲｏｂｏｔＬｅａｇｕｅ）

类人组（Ｈｕｍａｎｏｉ^ｄＬｅａｇｕｅ）

营救比赛仿真组（Ｒｅｓｃｕｅ ^{Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ} Ｌｅａｇｕｅ）

（ＲｏｂｏＣｕｐ ^Ｒｅｓｃｕｅ）

机器组（Ｒｅｓｃｕｅ ^{Ｒｏｂｏｔ} Ｌｅａｇｕｅ）

青少年比赛足球机器人（Ｓｏｃｃｅｒ ^Ｃｈａｌ^ｌｅｎｇｅ）

（ＲｏｂｏＣｕｐＪｕｎｉｏｒ）舞蹈机器人（Ｄａｎｃｅ ^Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ）

近年来，ＲｏｂｏＣｕｐ比赛以其独特的魅力，已成为各类国际机器人竞赛中最具水平和影响力的赛事之一。每年的ＲｏｂｏＣｕｐ比赛中都会出现许多世界名校参赛队的身影，例如中国的清华大学，美国的斯坦福大学，日本的名古屋大学等等。

１．２．２国内发展状况

１９９７年，中国人工智能学会下属ＦＩＲＡ中国分会在哈尔滨工业大学成立，国内第一支机器人足球队也应运而生。到２０１０年，在ＦＩＲＡ中国分会的组织下，共举办了十届全国机器人足球锦标赛，极大地促进了中国足球机器人的发展。

我国最早开始研究足球机器人的是东北大学，并在ＦＩＲＡ第四届机器人足球世界杯上获得了金牌零的突破。清华大学在２００１年至２００３年国际ＲｏｂｏＣｕｐ比赛中连续夺得仿真组两次冠军和一次亚军，中国科技大学的蓝鹰队近年来也在仿真组中取得了骄人的成绩。２００５年，参加中国机器人大赛的ＲｏｂｏＣｕｐ中型组队伍有２１支。在ＲｏｂｏＣｕｐ^２００７比赛中，来自中国的参赛队在多项比赛中取得了优异成绩【７】。

２０１０年６月，第１４届ＲｏｂｏＣｕｐ机器人世界杯在新加坡举行，参赛规模创历史之最，吸引了来自４０多个国家，５００多支代表队的参加。中国共有５０支代表队参加了足球组、救援组和加重组以及青少年组等所有级别的比赛。在成人组的比赛中，中国队拿到了三个冠军，一个亚军和三个季军。这其中就包括北京信息科技大学获得中型组足球机器人冠军，南京邮电大学获得３Ｄ仿真足球机器人组的冠军，东南大学则获得救援组

３

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第一章绪论

仿真机器人组的冠军。在青少组的比赛中，中国队在超级机器人舞蹈大赛小学组和中学组的比赛中，夺得冠亚军。

从历届ＦＩＲＡ和ＲｏｂｏＣｕｐ的比赛来看，中国在机器人足球比赛中的参与度越来越高，参赛水平逐年提升，取得了越来越好的成绩。由此可见，国内足球机器人的制造和研究水平有很大的提高，足球机器人的关注度逐年上升，国内与足球机器人相关的科学和技术也呈加速发展之势。

１．３课题研究的意义

机器人足球系统（Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ^{Ｓｏｃｃｅｒ} Ｓｙｓｔｅｍ，简称ＲＳＳ）是一个典型的开放式、分布式、动态的、实时的多机器人系统，它由视觉、通信、足球机器人和主机等组成，

涉及机器人视觉技术、传感器融合技术、智能控制技术、无线电通讯技术、知识处理技术、计算机软／硬件集成技术、机电一体化技术、人机接口技术、人工生命与遗传学等技术，它是这些关键技术的集成［３１。因此，ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人是融合多学科技术、涉及众多领域知识的智能机器人，对ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人展开研究具有重要意义。

首先，机器人足球比赛与学术研究的巧妙结合激发了青年学生的强烈兴趣，通过ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人足球比赛培养了青年学生严谨的科学研究态度和良好的技能。机器人足球赛的举行有利于我国相关人员对机器人学、ＡＩ（ＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，人工智能）以及相关领域的共同合作研究；有利于提高我国青年学生对科学技术的兴趣，

开拓青少年的视野和智力，发掘和培养优秀的人才。

其次，训练和制造机器人进行足球赛，是当前人工智能和机器人领域的研究热点之一。足球机器人研究需要解决的问题同时也是人工智能和机器人学需要解决的问题，例如：机器人的结构设计、多机器人的协作、多机器人体系结构设计、多机器人间的通信以及机器人决策系统的路径规划、逻辑推理、信息获取、学习等。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、基于网络的三维图形交互、传感器技术等［４１。因此，ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人为相关理论的研究提供一个十分契合的综合研究平台，具有重要的实际意义。

