足球机器人软硬件架构和动态环境下实时避障方法研究

摘要

近年来随着RoboCup中型组机器人足球比赛对抗程度的提高，机器人所处的环境体现出更强的动态性和复杂性。机器人在硬件架构、软件架构和实时避障等方面面临着诸多问题和挑战。本文针对这三方面问题，以国防科大 NuBot参赛机器人为平台开展了相关研究。
　　首先，设计了基于PC控制技术的机器人电气硬件架构。以工业PC为核心，构建了基于EtherCAT总线技术的实时以太网通信系统；在linux内核系统下使用SOEM库搭建了EtherCAT主站，实现了PC与底层电机控制器Elmo的通信。经过RoboCup2014的比赛验证，新的机器人硬件架构具有更好的稳定性，从 PC到底层控制器的通信延时更小、实时性更高。
　　其次，设计了基于机器人操作系统ROS的软件架构。分别从常规机器人和守门员机器人两种不同的硬件架构分析了ROS框架下的节点配置；详述了机器人实时避障算法在基于ROS的软件系统框架下的实现流程。ROS丰富的硬件驱动库使得机器人在增加新的传感器或执行器后不必耗费大量时间开发硬件驱动，并且各个节点的代码单独管理互不影响，使机器人软件系统构建和维护变得更加高效。实验结果表明，ROS的实时性能够满足目前足球机器人对决策控制和运动控制的要求。
　　另外，结合子目标点法和三次样条曲线法的优势提出了一种新的移动机器人实时避障方法。首先，迭代应用子目标点法生成中间点（via-points）；然后应用三次 B样条法对生成的中间点进行插值并生成期望的几何路径；最后考虑运动约束将几何路径轨迹化，机器人将跟踪生成的轨迹运动到目标点。仿真及实物实验结果证明该方法在生成无碰平滑路径方面比传统子目标点法更有效。另外，机器人在整个运动过程中的速度和加速度可以任意设置，灵活性更高。

目录

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 课题研究现状和发展趋势

1.3 课题研究的主要内容

第二章 基于PC控制技术的机器人硬件架构

2.1 基于PC的控制技术

2.2 各模块详解

2.3 实验结果

2.4 本章小结

第三章 基于ROS的机器人软件架构

3.1 机器人操作系统ROS

3.2 NuBot机器人软件架构和节点配置

3.3 机器人实时避障在ROS架构下的实现

3.4 实验结果

3.5 本章小结

第四章 动态环境下机器人实时避障方法

4.1 机器人避障与路径规划

4.2 应用子目标点法生成中间点

4.3 基于三次样条曲线法的路径生成

4.4 几何路径轨迹化

4.5 动态环境下算法可行性分析

4.6 仿真实验结果

4.7 实际系统实验结果

4.8 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究工作总结

5.2 未来工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果及获得的奖励情况