[发明专利]一种比赛机器人

说明书

技术领域

本发明涉及机械与控制领域，特别涉及一种比赛机器人。

背景技术

小型组轮式机器人比比赛是RoboCup机器人足球世界杯赛的主要项目之一，同时也是机器人技术和人工智能理论的良好的实验平台。Robocup足球机器人比赛是世界上影响最大参与范围最广的机器人竞赛,随着机器人科学的不断发展,人工智能越发成为机器人研究的主方向,足球机器人是典型的多智能体系统,它涉及人工智能、智能控制、机器人学、通讯、传感器及机构学等学科。小型组足球机器人是足球机器人比赛的一个重要分支，是发展最快最热门的项目之一,它具有速度快、加速度大、比赛节奏快、战略战术应用丰富等特点，因此观赏性和趣味性强。激烈的比赛包含了机器人性能和攻防策略双重对抗,优良的机器人性能是高水平足球机器人的基础,是机器人研发人员孜孜追求的目标。

美国Cornell大学是小型组足球机器人研究的先驱者，先后研制成功了三代机器人竞赛和实验平台。第一代产品使用完全性约束的三轮全方位驱动的行走机构，并设计了相应的控制算法，为三轮全方位驱动机器人的理论研究和实用化奠定了基础；第二代平台则开始使用较为原始的四轮全方位运动机构，具有更大的运动速度和加速度，并在机器人的底层控制算法和决策系统的架构上进行了较为深入的研究；第三代机器人平台进行了分布式决策的尝试，计算机把摄像头采集到的场上信息经过简单处理后发给机器人，这种模式向分布式多智能体方向迈进了一步，由于这种创新设计不够健壮，最终在比赛和实际应用中没有发挥出预期的效果。美国卡内基梅隆大学也在小型组足球机器人领域进行了较多的研究，卡内基梅隆大学的CMDragons平台在Corenll大学研究成果的基础上设计了较为完善的决策系统，优化了决策系统的整体架构以及机器人策略、角色分配、路径规划和底层控制的算法。同时在机器视觉的改进上进行了大量的探索，较好地满足了机器人足球比赛对视觉定位系统的要求。然而，CMU较为陈旧的机械结构等因素限制了该机器人平台性能的发挥。

发明内容

针对以上情况，本发明从机器人足球比赛和实验研究的实际需求出发，制作了四轮蝶形分布的机器人运动机构，实现了机器人的多自由度全向移动，并设计了控球、击球等机械机构；针对运动机构的特点研究了机器人的运动控制算法，设计了以ARM和FPGA为核心的机器人的底层控制系统，构建了稳定可靠的机器人子系统；基于畸变校正、目标分割、图像识别等图像处理方法开发了适合于实验室场地的机器视觉系统；编写了机器人自主决策系统，对机器人行为进行预测判断、提供决策库支持、实现动态环境下的全局路径规划；设计了2.4G射频通信模块，构建该平台的无线通信系统，实现机器人子系统与上层决策控制系统之间的信息交换；此外，本发明还使用“平台/插件”软件体系构建了RoboCup小型组足球机器人的开放式仿真系统。

本发明具有性能优良、稳定可靠、可扩展性强等优点，可以作为RoboCup小型组足球机器人竞赛的标准平台推广应用，也可以作为功能完备的竞赛系统直接参加机器人足球比赛。本系统还提供了丰富的接口调用和开放的仿真实验平台，在此基础上能够开展机器人运动控制、计算机视觉定位、人工智能、决策库、路径规划与避障算法等实验研究，既可以作为相关理论的验证工具，又能为学生及科研人员新算法、新模型提供创新实验平台，从而提高小型组足球机器人竞赛水平，推进机器人技术和人工智能理论的发展进步。

具体实施方式：

本发明通过对机械结构、硬件电路和底层控制算法的深入研究和优化，制作了机械性能优良的行走机构、控球机构、击球和挑球机构，并设计了稳定可靠的控制电路和先进的机器人底层控制算法，针对运动机构的特点研究了机器人的运动控制算法，设计了以ARM和FPGA为核心的机器人的底层控制系统，构建了稳定可靠的机器人子系统，提高了机器人的运动性能、执行能力和控制精度。

制作了四轮蝶形分布的机器人运动机构，实现了机器人的多自由度全向移动，将小型组足球机器人最大速度提升到2.5m/s ，最大加速度提高到7m/s²。优化传射机构设计，使击球速度达到10m/s，挑球高度可达92cm，最远距离377cm；

先进的视觉系统：本发明在畸变校正和图像分割的基础上，进行图像识别和信息融合，提高了定位精度，机器人定位精度达1cm，角度误差小于3度，对环境适应能力强，无需专用光源，并具有良好的环境适应能力。