最后，就本论文研究而言，通信网络系统是机器人足球比赛中非常重要的部分，具有较好的通信信息处理策略以及可靠的通讯手段，机器人足球比赛才会有更好的发展。

４

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在机器人足球比赛中，机器人通信系统的可靠性、准确性直接决定了机器人是否能够及时准确地接收到比赛命令，对机器人的赛场表现有重要影响。对机器人通信网络系统进行研究，对于提高机器人的参赛水平、提高机器人科技含量有重要意义。

１．４ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人比赛系统介绍

ＲｏｂｏＣｕｐｑｂ型组机器人比赛是ＲｏｂｏＣｕｐ机器人足球世界杯赛的主要项目之一，自１９９７年第一届ＲｏｂｏＣｕｐ比赛开始即是正式比赛项目，ＲｏｂｏＣｕｐ＠型组机器人代表了ＲｏｂｏＣｕｐ机器人的最高水平，根据Ｒｏｂ０Ｃｕｐ中型组机器人比赛规则的要求【５】：

（１）每个机器人外形在地板上投影须符合下列尺寸：最ｄｘ３０ｃｍ^Ｘ３０ｃｍ，最大５２ｃｍ

×５２ｃｍ，每个机器人必须拥有各自的配置和执行装置，这些配置和执行装置必须符合ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人比赛规则的规定。

（２）中型组机器人比赛时使用的无线通信设备必须符合ＩＥＥＥ８０２．１ｌａ或者ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ标准。

（３）ＲｏｂｏＣｕｐ＠型组机器人比赛使用的足球是ＦＩＦＡ标准５号足球。

（４）比赛在两个球队之间进行。

（５）在上场机器人数量方面，规定每个球队同时上场的机器人不超过５个，其中１个是守门员。

（６）所有参赛队都必须使用由组委会提供的裁判盒，因为比赛的裁判命令将从裁判盒发出。而且裁判盒发出的命令通过有线网络发送给参赛队的远端控制机，参赛队有责任将这些指令重新发送给场上机器人。

（７）在ＲｏｂｏＣｕｐ＠型组比赛中，一场比赛分为上下两个半场，每个半场比赛时间为１５分钟。

（８）２０１０中国机器人大赛暨ＲｏｂｏＣｕｐ中国公开赛中型组比赛的场地大小为１８ｍｘｌ２ｍ，具体尺寸如图１．１所示。

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第一章绪论

图１．１２０ｌｏ，国机器人大赛暨ＲｏｂｏＣｕｐ中国公开赛中型组比赛的场地尺寸１５Ｉ１．５ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人系统组成与原理

ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人系统由机器人本体、视觉子系统、决策子系统、通信子系统等四部分组成。

在机器人运行过程中，每个足球机器人通过无线网络与场外教练机进行通讯，获取控制信息和其他机器人的信息。机器人在获取这些信息的同时，上位机不断地通过全景摄像机采集外部环境信息，这些信息通过图像采集卡传入计算机中，系统利用相关软件程序对这些信息进行实时分析。经过分析后，计算机通过执行相应的决策程序作出相应的判断，这些决策信息将与其他决策判断（如来自教练机的信息）进行再次融合决策。

最终决策信息通过相应的通信端１２１传送给机器人的运动控制卡，控制机器人的电机驱动器，使机器人做出相应的动作。其原理如图１・２所示。

ｌ

^比赛指令

ｌ

^{外部环境信息}

◆ ◆

ｌ

^无线网卡

^ｌ

^{全景摄像机}

。

◆ ◆

ｌ专望焘赢字Ｈ图像采集卡

◆

Ｉ专挈（中间层）仑譬霍ｌ机构（下位机）

图ｌ－２机器人运行原理图

６

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１．５．１机器人本体

机器人本体的结构在比赛过程中起着执行动作的作用，是机器人比赛的基础，其系统的稳定性与灵活性将对比赛的结果产生重要的影响。本论文所研究的ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人的结构从上至下可分为全景摄像机、笔记本电脑、中间层运动控制系统部分、

下层运动执行部分等。各部分间用定位支撑柱连接固定，全景摄像机使用全景架固定。

从外观上看，除全景摄像机和笔记本外，机器人使用金属外罩将机器人中间层和下层包在一起。机器人结构图如图１．３所示。

图１－３ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人结构图

机器人子系统的三层结构组成为：上层面板上安装有笔记本电脑、全景摄像机、无线网卡等。笔记本电脑可通过推拉装置拉出操作使用，上层板安装在中间层的四个支撑柱上。中间层为控制系统，包括运动控制卡、电源管理模块、转接板、接口及指示灯面板、急停开关等。中间层安装在底层的四个支撑柱上。底层行走机构包含动力系统，装有电机、驱动器和电池、并安装有踢球盘球装置等。

