全自主型足球机器人及其智能控制系统的制作方法

专利名称：全自主型足球机器人及其智能控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高智能化机器人及其智能控制系统。
背景技术：
自1996年开展世界杯机器人足球大赛以来，机器人足球队都是采用半自主型机器人。这种机器人存在的问题是机器人的视觉系统与决策系统都不在机器人本体上，而是在各球队集中控制的主控计算机上，因此这种机器人实际上是被主控计算机控制的从属小车子而已。所以这种足球机器人虽然反映多个机器人的协调与合作技术，但每个机器人本身无感知、决策和无线网络通信功能，因而无法达到同人类球队一样的进化，而且机器人本身很难应用到其它领域。

发明内容
本发明提供一种全自主型足球机器人及其智能控制系统，本发明的机器人解决了已有的机器人因自身无感知、决策和无线网络通信功能而无法达到同人类球队一样的进化的问题。本发明的全自主型足球机器人包含机器人本体17以及设置在机器人本体17底层的行走装置和踢球装置、以及电源板5和电池组6，行走装置包含带动左右驱动轮转动的左驱动轮电机11和右驱动轮电机12，踢球装置包含有带动踢球转板22转动的踢球电机13，本发明的全自主型足球机器人还包含有由旋转摄像机16、固定摄像机15、超声波传感器探头14、超声波传感器板10组成的环境感知装置；由主机板3和硬盘4组成的行为决策装置；由总线转换板及无线网卡2组成的通信装置；由电机控制板9组成的运动控制装置；上述装置分别安装在机器人本体17的各个格层上；旋转摄像头16的信号输出端接主机板3的信号输入端，总线转换板及无线网卡2的总线信号端与主机板3的总线接口端相连接，硬盘4的数据线和地址线与主机板3的数据线和地址线分别相连接，电源板5的电源输出端与硬盘4的电源输入端相连接，电源板5的电源输出端与主机板3的电源输入端相连接，电源板5的电源输入端与电池组6的电源输出端相连接，固定摄像机15的信号输出端与主机板3的信号输入端相连接，电机控制板9的电源输入端与电池组6的电源输出端相连接，电机控制板9的信号输入端与主机板3的信号输出端相连接，电机控制板9的信号输出端分别与左驱动轮电机11、右驱动轮电机12和踢球电机13的信号输入端相连接；超声波传感器板10的电源输入端与电源板5的电源输出端相连接，超声波传感器板10的信号输出端与主机板3的信号输入端相连接，超声波传感器板10的信号输入端与超声波传感器探头14的接收探头14-2相连接，超声波传感器板10的信号输出端与超声波传感器探头14的发射探头14-1相连接。本发明的全自主型足球机器人的智能控制系统的主程序的控制过程为开始，首先系统初始化，系统初始化包括视觉系统、超声波传感器系统、无线通信系统，然后判断是否开球了？如果未开球，则返回判断是否开球的程序，如果已开球，则启动视觉系统寻找球和对方球门；再用超声波传感器测量目标距离，然后判断是否找到球了吗？如果未找到球，则继续寻找球，返回判断是否找到球的程序；如果已找到球；则判断是否找到对方球门了吗？如果未找到对方球门，则继续寻找对方球门，返回判断是否找到对方球门的程序，如果找到了对方球门，则用传感融合算法计算球、对方球门及自己的相互位置；然后判断球在对方区域吗？如果球不在对方区域，则用无线电通信通知自己的伙伴速返回，然后进入判断对方球门、球、机器人是否在一条直线上程序，如果球在对方区域；则进入判断对方球门、球、机器人是否在一条直线上程序，如果不在一条直线，则用路径规划算法驱动机器人，使得机器人与对方球门、球在一条直线上，然后返回判断对方球门、球、机器人是否在一条直线上的程序，如果是在一条直线上，则驱动机器人向球方向运动，然后判断机器人是否到了球的前面？