足球机器人的研究现状及发展

足球机器人的研究现状及发展

摘要:足球可谓是全球最受欢迎的运动。随着机器人技术的不断进步，让机器人也会踢足球不再是天方夜谭。当前的足球机器人虽然不能完全像人一样比赛，但在足球的基本功如快速移动、传球、射门、甚至相互配合方面已取得了令人惊叹的成就。机器人足球系统的研究涉及非常广泛的领域，包括机械电子学、机器人学、传感器信息融合、智能控制、通讯、计算机视觉、计算机图形学、人工智能等等，吸引了世界各国的广大科学研究人员和工程技术人员的积极参与。为了促进足球机器人技术的发展，FIRA国际机器人足球联合会和ROBOTCUP 国际机器人足球世界杯赛等机器人足球赛事组织先后成立。本文将简要阐述足球机器人的基本原理，介绍世界各国对足球机器人系统的最新研究成果，并展望足球机器人的前景。

关键词：足球机器人、智能、子系统、结构

一、足球机器人系统简介

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。足球机器人系统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。

二、足球机器人硬件结构分析

以小型足球机器人为例，其硬件根据功能划分,主要由6 部分组成:行走机构、击球机构、带球机构、电路部分(决策,控制和通信等电路) 、电源装置及辅助部分(小车底盘,外罩) 。

2.1 行走机构

小型足球机器人小车通常有两轮式、三轮式或履带式。两轮式通常在底板前后位置加减磨片,三轮式有一个轮子作为转向轮。一般轮子转向与行走的方向一致。近年来出现了较为先进的拟人型足球机器人，用两条腿行动。

2.2 击球机构

实现在合适位置时,对球产生瞬时撞击的射门动作。这样的机构要求不需要击球时,机构回收,有锁定装置,到击球时能在规定时间内完成击球并迅速收回。目前采用的机构主要由电机,蜗杆蜗轮,扇形齿轮,齿条击杆和压簧组成。其原理是:不击球时,电机不转,蜗杆蜗轮由于自锁性,保持击杆处于回收状态,当需要击球时,控制信号让电机转动,带动蜗杆蜗轮转动,和蜗轮共轴的扇形齿轮与齿条脱离啮合,与齿条固连的击杆受弹簧力作用而击球,当扇形齿轮转过一定的角度时,扇形齿轮与齿条又进入啮合,齿条击杆被拉回,到后极限位置时,弹簧处于接近最大压缩状态,位置检测开关发出信号,使电机停转,依靠蜗杆蜗轮的自锁,保持电机停止转动时,击杆保持在回收状态。

2.3 带球机构

实现小车在前进,转弯和后退3 种状态下带球。带球功能要达到很理想的程

度比较困难,原因是比赛规则要求球体积的80 %裸露在外,而且有连续持球的时间限制;运动中带球有速度匹配的问题;因此不能采用抱球的机构。带球的原理是:用2个具有一定弹性的滚轮与小球发生滚动式接触,靠接触摩擦力产生的转矩,使球滚动前进。

2.4 电路部分

设计上主要考虑元器件尽可能的对称布置,开关放置位置便于操作,连接器位置要考虑连线长度,插拔方便。电路板形状,安装孔位置等。

2.5 电源装置

首先考虑电源类型,然后是电源位置,固定等,由于机器人比赛耗电量大,使用频率高,一般选用充电电池组成的电池组,并使用2 组,以保证有足够的能量打完比赛。

2.6 辅助部分

底盘是各个模块连接的平台,彼此不能有空间位置上的干涉,要有足够的强度,同时又要减轻重量。一般材料选用较轻的硬铝,这样大大减轻了底盘质量。外罩是用来封闭小车内部结构,保护内部元器件,承受一定的撞击,为了更换电池等操作的方便,我们将外罩设计成分体式,下外罩要能承受一定冲击,上外罩则不能屏蔽信号的发送与接受,用轻质材料,同时结构上要考虑传感器的布置,电源总开关的位置和外罩的固定。

三、足球机器人子系统

概括的说，机器人小车应能准确地接收上位机指令，并根据指令要求迅速完成决策子系统的意图（带球，射门，拦截等战术动作）。小车的典型结构如图3-1 所示，小车主要由微控制器、电机和电机驱动、速度检测、通讯单元和电源五个部分构成。

图3-1 足球机器人小车的典型结构

3.1 微控制器

要实现高智能，高性能的CPU是必需的。当前国内和国际的机器人队选用的CPU 主要有以下5 种：89C51 或89C52、80C196KC、80C296SA、TMS320F240 和H8/3062F。

为了满足足球机器人比赛的要求，机器人小车的运动性能显得尤为重要。机器人小车应具备高度的机动性和灵活性，能够快速实现前进后退，转角，停车等基本动作。采用DSP芯片--TMS320F240是一个不错的选择。TMS320F240 可以实时地完成许多移动机器人的复杂控制算法(如模糊控制)，另外，DSP 的运算速度是单片机无法比拟的，即使在很复杂的控制中，采样周期也可以取得很小，控制效果更接近连续控制。

3.2 电机和电机驱动

MiroSot 系列的足球机器人小车大多采用双轮双电机驱动的方式。现在国际上绝大多数的机器人小车采用高性能的直流伺服电动机，但也有少数队采用步进电动机，如韩国的Maskoro，它们的守门员和两个进攻队员采用不同的机械和电机结构。守门员用的是步进电动机--NK243，车体尺寸较大，而其它队员采用直流电动机，车体尺寸较小。与步进机相比，直流机具有更小的体积和更少的功率消耗。脉冲宽度调制（PWM）主要应用在直流伺服控制系统中，随着电力电子技术的发展，PWM 技术也日趋成熟和完善。PWM 驱动装置是利用晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通”与“断开”时间的长短，通过改变伺服电动机电枢上的电压“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。

3. 3 速度检测单元

整个足球机器人小车子系统是一个转速负反馈闭环调速系统，主要由速度PID 控制器、PWM 产生环节、功率驱动和速度反馈四个部分组成。

3.4 通讯单元

根据 MiroSot 比赛规则的要求，上位机与机器人小车之间必须采用无线通讯的形式。在一般的的足球机器人系统中，上位机与机器人小车之间采用单向串行通讯的方式，主机的控制指令数据通过计算机的串行口送至单片机，单片机将