１．５．２视觉子系统

ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人视觉子系统是机器人的“眼睛”，它由全景反射镜、摄像机、

图像采集卡等硬件设备以及图像处理程序等软件组成。全景反射镜安装在全景架上，离地面约８０ｃｍ，能够获得机器人周围的环境的影像。摄像机则安装在全景反射镜的正下方，用以获取全景反射镜反射的环境信息，并把连续的视频图像传递给图像采集卡。图像采集卡连接在笔记本电脑上，它把收到的视频图像数字化并传递给相应的图像处理程序。图像处理程序对获得的图像信息进行处理，把得出的机器人环境信息提供给决策子

７

(20)

第一章绪论

系统。

１．５．３决策子系统

对于ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人而言，决策子系统是机器人的“大脑”，它是机器人的所有动作的决策者和发起者。决策子系统一般由决策模型和行为控制两个部分组成。它根据辨识数据安排己方的策略，决定是进攻还是防守，同时确定出机器人队形及其角色分配。机器人的策略存在于自己的策略库中，根据比赛情况和经验进行提取，各种智能算法如人工智能、神经网络、遗传算法、蚁群算法等都可以应用到策略编程中。

１．５．４通信子系统

根据ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人比赛规则，比赛过程中场上机器人采用无线方式与教练机进行通信；裁判盒与教练机通过有线连接进行通信；所有通信均通过官方提供的路

由器所建立的局域网实现。

本论文研究的ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信子系统功能模块图如图１．４所示。

ｌ

^{通信客户端} ^{通信服务端}

ＩＩ

Ｉ

机器人系统的通信子系统

ｌ

通信信息输出通信信息交流

图ｌ－４通信子系统功能模块图

１．６ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人系统研究的关键问题

ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人比赛是一项高水平的科技竞赛，机器人之间的比赛竞争凝聚了众多领域的知识，不仅包括机器人学、人工智能、智能控制，而且涉及图像处理、无线通信、路径规划等。ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人比赛要求机器人系统具有优秀的图像处理算法、快速的信息处理速度、良好的决策能力、可靠的通信系统以及良好的机械性能。

因此，ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人系统研究的关键技术包括以下方面：

（１）视觉信息处理。ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人的视觉系统主要采用全景摄像机来获取机器人周围的环境信息，因此全景视觉信息处理的优劣对机器人水平的发挥有重要影响。

８

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◆图像采集

ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人图像采集能力越强，则其所获得的外部环境信息越完整、全面，机器人对于比赛环境的判断也就越准确。从２０１０年ＲｏｂｏＣｕｐ中型组比赛各参赛队

的机器人视觉系统设计来看，所有参赛队都采用了全景视觉来作为唯一或主要的环境信息获取手段。全景视觉可以观察到机器人周围３６０。的环境，相对于局部视觉有明显的优势。通常获取全景视觉的全景装置是由全景反射镜、全景架和摄像机组成，反射镜装于摄像机镜头的上方起反射作用。全景反射镜会带来图像畸变，影响机器人图像采集的精度，因此，设计全景反射镜的形状使图像畸变降到最小是图像采集的关键技术。

◆图像处理

图像处理的方法和速度对于机器人的图像识别和提升机器人系统的实时性有重要作用。图像处理的办法通常包括图像预处理和图像分割，预处理的方法有去噪、滤波、

畸变校正及增强处理等。近年来，图像处理的速度越来越快，比如利用ＤＳＰ芯片对图像进行处理的研究也已经大规模的展开。

令图像识别

良好的图像识别算法则使机器人能够准确判断周围环境信息，有助于机器人做出正确的决策。从２０１０年ＲｏｂｏＣｕｐ中型组比赛各参赛队来看，大部分参赛队伍在比赛过程中采用颜色识别信息来作为特征提取的来源，小部分队伍使用图像信息中物体的形状、

纹理和边缘来进行图像的特征提取。在２０１０年ＲｏｂｏＣｕｐ中型组比赛必选动作挑战赛中，

国防科技大学机器人成功展示了其能够使用任意颜色足球进行比赛的能力。可以认为，

机器人使用何种图像识别算法，从图像中获取更多的信息是ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人视觉系统研究的关键技术。

（２）决策。在比赛过程中，机器人综合各方面信息后最终进入决策系统进行分析和判断，此时，良好的决策算法能够指导机器人做出相对正确的行为，有利于提高本方队伍的比赛竞争力。