如果不是，则返回驱动机器人向球方向运动程序，如果到达了球的前面，机器人停止前进，启动踢球电机，射门，结束。该全自主型足球机器人的环境感知装置是做智能控制所需的关键模块，它相当于人的眼睛，和人一样只有正确地判断出周围的环境，才能做出行为决策，为此环境感知装置首先对球和其它机器人进行识别，并对球和球门进行定位判断后，将判断的环境信息送给行为决策装置。行为决策装置是一个机器人的知识库，它根据环境感知装置送来的环境信息决定在什么条件下、什么时候踢球，怎么踢球等各种行为。通信装置，它是多个机器人互相协调与合作所需的关键模块，它相当于人的耳朵和嘴，它的主要用途是通过通信使各机器人互相了解对方的意图和愿望，决定下一步动作，采用无线通信系统使机器人之间动作方便。运动控制装置是一个机器人的神经系统，它是根据行为决策装置送来的决策信息来控制如何准确地踢球、如何加速运动等具体动作。本发明的全自主型足球机器人中，信息的流动方向是首先从“环境感知装置”得到环境的信息输入到“行为决策装置”，然后“行为决策装置”产生的行为命令信号输入到“运动控制装置”，最后“运动控制装置”产生的一系列控制信号来控制机器人做具体的动作。该全自主型机器人是用来踢球的高智能化机器人，它像人一样用“视觉系统”找球、定位后，用“脑来决定如何射门、如何守门等动作。同时这种机器人通过无线电通信网络互相交换信息，在了解对方意图基础上，通过互相协调与合作完成进攻或防守等协调任务，因此这种机器人除了踢球之外还可以用在生产线无人搬运作业，或用于未来无人战争中的机器人部队，或者用于机器人消防队等。本发明的全自主足球机器人可以使机器入球队达到同人类球队一样的进化，而且这种机器人可以应用到各个领域中。该机器人不但可以单独工作，而且通过协调与合作完成一个机器人所不能完成的任务，因此其应用范围很广。


图1是本发明全自主型足球机器人前侧的立体结构示意图，图2是本发明全自主型足球机器人后侧的立体结构示意图，图3是本发明的全自主型足球机器人的整体电路结构示意图，图4是具体实施方式
二的电路结构示意图，图5是具体实施方式
三的电路结构示意图，图6是足球机器人智能控制系统的主程序流程图，图7是具体实施方式
五的程序流程图，图8是具体实施方式
六的程序流程图，图9是具体实施方式
七的程序流程图，图10是具体实施方式
八的程序流程图，图11是具体实施方式
五中球定位算法流程图，图12是具体实施方式
五中球门定位算法流程图。
具体实施例方式
一本实施方式的全自主型足球机器人由机器人本体17、行走装置、踢球装置、环境感知装置、行为决策装置、通信装置、运动控制装置、遥控键盘及显示面板1、电池组6和电源板5组成。环境感知装置由旋转摄像机16、固定摄像机15、超声波传感器探头14、超声波传感器板10组成。行为决策装置由主机板3和硬盘4组成。通信网络装置由总线转换板及无线网卡2组成。运动控制装置是一块电机控制板9。旋转摄像头16的信号输出端与主机板3的视频信号输入端相连接，总线转换板及无线网卡2的总线信号端与主机板3的信号总线接口端相连接，硬盘4的数据线和地址线与主机板3的数据线和地址线分别相连接，电源板5的电源输出端与主机板3的电源输入端相连接，电源板5的电源输入端与电池组6的电源输出端相连接，固定摄像机16的信号输出端与主机板3的信号输入端相连接，电机控制板9的电源输入端与电池组6的电源输出端相连接，电机控制板9的信号输入端与主机板3的信号输出端相连接，电机控制板9的信号输出端分别与左驱动轮电机11、右驱动轮电机12和踢球电机13的信号输入端相连接；超声波传感器板10的电源输入端与电源板5的电源输出端相连接，超声波传感器板10的信号输出端与主机板3的信号输入端相连接，超声波传感器板10的信号输入端与超声波传感器探头14的八个接收探头14-2相连接，超声波传感器板10的信号输入端与超声波传感器探头14的八个发射探头14-1相连接，遥控键盘及显示面板1的信号输入端与主机板3相连接。