基于全局视觉的类人型足球机器人系统构建

摘要

足球机器人作为人工智能与机器人学科实验研究的载体已受到国内外学者的普遍关注，其研究目标是到2050年类人型足球机器人队能战胜当时的人类足球冠军队。类人机器人是机器人中一个重要分支，机器人研究者一直把类人机器人的研究作为机器人研究的最高境界。近几年来，国际上对类人足球机器人的研究取得了迅速的发展。本文基于全局视觉构建了类人型足球机器人系统，系统主要包括四部分：视觉子系统、决策子系统、无线通讯子系统以及类人机器人子系统。其中，决策子系统可看作系统控制器，类人机器人子系统可看作执行机构或控制对象，视觉子系统可看作系统的检测环节，而无线通讯子系统则为决策子系统和类人机器人子系统中间的信息桥梁。本文主要从以上四个子方面构建系统并解决机器人行走过程中晃动难以定位和机器人步态规划的难题。 基于全局视觉设计视觉系统。通过基于颜色的目标识别算法对目标机器人和球进行识别定位，采用小波分析对图像消噪。针对机器人行走中晃动难以精确定位的特点，提出基于边缘检测的机器人精确定位方案。通过将场地分区排除较大范围内的晃动，通过边缘检测得到机器人倾斜角度并校正机器人小范围倾斜。 基于模糊评判算法设计决策系统。提出基于环境感知/队形确定/角色分配/动作选择的四层决策推理模型，并针对足球机器人比赛环境的实时性、动态性，以及场上情况多种多样，难以建立归一化模型的特点，提出基于模糊决策算法的决策方法。球队的队形以及机器人队员的角色都能根据现场情况，进行动态切换，从而完成特征状态空间到动作空间的映射。 采用蓝牙通信技术设计通信子系统。蓝牙发射器首先通过RS232串口通讯从主机接收各个机器人运动控制指令数据，然后按照预定的传输协议进行调制，然后将数据发射出去。机器人接收到信号后，按照XM100传输协议解调后获得机器人运动控制指令，最后通过电机控制模块驱动电机转动。 对机器人进行步态规划，设计机器人动作库。选用韩国minirobot公司的ROBONOVA-Ⅰ型类人机器人作为队员。分析ROBONAVA-Ⅰ类人足球机器人的结构，介绍其所使用的软件开发语言robo-Basic编程语言及编程环境。在构建的数学模型基础上，对ROBONAVA-Ⅰ类人足球机器人的步态规划进行研究。基于ZMP详细设计机器人前向行走，得到关节转角轨迹，并对机器人的动作库设计进行设计。 最后应用本系统参加了FIRA第十三界足球机器人世界杯取得了AndroSot3vs3的亚军，证明了系统的可行性，可靠性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题的来源及意义

1.2类人型足球机器人研究现状

1.3类人型足球机器人的研究意义

1.4论文的结构及主要内容

2半自主类人型足球机器人系统

2.1类人型机器人

2.2视觉系统

2.3决策系统

2.4无线通信系统

3视觉系统

3.1系统概述

3.2小波分析

3.3基于小波分析的图像消噪

3.4边缘检测

3.5类人机器人精确定位

3.6本章小结

4决策系统

4.1决策系统的特点与要求

4.2球场态势分析

4.3队形的模糊评判

4.4角色规划算法

4.5实验结果

4.6本章小结

5类人机器人步态规划

5.1机器人机构与运动学模型

5.2逆运动学分析

5.3类人机器人稳定步行条件

5.4基于ZMP的动态步行运动规划

5.5前向步态的规划

5.6上肢规划

5.7本章小结

6动作库

6.1简单动作

6.2复杂动作

6.3本章小结

7结论

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果

致谢