令自动角色分配

机器人自动角色分配是指场上足球机器人在比赛的过程中，由于比赛态势的变化，

处于场内不同位置的机器人能够进行角色转换的策略。在瞬息万变的比赛对抗中，如果能够合理地进行机器人的角色分配，将大大提高机器人的灵活性和对动态比赛环境的反

９

(22)

第一章绪论

应速度。机器人比赛过程中的角色分配可以利用机器人的位置信息和球的位置信息来进行综合分析判断，作出及时的反应。

令多机器人协作

多机器人协作是指多个机器人通过各自的动作执行，共同合作完成一个目标任务。

目前，在ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人比赛过程中多机器人协作还很少出现，但它却是许多参赛队一直以来的研究重点之一，如果能够实现多机器人协作，将大大提高机器人参赛

队伍的实力。

令路径规划

当机器人需要运动到足球比赛场地上的另一位置，又要尽量避免与其他机器人产生碰撞时，就需要进行路径规划。ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人在复杂变化的环境下进行路径规划一直是机器人比赛策略的研究热点之一。近年来，已经有许多学者提出了多种路径规划的方法，主要有人工势场法和人工智能法。其中，人工智能法主要是指蚁群算法、遗传算法、粒子群算法等进化算法。

（３）通信网络系统。机器人通信网络系统是机器人与机器人之间联系的桥梁，也是机器人接收教练机命令的“信使＂，在ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人比赛中起着无可替代的作用。ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人比赛中，所有比赛通信都通过一个场边路由器来实现。在网络连接上，裁判盒与两队教练机都与比赛路由器用有线方式连接，而所有比赛机器人均通过无线方式进行通信。因此，足球机器人系统通信技术十分重要，具有可靠的网络通信系统，各参赛队才能更好地发挥出机器人的技术水平。

◆可靠性和抗干扰能力

机器人通信传输的可靠性和抗干扰能力是机器人研究的关键技术。只有保证机器人通信系统的高可靠性和强抗干扰能力，才能减少比赛过程中发生的丢包次数、降低数据传输的错误率，使机器人能够及时准确地收到比赛指令和相关信息。在ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人比赛过程中，如果机器人收不到来自裁判盒的比赛指令，将无法进行正常的比赛，而且根据ＲｏｂｏＣｕｐ中型组比赛规则，机器人将被强制拖离比赛场地。从最近一届比赛上看，许多参赛队机器人网络通信的可靠性仍然不高，在比赛过程中有些队伍常常出现丢包现象，甚至由于通信技术不佳导致参赛队伍整个通信网络瘫痪，严重影响了机器人的参赛水平。因此，优化设计机器人的通信硬件，合理设置机器人的通信设备参数，

１０

(23)

使机器人通信系统具有高可靠性和强抗干扰能力显得十分重要。

◆教练机网络控制系统

ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人比赛中的教练机即网络控制端，是ＲｏｂｏＣｕｐ中型组比赛中连接机器人与裁判盒的重要枢纽。为使参赛队机器人能够正常进行比赛，教练机必须具备的最基本的功能是给己方机器人发送比赛指令的功能。此外，各参赛队伍可以在ＲｏｂｏＣｕｐ中型组比赛规则允许范围内自由设计教练机的功能。从２０１０年ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人比赛来看，各参赛队伍的教练机都各自具备一些十分实用的功能，这些功能包括：显示场上机器人的系统运行状况、显示场上机器人的通信状况、显示场上机器人所获取的环境信息以及能够对场上机器人所获取的信息进行融合决策等。因此，如何合理设计教练机的功能，使其发挥出独特的作用是目前研究的关键技术之一。

夺机器人通信子系统 ^’

机器人通信子系统承担着机器人通信的重要任务，不仅需要接收和发送信息，还需要对接收的信息进行预处理以提供给决策系统参考使用，它是机器人对外联系的通道。

机器人通信子系统的功能研究与设计也是目前研究的关键技术之一。

１．７论文的研究内容和结构安排

本论文将研究基于ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人的通信网络系统包括网络控制端（教练机）系统分析和程序设计与机器人通信子系统分析和程序设计。本文以ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人为实验平台，并对所研究的相关理论进行实验验证。

本论文主要分为以下章节内容：

（１）绪论

本章引出课题研究的背景，论述了机器人足球的国内外发展状况及趋势；阐述课题研究的对象、目的及意义；对ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人竞赛的相关知识作简要介绍。然后阐述ＲｏｂｏＣｕｐ机器人系统的组成和原理，说明ＲｏｂｏＣｕｐ机器人的各个系统作用和功能，分析了ＲｏｂｏＣｕｐ机器人系统研究的关键技术；最后说明本论文研究内容和结构安排。