机器人本体17内自下而上由水平隔板24分成九个水平的格层，最底部的第一格层17-1内设有行走装置和踢球装置，行走装置由左驱动电机11、右驱动电机12、皮带传动装置18、左驱动轮19、右驱动轮20、导轮21组成，左驱动电机11和右驱动电机12分别经一组皮带传动装置18连接左驱动轮19和右驱动轮20，导轮21设置在机器人本体17底部的前侧中间处。踢球装置由踢球转板22和踢球电机13组成，踢球转板22设置在机器人本体17前侧下端，踢球转板22与踢球电机13的主轴相连接，在踢球转板22的左右两侧各设有与机器人本体17固定连接的踢球导架23。在机器人本体17的第二格层17-2内设有电池组6和固定摄像机15；在第三格层17-3的外表面固定有八对传感器探头14，每对传感器探头由一个发射探头14-1和一个接收探头14-2组成；在第四格层17-4内设有电机控制板9；在第五格层17-5上设有电源板5；在第六格层17-6上设有硬盘4和超声波传感器板10；在第七格层17-7上还设有主机板3；在第八格层17-8上设有总线转换板及无线网卡2；在第九格层17-9上还设有遥控键盘及显示面板1。在机器人本体17的顶部设有旋转摄像机16。上述结构的机器人本体17具有结构紧凑、各部件便于安装和维修、抗干扰的优点。
具体实施方式
二如图4所示，具体实施方式
一中电机控制板9由可编程逻辑器IC1、三个精密位置控制芯片IC2、IC3、IC4、三个H-桥驱动芯片IC5、IC6、IC7、六个电容C1-C6组成，可编程逻辑器IC1选用AT22LV10-20DC型号，精密位置控制芯片IC2、IC3、IC4选用LM629N-6型号，H-桥驱动芯片IC5、IC6、IC7选用LMD18200T型号，IC1的IN0/CLK脚与主机板3的PC/104总线的B14脚相连接，IC1的地址线IN1～IN10与主机板3的PC/104总线的地址线A31～A22分别一一对应相连接，IC1的IN11脚悬空，IC1的IO1脚与IC2的输入端CS脚相连接，IC1的IO2脚与IC3的输入端CS脚相连接，IC1的IO3脚与IC4的输入端CS脚相连接，IC1的IO4脚与IC2、IC3、IC4的PS脚相连接，IC1的IO6脚与IC2、IC3、IC4的RST脚相连接，IC1的IO5、IO7、IO8、IO9、IO10脚悬空，IC2、IC3、IC4的HI脚悬空，IC2、IC3、IC4的数据线总线D0-D7与主机板3的PC/104总线的数据线A2-A9分别一一对应连接，IC2、IC3、IC4的RD脚都与主机板3的PC/104总线的地址线B14脚相连接，IC2、IC3、IC4的WR脚都与主机板3的PC/104总线的地址线B13脚相连接，IC2、IC3、IC4的CLK脚悬空，IC2、IC3、IC4的PWM SIGN脚和PWM MAG脚分别与对应的IC5、IC6、IC7的DIR IN脚和PWM IN脚对应相连接，IC5、IC6、IC7的CURRENT SENSE脚和THERMAL FLAG脚悬空，IC5、IC6、IC7的BRAKE脚都接地；IC5的BS1脚经电容C1与左驱动轮电机11的控制信号输入端正极相连接，IC5的OUT1脚与左驱动轮电机11的控制信号输入端正极相连接，IC5的OUT2脚与左驱动轮电机11的控制信号输入端负极相连接，IC5的BS2脚经电容C2与左驱动轮电机11的控制信号输入端负极相连接；IC6的BS1脚经电容C3与踢球电机13的控制信号输入端正极相连接，IC6的OUT1脚与踢球电机13的控制信号输入端正极相连接，IC6的OUT2脚与踢球电机13的控制信号输入端负极相连接，IC6的BS2脚经电容C4与踢球电机13的控制信号输入端负极相连接；IC7的BS1脚经电容C5与右驱动轮电机12的控制信号输入端正极相连接，IC7的OUT1脚与右驱动轮电机12的控制信号输入端正极相连接，IC7的OUT2脚与右驱动轮电机12的控制信号输入端负极相连接，IC7的BS2脚经电容C6与右驱动轮电机12的控制信号输入端负极相连接；左驱动轮电机11的电机运转信息输出端A、B端分别和IC2的信号输入端A、B脚对应相连接，踢球电机13的电机运转信息输出端A、B端分别和IC3的信号输入端A、B脚对应相连接，右驱动轮电机12的电机运转信息输出端A、B端分别和IC4的信号输入端A、B脚对应相连接。电机驱动板核心芯片采用LM629型号精密位置控制芯片，可输出PWM(脉冲宽度调制信号)控制信号，接收增量编码器的反馈信号实现闭环控制。驱动芯片采用LMD18200型号H-桥驱动芯片，可实现对LM629输出的PWM进行功率放大，以便驱动直流电机、无刷直流伺服电机和其他带有累积增量位置反馈信号的伺服机构等。可编程逻辑器件GAL22V10能代替多个分立元器件，实现控制总线逻辑和时序的要求。电机控制板9具有以下特点(1)控制总线采用PC/104，通用性强；(2)具有位置和速度控制模式，运动过程中速度、目标位置和控制参数可调整；(3)方便地进行PID控制；(4)控制方法简单，应用范围广泛。
具体实施方式
三如图5所示，具体实施方式
一中超声波传感器板10由八路模拟开关IC8、单片机IC9、音频译码芯片IC10、串口专用电平转换芯片IC11、三十二个电阻R1-R32、十二个电容C7-C18、两个放大器M1、M2、六个光电耦合器G1-G6、两个电位器W1、W2、八个三极管H1-H8和晶体振荡器V1组成，八路模拟开关IC8选用CD4051型号，单片机IC9选用78E58型号，音频译码芯片IC10选用LM567型号，串口专用电平转换芯片IC11选MAX232型号，放大器M1、M2选用LF412型号，光电耦合器G1-G6选用HP2630型号，IC8的模拟信号输入端0-7脚分别接八个超声波接收探头14-2的信号输出端，IC8的信号输出端DTH脚接光电耦合器G1的信号输出端，G1的两个电源端分接电阻R1、R5的一端，R1、R5的另一端接+Ec，G1信号输入端接IC9的P1.3脚，IC8的地址线A脚接光电耦合器G2的信号输出端，G2的两电源端分接电阻R2、R6的一端，R2、R6的另一端接+Ec，G2信号输入端接IC9的P1.2脚，IC8的地址线B脚接光电耦合器G3的信号输出端，G3的两个电源端分接电阻R3、R7的一端，R3、R7的另一端接+Fc，G3信号输入端接IC9的P11脚，IC8的地址线C脚接光电耦合器G4的信号输出端，G4的两电源端分接电阻R4、R8的一端，R4、R8的另一端接+Ec，G4信号输入端接IC9的P1.0脚，IC9的XTAL1脚和XTAL2脚分接晶体振荡器V1的两端，电容C13的一端接V1的一端，电容C13的另一端接地，电容C12的一端接V1的另一端，电容C12的另一端接地，IC9的信号输出端TxD脚接IC11的电平信号输入端10脚，IC9的信号输入端RxD脚接IC11的电平信号输出端9脚，IC11的4脚、5脚分接电容C16的两端，IC11的2脚经电容C14接+Ec，IC11的1脚、3脚分接电容C15的两端，IC11的6脚经电容C18接地，IC11的信号输出端7脚、8脚接主机板3的RS232端口；IC9的RST脚接电容C17一端和电阻R18的一端，C17的另一端接+Ec，R18的另一端接地，IC9的控制信号输出端P2.0脚经电阻R16接三极管H1的基极，H1的集电极接发射探头14-1的信号输入端和电阻R17的一端，R17的另一端接+Ec，三极管H1的发