一種全自主足球機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計和實現(xiàn)

　　1.1 主控計算機(jī)

　　RoboSot比賽規(guī)定參賽機(jī)器人尺寸要小于20cm×20cm×40cm（長×寬×高），因此是機(jī)器人的體積設(shè)計中要考慮的主要因素之一。普通的PC計算機(jī)和筆記本電腦的尺寸不能滿足FIRA RoboSot比賽用機(jī)器人的需要。而單片機(jī)應(yīng)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(jī)作為機(jī)器人的核心計算處理功能模塊。該計算機(jī)具有以下特點：

　　（1）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(jìn)行功能擴(kuò)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(jī)器人尺寸的嚴(yán)格限制。

　　（2）高可靠性和高計算能力。PCM 9370F是符合工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)的工控計算機(jī)，具有非常高的可靠性。實驗表明，在機(jī)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(dāng)于PⅢ500的CPU,自帶64MB 內(nèi)存，具有一個最多能擴(kuò)展128MB內(nèi)存的內(nèi)存擴(kuò)展槽。所以PCM 9370F不但體積小，而且具備與普通PC計算機(jī)相當(dāng)?shù)奶幚硇阅堋?p>　?。?）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(qiáng)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(biāo)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(jī)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(jī)器人頂部的上目攝像機(jī)安裝在具有一維自由度的云臺上。上目攝像機(jī)在云臺帶動下能圍繞機(jī)器人車體中心水平旋轉(zhuǎn)±165°。下部CCD攝像機(jī)固定在機(jī)器人的腹部,不能相對機(jī)器人本體運(yùn)動。下部攝像機(jī)鏡頭朝向機(jī)器人的正前方，光心到地面垂直距離為11cm.

　　二個攝像機(jī)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(jī)器人靜止時可以感知機(jī)器人周圍330°范圍內(nèi)的環(huán)境信息，所以上目視覺通常負(fù)責(zé)識別較遠(yuǎn)處的目標(biāo)物體以及下目視覺視野以外的目標(biāo)物體；下目視覺能看到機(jī)器人前方腳下的目標(biāo)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(fù)責(zé)識別距離機(jī)器人很近（27cm）的目標(biāo)物體。例如機(jī)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(jī)的型號、運(yùn)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(wù)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(jī)器人定位等方面得到了廣泛的應(yīng)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(guān)，在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)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(jī)器人是在競爭對抗的球場環(huán)境中運(yùn)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(jī)器人的前、后、左、右安放了超聲波傳感器外，在機(jī)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(yīng)的超聲波傳感器組進(jìn)行定位和避障，避免機(jī)器人經(jīng)常轉(zhuǎn)身，節(jié)省了大量時間，提高了機(jī)器人的靈活性。

　　1.4 運(yùn)動系統(tǒng)

　　全自主足球機(jī)器人的運(yùn)動系統(tǒng)包括移動機(jī)構(gòu)、上目攝像機(jī)云臺和踢球裝置。移動機(jī)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(jī)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(jī)器人很容易實現(xiàn)以自身為中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，具有良好的靈活性和機(jī)動能力。攝像機(jī)云臺在一個專用電機(jī)的帶動下可以繞機(jī)器人中心水平旋轉(zhuǎn)。大部分全自主足球機(jī)器人都有專門的踢球裝置。參加RoboCup中型組比賽的機(jī)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(yuǎn)、爆發(fā)力大，但是它體積大、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易出故障。本機(jī)器人踢球裝置采用葉片旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，電機(jī)通過齒輪帶動踢球葉片高速旋轉(zhuǎn)以達(dá)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(dāng)球與機(jī)器人相對靜止時，踢球裝置的彈射力量不足。

　　足球機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)應(yīng)該具備高速運(yùn)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(jī)作為左右輪、云臺和踢球裝置的驅(qū)動電機(jī)，并自行設(shè)計開發(fā)了電機(jī)控制驅(qū)動板，可產(chǎn)生PWM速度控制信號并接收電機(jī)光電編碼器的碼盤反饋。通過PC104總線與嵌入式計算機(jī)相連，其核心部件是運(yùn)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(jìn)行細(xì)分后計數(shù)，從而減輕了嵌入式計算機(jī)對電機(jī)控制的負(fù)擔(dān)，簡化了驅(qū)動程序的任務(wù)。