（２）ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人的通信网络系统体系结构

本章首先简要介绍ＯＳＩ参考模型、ＯＳＩ传输层协议ＴＣＰ和ＵＤＰ，再介绍无线局域网及其协议。然后，综合ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人比赛规则，画出ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器

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第一章绪论

人的通信网络系统结构图，并说明其中的关键问题。最后，分析机器人通信网络系统干扰的来源，并进行相应的抗干扰分析。

（３）ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统功能分析

本章详细叙述足球机器人通信网络系统原理和功能、系统组成以及系统功能模型。

功能包括：机器人间信息共享、相互间的通信、现场比赛情况的实时监控（教练机界面上的显示、足球位置、机器人位置、机器人比赛状态、软硬件运行情况）。除此之外，

还包括所有基本设置功能。

（４）ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统功能设计

本章针对第四章中总结的功能框架模型，分析机器人通信网络系统的功能实现方法，设计教练机和机器人通信子系统的各功能。画出相应的数据流程图和相应功能的程序流程图。

（５）ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统设计

本章根据第五章的功能设计，画出通信网络系统各个部分的整体流程图和整体结构图，设计整个通信网络系统。利用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ ^{Ｖｉｓｕａｌ} Ｃ＋＋．ＮＥＴ软件编写通信网络系统的程序。

（６）ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统实验验证

本章主要内容有：对所编写的通信网络系统程序进行实验，验证通信网络系统的可靠性、有效性、准确性。实验内容包括：验证机器人比赛模式下通信网络系统的各个功

能；验证机器入训练模式下通信网络系统的各个功能。

（７）总结与展望

本章主要内容有：对整个研究工作进行归纳和总结；联系实际结果，分析它的学术意义和应用价值；指出在本论文研究中尚存在的问题，对进一步开展研究工作提出相应

的见解与建议。

１２

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第二章ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统体系结构

２．１引言

ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统是机器人系统的重要组成部分。在ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人的比赛过程中，通信网络系统起着接收和发送比赛指令、传递机器人比赛状态信息等作用。裁判盒通过局域网把各种比赛命令通过有线方式传给教练机，教练机再把接收到的裁判盒命令或自身的决策信息通过无线路由器发给场上的足球机器人，保证比赛的顺利进行。

ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统的可靠性以及数据传输的准确性对机器人足球比赛的成绩有重要影响。如果场上机器人无法收到来自教练机或其他机器人发送的比赛信息，则机器人将失去控制，无法继续进行比赛。

ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人的通信系统具有如下特点：

１）在每一个比赛场地上，主办方需要提供的设备包括：两个无线路由器（分别支持８０２．１１ａ和８０２．１１ｂ标准，或每个设备同时支持两种通迅标准）；一台计算机用于运行裁判盒程序；一台计算机用于运行网络监控程序；两台用于远端控制计算机（教练机）显示的ＬＣＤ显示器【５１。

２）在比赛过程中，机器人之间、机器人与远端控制计算机（教练机）系统可以在无人干预下进行通讯。机器人可以接收来自教练机的信息（这些信息必须是机器人获得的），教练机还可以对来自机器人的信息进行数据融合【５１。

３）机器人之间和机器人与远端计算机之间的通讯，都必须通过所在场地的无线路由器（ＡｃｃｅｓｓＰｏｉｎｔｓ）（选择８０２．１ｌａ．＠者８０２．１１ｂ中的一种方式进行），无线路由器由组委会提供，使用点对点方式（ａｄｈｏｅ方式）的通讯是绝对禁止的【５１。

４）参赛队可以使用单播（ｕｎｉｃａｓｔ）或者多播（ｍｕｌｔｉｃａｓｔ）的通讯方式，禁止使用广播（ｂｒｏａｄｃａｓｔ）的通讯方式。

５）裁判盒、教练机、网络监控计算机都通过有线方式连接网络，各队场上机器人使用无线方式连接网络。

２．２网络通信的基本原理

２．２．１ＯＳＩ参考模型【６】和传输层协议

（１）ＯＳＩ参考模型

１３

(26)

ＯＳＩ（ＯｐｅｎＳｙｓｔｅｍＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）开放式系统互连参考模型，是建立计算机之间互连所需功能层次的全球标准。