射极接地；IC9的控制信号输出端P2.1脚经电阻R19接三极管H2的基极，H2的集电极接发射探头14-1的信号输入端和电阻R20的一端，R20的另一端接+Ec，三极管H2的发射极接地；IC9的控制信号输出端P2.2脚经电阻R21接三极管H3的基极，H3的集电极接发射探头14-1的信号输入端和电阻R22的一端，R22的另一端接+Ec，三极管H3的发射极接地；IC9的控制信号输出端P2.3脚经电阻R23接三极管H4的基极，H4的集电极接发射探头14-1的信号输入端和电阻R24的一端，R24的另一端接+Ec，三极管H4的发射极接地；IC9的控制信号输出端P2.4脚经电阻R25接三极管H5的基极，H5的集电极接发射探头14-1的信号输入端和电阻R26的一端，R26的另一端接+Fc，三极管H5的发射极接地IC9的控制信号输出端P2.5脚经电阻R27接三极管H6的基极，H6的集电极接发射探头14-1的信号输入端和电阻R28的一端，R28的另一端接+Ec，三极管H6的发射极接地；IC9的控制信号输出端P2.6脚经电阻R29接三极管H7的基极，H7的集电极接发射探头14-1的信号输入端和电阻R30的一端，R30的另一端接+Ec，三极管H7的发射极接地；IC9的控制信号输出端P27脚经电阻R31接三极管H8的基极，H8的集电极接发射探头14-1的信号输入端和电阻R32的一端，R32的另一端接+Ec，三极管H8的发射极接地；八位模拟开关IC8的I/O脚接电容C7的一端，C7的另一端接电位器W1的一固定端，W1的另一固定端和滑动端接电阻R9的一端和放大器M1的反相输入端，M1的同相输入端接地，R9的另一端接M1的输出端、电阻R10的一端和电容C8的一端，R10的另一端接放大器M2的反相输入端和电阻R11的一端，M2的同相输入端接地，M2的输出端接电阻R11的另一端和光电耦合器G5的信号输入端，G5的两个电源输入端分接电阻R14、R15的一端，R14、R15的另一端接+Ec，G5的信号输出端接IC9的T0脚，电容C8的另一端接音频译码芯片IC10的信号输入端3脚，IC10的1脚经电容C9接地，IC10的2脚经电容C10接地，IC10的5脚接电位器W2的一固定端，W2的另一固定端和滑动端接IC10的6脚和电容C11一端，C11的另一端接地，IC10的信号输出端8脚接光电耦合器G6的信号输入端，G6的两个电源端分别接电阻R12、R13的一端，R12、R13的另一端+Ec，G6的信号输出端接IC9的INT0脚。超声波传感器板10采用的核心芯片是与MCS51系列单片机完全兼容的台湾华邦公司生产的微处理器78E58，主要完成超声波发射传感器的控制、40KHz方波脉冲的产生、超声波接收传感器的控制、轮流记录和读取发射超声波和接收到回波的时间差、以及将测得的数据通过标准RS232串行通讯口传送到主机板3。除此之外，超声波传感器板10上还有串口专用扩展芯片MAX232，完成TTL电平到RS232串行通讯电平的转换。八路模拟开关CD4051完成八路超声波回波的八选一功能。放大器LF412实现回波弱小信号的放大，光电耦合器HP2630实现数字电路与模拟电路的隔离。音频译码芯片LM567实现超声波回波的检波功能等。本电路具有如下特点(1)采用隔离技术消除了干扰，工作更加可靠；(2)最大可以巡回测量八个方向的距离，通道间隔离性好；(3)采用八选一模拟开关简化了电路设计，成本低；(4)测量速度快，适用范围广。
具体实施方式
四本具体实施方式
