类人足球机器人控制系统的底层设计及决策研究

论文摘要

类人机器人是机器人研究领域的一个重要分支,代表了机器人的尖端技术,是机器人研究的最高境界。类人机器人足球比赛是伴随着类人机器人技术和分布式人工智能的发展而迅速兴起的一种高科技对抗活动,积极参与该项活动将对我国类人机器人事业的发展起重要的推动作用。控制系统是机器人的核心部分。类人足球机器人关节众多,控制电路复杂,而比赛对控制系统的稳定性、实时性、协调性、功耗及体积等方面都提出了很高的要求,因此,合理的控制结构和优化的控制电路将是机器人在赛场上表现良好的基础。硬件方面,本文首先从当前Robocup机器人足球比赛对类人机器人的功能需求和规则要求出发,为实验室研制的类人机器人机械本体量身定做了一套能够较好完成比赛任务的控制系统。该控制系统采用主从式结构,主板选用XScale PXA270处理器,主要完成实时视觉信息处理、无线网络通信、决策及任务规划等上层任务;从板选用AVR单片机ATmega16L作为从处理器,主要完成倾角传感器信息的采集及转换、对各个舵机的直接控制等下层任务。主从处理单元之间采用I2C总线进行通信。然后完成了控制系统具体电路的设计工作,主要按照性价比高、容易购买到、集成度高、能耗小的原则选择了器件,以满足机器人对控制系统体积和能耗的要求。软件方面,嵌入式操作系统是机器人控制系统重要的组成部分。嵌入式Linux是机器人操作系统较好的选择。本文采用2.6.9内核版本,其可抢占式内存可以使机器人对比赛过程中各种突发事件具有更快速的响应能力。完成了BootLoader的烧写、内核及根文件的移植工作后,成功启动并运行了嵌入式Linux。最后,对主板的主要功能模块进行了必要的测试。决策方面,机器人在赛场上的一切智能活动都基于它的决策系统。本文首先在控制系统底层硬件平台基础之上构建了机器人比赛的自主决策系统,然后对该决策系统进行分层设计,最后运用自由状态机理论设计并实现了机器人的自主进攻策略和防守策略。真实环境中的实验及比赛结果验证了该决策方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外类人机器人研究现状
• 1.1.1 国外类人机器人研究现状
• 1.1.2 国内类人机器人研究现状
• 1.2 机器人足球比赛及其类人组发展概况
• 1.3 类人足球机器人的特点及研究意义
• 1.4 主要研究内容
• 第二章 控制系统硬件设计的总体规划
• 2.1 引言
• 2.2 被控对象分析
• 2.2.1 RoboCup 对参赛类人机器人的要求
• 2.2.2 被控对象的机械结构
• 2.2.3 被控对象的驱动源
• 2.2.4 被控对象对控制系统的要求
• 2.3 控制方式的选择
• 2.4 控制系统处理器的选择
• 2.4.1 主处理器的选择
• 2.4.2 从处理器的选择
• 2.5 控制系统整体结构的构建
• 2.6 本章小结
• 第三章 AFU 控制系统硬件的具体设计
• 3.1 主板的具体设计
• 3.1.1 PXA270 最小系统设计
• 3.1.2 系统总线扩展电路的设计
• 3.1.3 外设总线扩展电路的设计
• 3.2 从板的具体设计
• 3.3 PCB 设计及硬件调试
• 3.3.1 主板的PCB 设计
• 3.3.2 从板的PCB 设计
• 3.3.3 硬件调试
• 3.4 本章小节
• 第四章 在AFU 控制系统上运行嵌入式LINUX
• 4.1 引言
• 4.2 嵌入式操作系统的选择
• 4.3 嵌入式LINUX 的软件开发流程
• 4.4 BOOTLOADER 的移植
• 4.4.1 BootLoader 介绍
• 4.4.2 BLOB 的移植修改
• 4.4.3 BLOB 的烧写与运行
• 4.5 LINUX 的下载、烧写并启动
• 4.5.1 内核版本的选择
• 4.5.2 下载和烧写Linux 内核和根文件系统
• 4.5.3 启动运行Linux
• 4.6 功能模块的测试
• 4.6.1 串口的测试
• 4.6.2 SD 卡的测试
• 4.6.3 无线网卡的配置与测试
• 4.6.4 摄像头的测试
• 4.7 本章小结
• 第五章 AFU 自主决策的研究
• 5.1 引言
• 5.2 决策系统的分层设计
• 5.2.1 视觉信息预处理模块设计
• 5.2.2 动作层设计
• 5.2.3 基于FSM 的策略库设计
• 5.3 AFU 自主决策的实现
• 5.3.1 基本进攻策略
• 5.3.2 基本防守策略
• 5.4 实验及结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 控制系统硬件原理图
• 附录B 控制系统实物图
• 攻读硕士学位期间的学术和科研成果