ＯＳＩ模型把通信会话中需要进行的各个处理分成七个不同的功能层次。第１～３层提供物理访问，而第４￣７层专用于支持端到端的通信，如图２．１所示。

图２－１ＩＳＯ／ＯＳＩ七层协议架构图

ＯＳＩ的分层结构使得各层之间相对独立，每一层不仅有各自与通信任务相关的功能，

而且在需要调整时不会影响其他层的正常功能。

人们通常把ＯＳＩ七层架构中的１￣４层分为一部分，５～７层分为另一部分。分别为

（ｔｒａｎｓｐｏｒｔ^{ｓｅｒｖｉｃｅ} ｐｌａｔｆｏｒｍ）传输服务平台和（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ^{ｓｅｒｖｉｃｅ}ｐｌａｔｆｏｒｍ）应用服务平台。前者的作用在于使数据在系统之间准确地传输，而后者用于给用户提供已编译的数据流。

（２）ＴＣＰ协议

ＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ^{Ｃｏｎｔｒｏｌ}Ｐｒｏｔｏｃ０１）传输控制协议，提供可靠的、面向连接的运输层（Ｔｒａｎｓｐｏｒｔｌａｙｅｒ）通信协议，其传输数据过程可以分为建立逻辑连接、传输数据、释放连接三部分。ＴＣＰ完成传输层中所指定的功能。

ＴＣＰ层是位于应用层与口层之间的运输层。由于Ｐ层只提供不可靠的包交换，而不提供可靠的连接，因此难以满足不同主机应用层之间的需求。在传输过程中，ＴＣＰ的通信方式是全双工形式的端到端通信，能够提供数据包的准确传输，且能够检验数据是否有误。

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ＴＣＰ是面向连接的，一般需要交换数据且使用ＴＣＰ的两个应用都需要先建立一个ＴＣＰ连接，且仅有两方在此通信连接中，因此ＴＣＰ无法使用广播和多播进行通信。

（３）ＵＤＰ协议

用户数据报协议ＵＤＰ的全称是ＵｓｅｒＤａｔａｇｒａｍＰｒｏｔｏｃｏｌ，是一种无连接的传输层协议，提供简单不可靠面向事务的信息传送服务。ＵＤＰ处于传输层，位于应用层和ＩＰ层之间，用来支持相关传输数据的网络应用。它具有如下特点：

４－ＵＤＰ无法保证数据报文的安全完整到达。

４－ＵＤＰ协议常用于客户／服务器模式的网络应用中。

◇ＵＤＰ协议的主要作用是将网络数据流量压缩成数据报的形式。

２．２．２无线局域网ＷＬＡＮ

在机器人比赛过程中，短距离通信发挥着至关重要的作用，选择何种通信方式对机器人水平的发挥有重要影响。近年来，无线通信技术的发展十分迅速，短距离无线通信技术也得到广泛的发展和应用。由于ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人比赛的实际比赛情况，

ＲｏｂｏＣｕｐ中型组比赛规则规定采用无线局域网组成比赛通信网络，且使用８０２．１１ａ和８０２．１１ｂ两种通讯标准进行通信。

（１）无线局域网简介

无线局域网ＷＬＡＮ是指计算机在该网络的通信过程中无需线缆等介质，它发送和接收数据是通过空气中的电磁波传递的。它与有线网络的最大区别在于信息传输媒介为无线电波而不是线缆，就功能应用上看，无线局域网与有线局域网的作用非常相似。

无线局域网的数据传输系统十分灵巧，它采用无线射频技术越空进行数据的收发，设备在无线网络信号覆盖的区域内都可接入网络，因此可以让相关通信设备自由移动，能有效解决某些场合有线网络不易实现的问题。

无线局域网具有可移动性、低成本、高可靠性、高工作效率的优点。近年来，

无线网络的传输速度越来越快，安全性能逐渐提高，其应用范围也越来越广泛。

（２）无线局域网协议

无线局域网协议主要有ＩＥＥＥ８０２．１１系列标准和ＨｉｐｅｒＬＡＮ标准。其中最主要的协议标准包括ＩＥＥＥ^{８０２．１}１协议、蓝牙标准和ＨｏｍｅＲＦ工业标准等。这些标准分

１５

(28)

别适用于不同的场合。由于ＲｏｂｏＣｕｐ中型组比赛时使用的是８０２．１１ａ和８０２．１１ｂ两种通讯标准，因此这里主要对ＩＥＥＥ ^{８０２．１}１标准做简要介绍。

◆ＩＥＥＥ８０２．１１标准

无线局域网刚出现时，由于无线网络传输速率较低、成本较高，且缺乏统一的标准使得各厂商的设备缺乏兼容性，导致无线局域网市场的发展并不迅速。１９９７年，ＩＥＥＥ８０２．１１无线网络标准颁布，这对无线局域网的发展具有十分重要的意义。

ＩＥＥＥ８０２．１１标准是第一代无线局域网标准之一，它定义物理层和媒体访问控制规范，规定无线局域网工作频率为２．４ＧＨｚ，使用直接序列扩频和跳频方式进行数据传输，其最高速率可达２Ｍｂｉｔ／ｓ。

