一種全自主足球機器人體系結(jié)構(gòu)的設計和實現(xiàn)

　　1.1 主控計算機

　　RoboSot比賽規(guī)定參賽機器人尺寸要小于20cm×20cm×40cm（長×寬×高），因此是機器人的體積設計中要考慮的主要因素之一。普通的PC計算機和筆記本電腦的尺寸不能滿足FIRA RoboSot比賽用機器人的需要。而單片機應用系統(tǒng)雖然體積小，但其處理能力又無法滿足實時圖像處理和行為決策的要求。因而本系統(tǒng)選擇了研華公司生產(chǎn)的PCM 9370F嵌入式計算機作為機器人的核心計算處理功能模塊。該計算機具有以下特點：

　?。?）體積小、節(jié)省空間。PCM 9370F主板把CPU、內(nèi)存、顯卡等各種功能集成在一塊體積只有145mm×102mm板卡上，采用層疊式的PC104+總線進行功能擴展。這種結(jié)構(gòu)節(jié)省空間，可以滿足FIRA RoboSot規(guī)則對全自主足球機器人尺寸的嚴格限制。

　?。?）高可靠性和高計算能力。PCM 9370F是符合工業(yè)級標準的工控計算機，具有非常高的可靠性。實驗表明，在機器人之間頻繁發(fā)生碰撞的比賽過程中該主板仍能穩(wěn)定地工作。PCM 9370F采用性能相當于PⅢ500的CPU,自帶64MB 內(nèi)存，具有一個最多能擴展128MB內(nèi)存的內(nèi)存擴展槽。所以PCM 9370F不但體積小，而且具備與普通PC計算機相當?shù)奶幚硇阅堋?p>　　（3）功能接口完備、集成度高。PCM 9370F配有一個有線以太網(wǎng)接口，一個微型FlashCard插槽，一個符合ULTRA DMA傳輸協(xié)議的增強型IDE接口，一個并行通信接口，二個串行通信接口，一個微型PS/2鍵盤鼠標接口。它具有SVGA/LCD顯示控制器，支持雙CRT和LCD顯示。

　　1.2 視覺系統(tǒng)

　　機器人采用上下布局的異構(gòu)雙目彩色視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。位于機器人頂部的上目攝像機安裝在具有一維自由度的云臺上。上目攝像機在云臺帶動下能圍繞機器人車體中心水平旋轉(zhuǎn)±165°。下部CCD攝像機固定在機器人的腹部,不能相對機器人本體運動。下部攝像機鏡頭朝向機器人的正前方，光心到地面垂直距離為11cm.

　　二個攝像機都以固定的角度俯視地面。上目視覺比下目視覺的定位精度高，圖像采集速度快，而且由云臺帶動在機器人靜止時可以感知機器人周圍330°范圍內(nèi)的環(huán)境信息，所以上目視覺通常負責識別較遠處的目標物體以及下目視覺視野以外的目標物體；下目視覺能看到機器人前方腳下的目標物體，而這個區(qū)域恰是上目視覺的盲區(qū)，所以下目視覺通常負責識別距離機器人很近（27cm）的目標物體。例如機器人執(zhí)行帶球動作時，只能由下目視覺來判斷球是否位于踢球裝置正前方。

　　總之，上下二個攝像機的型號、運動自由度、數(shù)據(jù)傳輸接口、圖像采集頻率以及環(huán)境感知任務都是不同的，這種視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型屬于異構(gòu)雙目模型。

　　1.3 超聲波定位避障系統(tǒng)

　　超聲測距是一種非接觸的檢測方式，與紅外、激光及無線電測距相比，在近距離范圍內(nèi)超聲測距有不受光線影響、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點，因此在工業(yè)控制、建筑測量、機器人定位等方面得到了廣泛的應用。

　　超聲波測距的原理是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差T,距離S=TC/2,其中C為超聲波波速。由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關，在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。這樣檢測出超聲波發(fā)送與接收往返的時間就可以測量出距離。

　　由于全自主足球機器人是在競爭對抗的球場環(huán)境中運行，所以它需要具有更大的靈活性。因此，除了在全自主足球機器人的前、后、左、右安放了超聲波傳感器外，在機器人的左前、右前、左后、右后對稱的位置上也安放了傳感器。其最大的優(yōu)點是對于不同的位置可以選用相應的超聲波傳感器組進行定位和避障，避免機器人經(jīng)常轉(zhuǎn)身，節(jié)省了大量時間，提高了機器人的靈活性。

　　1.4 運動系統(tǒng)

　　全自主足球機器人的運動系統(tǒng)包括移動機構(gòu)、上目攝像機云臺和踢球裝置。移動機構(gòu)采用比較流行的三點支撐結(jié)構(gòu)，三點分別是雙電機驅(qū)動的左右輪和一個可全向旋轉(zhuǎn)的滾輪。這種移動結(jié)構(gòu)使機器人很容易實現(xiàn)以自身為中心的旋轉(zhuǎn)運動，具有良好的靈活性和機動能力。攝像機云臺在一個專用電機的帶動下可以繞機器人中心水平旋轉(zhuǎn)。大部分全自主足球機器人都有專門的踢球裝置。參加RoboCup中型組比賽的機器人大多采用彈射式踢球裝置，這種結(jié)構(gòu)的好處是彈射遠、爆發(fā)力大，但是它體積大、機械結(jié)構(gòu)復雜、易出故障。本機器人踢球裝置采用葉片旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，電機通過齒輪帶動踢球葉片高速旋轉(zhuǎn)以達到踢球目的。這種踢球裝置結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省空間、踢球彈力大。缺點是踢球葉片從靜止到高速旋轉(zhuǎn)需要一定的加速時間，當球與機器人相對靜止時，踢球裝置的彈射力量不足。

　　足球機器人運動系統(tǒng)應該具備高速運動、靈活轉(zhuǎn)彎、啟停加速度大等特點。本系統(tǒng)選用FAULHABER公司生產(chǎn)的直流電動機作為左右輪、云臺和踢球裝置的驅(qū)動電機，并自行設計開發(fā)了電機控制驅(qū)動板，可產(chǎn)生PWM速度控制信號并接收電機光電編碼器的碼盤反饋。通過PC104總線與嵌入式計算機相連，其核心部件是運動控制專用芯片LM629和H橋組件LMD18200.LM629能夠編程產(chǎn)生PWM信號，實現(xiàn)PID控制和對反饋信號進行細分后計數(shù)，從而減輕了嵌入式計算機對電機控制的負擔，簡化了驅(qū)動程序的任務。