智能足球机器人

智能足球机器人
摘要：智能化是计算机发展的必然趋势，人工智能领域的研究越来越受到重视，近几年人工智能成为研究热点之一。

而智能足球机器人集多种先进技术于一身，为智能体系统的理论研究和模型测试提供了一个标准的实验平台。

本文主要分析了智能足球机器人的各种系统组成与作用。

关键词：智能机器人驱动系统控制系统感知系统通信系统
引言：智能足球机器人的体积一般较小，集成程度较高。

其移动方式大多为车轮式移动，而单片机常作为其核心的控制器件，小型直流电机则作为动力驱动，感知系统则大部分依赖视觉系统和其他传感器。

另外通过软件编程实现对智能机器人行进、绕障、停止等的精确控制和检测数据的存储、显示、执行。

它融合了人工智能、智能控制、实时视觉、无线通讯、机电一体化等多学科知识。

机器人足球本身是一个典型的智能体系统，对其的研究具有深远意义。

一、智能足球机器人的总体介绍
足球智能机器人系统是多个机器人活动在一个实时、噪声以及对抗性的复杂环境下，通过协作、配合朝一个共同的目标行动。

它包括：智能机器人系统、智能体数据结构设计多智能系统、实时图像处理与模式识别、移动机器人技术、机器的传动与控制、传感器与数据融合和无线通讯等等。

中型组足球机器人比赛是近几年国内外新兴一个组别，它要求多个机器人在完全自主的状态下完成控球，传球，配合，射门等动作，相当于一个分布式多智能体控制系统。

其中需要解决的关键问题包括，图像采集以及信号处理，路径规划，无线通讯，控制决策，多传感器信息融合等技术。

因此足球机器人大致由四个子系统构成：实时多目标跟踪的视觉子系统,基于人工智能的决策子系统，无线通讯子系统，机器人小车子系统。

本文将分别讨论其小车驱动系统，感知系统，控制系统（即决策系统）和通信系统。

二、智能足球机器人的驱动系统
智能足球机器人一般有履带式、轮式、步行式等，步行式相对来说智能化水平高而且对结构要求也较高。

履带式的运动则比较平稳。

然而一般足球智能机器人都采用轮式，轮式相对履带式简便灵活，适应能力高。

而其驱动系统最普遍的就是运用小型直流电机，在机器人底层平台的伺服驱动部分，用普通的直流电机加上磁性编码器(码盘)取代昂贵的伺服电机系统,成功实现电机的闭环控制、采用模块化双重嵌入式结构，电机嵌入电机安装套中，电机安装套通过推力球轴承、止推环和挡圈嵌入橡胶车轮中，同时起到车轮轴的作用，轴承止推法兰盘与电机安装套连接起轴承限位功能，电机驱动法兰盘通过安装螺孔连接在橡胶车轮上，其中心有一键槽孔以连接电机轴。

当电机转动时，电机轴带动电机驱动法兰盘同步转动，
继而驱动车轮，从而实现电机对车轮的同步直接驱动。

整套驱动装置通过电机安装套底部的外伸法兰盘接口与机器人车体连接。

这种驱动结构不仅结构紧凑，而且具有定位准确、磨损小、抗冲击性好、移植性很强的特点。

除此外软件的设计也对驱动系统有较大的影响，采用反馈等对驱动加以调节，使得运动平稳，准确。

同时将机器人的速度和位置信息，通过串口通讯反馈给控制系统，实现闭环控制。

足球机器人驱动控制系统的实时性和鲁棒性是决定其性能优劣的决定因素，一定条件下的自适应能力也是决定其智能水平的一项重要指标.在文章的最后部分，对足球机器人的基本避碰、避障功能，以及射门技能，进行了实验和比赛。

结果表明，机器人具有较好的环境适应能力。

同时，这些结果从另一方面也验证了驱动控制系统设计的可靠性和灵活性驱动系统是智能足球机器人最底层最基本的系统，对于整个机器人的运动起重要作用。

三、智能足球机器人的控制系统
智能足球机器人的控制系统，也就是决策系统，包括数据预处理，机器人的路径规划等等，还需要控制程序的良好设计，使得机器人接收各处传来的信息，并及时完成信息的处理，自主决策与其它队友协调运动连贯顺利。

决策系统是整个系统的核心部分，它主动完成知识提取并确定机器人的协同任务。

目前对足球机器人系统决策策略的研究都是采用物理上甚至逻辑上完全集中式的协调方式，决策模型都是以计算机为载体的，所有的决策任务都是在计算机内完成，然后机器人进行执行。

此外还包括电池、电源管理单元、可编程控制器单元、输入输出I/O单元、马达驱动单元、左轮马达与右轮马达及若干传感器；所述的电池连接电源管理单元并通过其向所述的可编程控制器单元、输入输出I/O单元供电，该电池还单独连接所述马达驱动单元，并通过其向所述左轮马达与右轮马达供电；所述的电源管理单元设有一保护电路。