ＩＥＥＥ８０２．１１标准的逻辑结构如图２．２所示。

ＬＬＣ

ＭＡＣ

跳频直序扩频红外线

ＰＨＹＰＨＹＰＨＹ

图２－２ＩＥＥＥ８０２．１１逻辑结构图冷ＩＥＥＥ８０２．１１ａ标准

ＩＥＥＥ８０２．１１标准对无线局域网的发展起了十分重要的促进作用，但是由于其在速率上（只有２Ｍｂｐｓ）和传输距离上难以满足一些用户的需要，如视频传输等。因此，１９９９年８月ＩＥＥＥ在ＩＥＥＥ８０２．１１标准上增强了物理层的功能，推出了８０２．１１ｂ和８０２．１１ａ两个新标准。８０２．１１ａ标准支持的最高速率为５４Ｍｂｐｓ，８０２．１１ｂ标准支持

的最高速率为１１Ｍｂｐｓ，且８０２．１１ａ工作在５ＧＨｚ的频带。

由于工作频率较高，ＩＥＥＥ８０２．１ｌａ的性能得到了改进，但也由此导致信号在空间传播时损耗较大，发射信号的距离较短。为了克服这一问题，ＩＥＥＥ８０２．１１ａ设计了新的物理层编码技术ＣＯＦＤＭ，使得ＩＥＥＥ８０２．１１ａ的性能得到了大大的提高。

◆ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ标准

ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ标准是ＩＥＥＥ８０２．１ｌ标准除ＩＥＥＥ８０２．１１ａ标准外的另一个扩充。它采用补偿编码键控（ＣＣＫ）的调制方法，可以实现动态速率的转换，这是ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ的关键技术之一。补偿编码键控（ＣＣＫ）来源于直接序列扩频技术，当工作站之间的距离过大或信噪比低于某个限制值时，多速率机制的媒体接入控制（ＭＡＣ）可

１６

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以使传输速率从１１Ｍｂｐｓ自动降低至５．５Ｍｂｐｓ，或者再根据直接序列扩频技术调整到２Ｍｂｐｓ和１Ｍｂｐｓｔ引。ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ协议相对于ＩＥＥＥ８０２．１１的变化主要在于物理层上的改进，增加了高速数字传输的特性，并提高了连接的稳定性。

ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ规定采用２．４ＧＨｚＩＳＭ频带。在室外，ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ的覆盖范围为３００ｍ：在室内，最多为１００ｍ。ＩＥＥＥＳ０２．１１ｂ的应用十分广泛，例如在许多办公、

休闲和公共场所等都得到了应用，给人们的工作生活带来了极大的方便。

２．３ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统的结构

根据网络通信的基本原理以及ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人比赛规则的要求，ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统可以用图２．３、图２．４表示。

ＩＥＥＥ８０２１１ａ

ＩＥＥＥ

：８０２．１１ｂ

图２－３ＲｏｂｏＣ叩中型组比赛通信网络系统示意图１５ｌ

１７

(30)

教练机Ａ应用层传输层网络层网络接口层

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图２－４ＲｏｂｏＣｕｐ中型组比赛通信网络系统体系结构图

根据ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人比赛规则的要求，对图２．３和图２－４作出如下说明：

（１）参赛双方与同一个路由器相连。

（２）参赛双方相互间没有通信。

（３）参赛队一方的所有通信（机器人之间、机器人与教练机的通信）都必须通过路由器进行。

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根据ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统的体系结构可知，场上机器人要有良好的比赛表现，需要解决的关键问题有：

（１）ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统的可靠性。

（２）ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统的抗干扰能力。

（３）教练机系统的功能分析和设计。

（４）ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信子系统的功能分析和设计。

其中问题ｌ在本章２．４节中分析，其余问题将在后面章节中逐一分析。

２．４ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统干扰分析

２．４．１无线电信号的干扰州

由于无线通信网络是通过空气中的电磁波传输数据，因此空气中其他无线发射系统发射的电磁波和大气中的噪声都可能对参赛队的无线网络数据传输产生干扰。除此之外，参赛队无线发射系统发出的电磁波也将在一定范围内对其他无线网络和设备产生干扰。无线网络的干扰根据其成因可以分为两大类：向内干扰和向外干扰。

（１）向内干扰

向内干扰指的是空气中其他无线发射系统和大气中的噪声以及通信系统内部对己方通信系统的干扰，主要分为两个方面：来自外部的干扰和来自内部的干扰。

来自外部的干扰即其他无线发射系统和大气噪声对己方无线通信网络所造成的干扰，如频道相同或相近的无线发射系统发出的电磁波干扰或者其他谐波干扰。例如，对于使用ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ标准的无线通信设备而言，由于其设备与微波炉的工作频段都是

２．４ＧＨｚＩＳＭ频段，且后者的功率远大于前者，因此当微波炉工作时，它将大大影响工

作在附近的无线局域网的正常使用，造成数据传输速率降低、信号传输数据丢失等现象，

使无线通信网络性能变得十分差。除此之外，企业与家庭广泛使用的无绳电话也工作在２．４ＧＨｚ频段，当电话正在使用时，将严重地影响附近工作的无线局域网性能。来自外

部的干扰还包括蓝牙设备、手持终端、无线摄像机、ｚｉｇｂｅｅ设备等。

来自内部的干扰是指由于接入点的位置不合理或是软件参数配置不正确所带来的干扰。比如己方无线通信网络与相邻的其他无线局域网有重叠的覆盖范围，其他ＡＰ就

可能会对己方ＡＰ造成干扰，影响己方无线通信网络的性能。

（２）向外干扰

向外干扰是指己方无线通信网对其他无线电系统造成的干扰。例如当其他无线通信

１９

(32)

系统与己方无线通信网工作在相同频段且距离较近时，就会造成干扰。

（３）抗干扰措施

由于使用了直接序列扩频（ＤＳＳＳ）或者条频（ＦＨＳＳ）技术，使得无线局域网具备一定的抗干扰能力。信号的工作频率从窄带扩展到一个很宽的频带称为扩频。由于通常的窄带干扰只能影响扩频信号传输带的一部分，而接收方则可通过解扩频将有用的信号恢复，并将干扰信号进行扩频，从而达到抗干扰的目的。

无线局域网可以采用直接序列扩频技术将相应的频宽分成不同的信道，例如将２．４ＧＨｚ的频宽分成１４个信道，每个信道的间隔为５ＭＨｚ，带宽为２２ＭＨｚ。在使用无线局域网时，可以调整相邻的无线局域网使用的信道，使他们工作在不互相覆盖的信道上，

则可以减少通信传输时的相互干扰。

２．４．２ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统干扰与抗干扰

在比赛过程中，ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信受到的干扰主要是无线局域网通信部分，包括以下两个方面：

（１）外部环境的噪声干扰。在比赛场地的空气中，有电磁波噪声、无线通讯设备产生的无线通讯噪声、无线广播噪声、蓝牙设备噪声、Ｚｉｇｂｅｅ设备噪声等。这些噪声都会对机器人的无线通信信号产生影响，干扰机器人对比赛命令的接收，使机器人不能正确执行自己的行为，甚至使机器人瘫痪而无法继续进行比赛。

（２）其他无线通信网络系统的干扰。通常，ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人比赛的几个场地是相邻的，当不同队伍机器人比赛在几个场地上同时进行时，邻近场地上工作在同一频带的无线通信网络系统存在相互干扰的问题，降低了局域网的通信速率和质量。

针对ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信受到的干扰因素，结合比赛实际情况，无线通信采用８０２．１ｌａ和８０２．１１ｂ标准协议，参赛队伍可以通过下列措施来减少通信干扰：

（１）由于ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人的比赛场地周围也有许多需要使用无线局域网的其他类型的比赛，为避免相邻无线局域网的相互干扰，应该对无线局域网的信道进行调整，

使他们分别工作在不同的信道上，从而减少相应的干扰。

（２）在比赛场地的环境中，可能存在其他无线设备发射的电磁波，将对比赛用无线通信系统产生干扰。因此，在比赛场地周围，应该尽量避免使用微波炉、无绳电话、蓝牙设备、Ｚｉｇｂｅｅ设备等，从而减少干扰。

２０

(33)

在ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人比赛过程中，通信是无时无刻不存在的，通信技术与方法的选择对机器人的竞技水平有重要影响。本章首先介绍ＲｏｂｏＣｕｐ中型组比赛规则中有关通信的规定，然后介绍了ＯＳＩ模型及其传输层协议ＴＣＰ和ＵＤＰ，再简要介绍几种常用的无线通信方式，着重说明了机器人比赛中使用的无线局域网协议，最后对ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人在比赛过程中通信网络系统所受到的干扰和噪声来源进行了分析，并提出相应的抗干扰措施。

２１

该害犬海

该害犬海

工程硕士学位论文

ＲｏｂｏＣｕｐ中型组机器人通信网络系统设计研究

Ｍｉｄｄｌｅ・－Ｓｉｚｅ

论文独创性声明

论文作者虢券书 沙庠妇Ｅｔ

论文知识产权权属声明

论文作者签名：关赫多

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