此种方法的优点在于，智能足球机器的控制系统的电路简化、马达响应速度更快、马达与可编程处理器分开供电，可编程、智能化、工作可靠。

系统的电源由串联蓄电池提供，经过一块单输入多输出的DC-DC电压转换模块为整个系统提供所需电压。

另外还应具有上位机系统，作为上位机它主要负责整个系统的控制决策，包括多传感器的信号融合，数字图像处理以及行动路径规划。

超声波阵列配合全景视觉模块完成机器人的避障和运动识别功能。

总之，决策系统在足球机器人的行为中扮演着重要的角色，相当于机器人的大脑中枢，控制着机器人的一切行动。

四、智能足球机器人的感知系统
智能足球机器人的感知系统是其最为重要系统之一。

自主式足球机器人系统通过自身携带的感知外部环境的传感器来采集环境信息，对其进行实时处理，然后根据所得到的处理结果进行决策，执行相应的动作。

机器人本体装有一系列传感器，包括红外线发射管和红外接收模块，光传感器和电压开关。

在此基础上再增加视觉系统，使其成为一个自主的足球机器人。

根据比赛用球为红外发射装置，故采用的传感器为红外接收的传感器，故红外线发射和接收模块作为整体使用，该元件由红外发光管和接受管组成，用于探测足球的位置，根据车体前方的两个红外传感器接收红外光输出电压不同比较来判断球的方位指导车体前进方向。

同时也配合光传感器，对障碍和目标进行识别，，然后传送给控制系统综合控制整个机器人的运动。

还有机器人对进攻方向作出正确判断必须要能读出场地的灰度变化信息。

要实现这一功能，则也要用到红外光电反射式传感器。

与此同时视觉感知系统是足球机器人必不可少的一部分，它能正确识别足球及其己方队员和敌方队员，以便机器人能准确完成踢球，拦球，
传球等动作，还有对机器人的自定位，方向，编号的识别器重要作用，提高识别的效率。

作为机器人的主要感知设备，视觉系统是整个机器人的眼睛，是系统获取外部信息最主要的通道，是足球机器人系统的基础。

它不断采集场上的信息，对图像进行处理、分析，完成目标识别和跟踪，并把得到的目标信息传递给决策系统。

视觉系统的好坏对机器人性能的发挥起着决定性作用。

视觉功能的实现还需要图像处理软件的协助，而图像处理软件包括图象分割、畸变校正和目标识别三个模块。

可见，智能足球机器人的感知系统是有多个结构共同组成，它们相辅相成，共同作用与机器人对外界的感知，以便达到设计目标。

五、智能足球机器人的通信系统
最后讨论的是机器人的通信系统，其中无线通信系统是衔接主机和底层机器人不可缺少的一环，它必须保证从主机端到机器人底层之间的数据传送是可靠的，从而使得机器人比较能够顺利流畅进行。

由于机器人自身的负重能力有限，因此通过无线通信方式，借助外部计算机和工作站处理传感器信息成为一种可行高效的方法。

无线通信系统的性能相当程度上直接影响着机器人的场上表现。

机器人的通信需要解决对话管理、通信语言和通信协议等几个问题，还有发送端和接收端系统的硬件设计和实现及其软件设计。

机器人的通信过程大致为首先通过计算机编码器进行编码，然后通过发射端进行无线电发射，机器人的接受端接收后进行解码以及决策。

通信不仅通过无线方式，还可以依赖于机器人自带的视觉传感器，通过对场上情况的记录与分析，得到可行决策。

由于比赛双方都有多个机器人同时在场地上跑动，要求无线通信有一定的抗干扰性。

故对于无线通信系统的电路设计要求较高，设计过程必须考虑到信号之间的互相干扰，并在最大程度上减少这种干扰。

除了计算机与机器人之间的通信，还可以运用机器人之间相互的通信，这种通信智能化程度更高，由于比赛时多个足球机器人的共同配合和协调完成的，故它们之间的“交流”也是非常重要的。

随着科技的发展，以后的通信不再仅仅依靠无线电，还可以进行语音识别，通过声波等进行通信。

虽然复杂性有所提高，但是简便灵活高效的通信方式必定成为主导。

总结：
智能足球机器人是一个极富挑战性的高技术密集密集型项目，融小车机械、机器人学、机电一体化、单片机、数据融合、精密仪器、实时数字信号处理、图像处理与图像识别、知识工程与专家系统、决策、轨迹规划、自组织与自学习理论、多智能体协调以及无线通信等理论和技术于一体，既是一个典型的智能机器人系统，又为研究发展多智能体系统、多机器人之间的合作与对抗提供了生动的研究模型，融多种先进技术与一身。

足球机器人还是一个机器人社会的雏形，除了具有普通机器人的特性之外，更重要的是它是一个多智能体，由多个机器人配合并协作来完成各种动作，各个机器人均有自己特定的身份，在足球机器人这个平台上，主要的策略实现表现在程序的设计上，但是最基本的载体是机器人。

我相信，随着科学技术的不断发展，智能足球机器人各系统亦将越来越丰富，其效率和可靠性也将越来越高，对其的研究将对今后科学技术的发展具有重要意义。