的全自主型足球机器人的智能控制系统主程序的控制过程为开始，首先系统初始化，系统初始化包括视觉系统、超声波传感器系统、无线通信系统，然后判断是否开球了？如果未开球，则返回判断是否开球的程序，如果已开球，则启动视觉系统寻找球和对方球门；再用超声波传感器测量目标距离，然后判断是否找到球了吗？如果未找到球，则继续寻找球，返回判断是否找到球的程序；如果已找到了球；则判断是否找到对方球门了吗？如果未找到对方球门，则继续寻找对方球门，返回判断是否找到对方球门的程序，如果找到了对方球门，则用传感融合算法计算球、对方球门及自己的相互位置；然后判断球在对方区域吗？如果球不在对方区域，则用无线电通信通知自己的伙伴速返回，然后进入判断对方球门、球、机器人是否在一条直线上程序，如果球在对方区域；则进入判断对方球门、球、机器人是否在一条直线上程序，如果不在一条直线，则用路径规划算法驱动机器人，使得机器人与对方球门、球在一条直线上，然后返回判断对方球门、球、机器人是否在一条直线上的程序，如果是，则驱动机器人向球方向运动，然后判断机器人是否到了球的前面？如果不是，则返回驱动机器人向球方向运动程序，如果到达球的前面，机器人停止前进，启动踢球电机，射门，结束。
具体实施方式
五如图7所示，具体实施方式
四中的主程序流程中的用视觉系统寻找球和对方球门子程序流程为开始，首先设置球、对方球门、我方球门及我方机器人、对方机器人的识别模板，然后模板匹配，判断是球吗？如果是，则记识别球标志，启动球定位算法程序，结束；如果不是球，则记识别球失败标志；判断是对方球门吗？如果是，则记识别对方球门标志，启动对方球门定位算法程序，结束；如果不是对方球门，则记识别对方球门失败标志；判断是我方球门吗？如果是，则记识别我方球门标志，启动我方球门定位算法程序，结束；如果不是我方球门，则记识别我方球门失败标志，判断是我方机器人吗？如果是，则记识别我方机器人标志，启动机器人定位算法程序，结束；如果不是我方机器人，则记识别我方球员失败标志；判断是对方机器人吗？如果是，则记识别对方机器人标志，启动机器人定位算法程序，结束；如果不是对方机器人，则记识别对方机器人失败标志；返回模板匹配程序。球定位算法流程为如图11所示，开始，设置我方机器人坐标系，求根据球识别模板求出的球的中心坐标(X0，Y0)，由曲线拟合公式将球的中心坐标(X0，Y0)转换成球相对我方机器人的距离D及角度Q，结束。球门定位算法流程为如图12所示，开始，设置我方机器人坐标系，求根据球门识别模板求出球门左、右边框的底坐标(X1，Y1)，(X2，Y2)，由曲线拟合公式将左、右边框的底坐标转换成左、右门框相对机器人的距离H1、H2及角度Q1、Q2，结束。通用识别模板的算法为，像素的RGB值转换为YUV值，转换公式为Y＝(114B+587G+299R)/1000U＝565(B-Y)/1000+128V＝713(R-Y)/1000+128。
球识别模板，设定识别球的阈值，在识别球阈值范围内的像素个数大于15，则标定为球。球门识别模板，设定识别球门的阈值；在识别球门阈值范围内的像素个数在大于50，则标定为球门。机器人识别模板，设定识别机器人阈值，在识别机器人阈值范围内的像素个数大于20，则标定为机器人。
具体实施方式
六如图8所示，具体实施方式
四中主程序流程中的用超声波传感器测量目标距离子程序流程为开始，首先传感器板初始化，从主机接受一个字节，判断控制字是1吗？如果不是，则返回从主机接受一个字节程序，如果控制字是1，则从主机再接受一个字节，判断是控制字2吗？如果不是，则返回从主机再接受一个字节程序，如果是控制字2，X＝控制字2循环右移一位，判断X的第0位是1吗？如果不是，则返回X＝控制字2循环右移一位程序，如果X的第0位是1，则调用超声波发射程序，然后延时；判断有中断发生吗？如果没有中断发生，返回延时程序，如果有中断发生，读取时间间隔计数值，计数值存入内部RAM，判断循环次数是否等于8，如果不是，则返回X＝控制字2循环右移一位程序，如果循环次数＝8，则向主机板3发送测量结果，结束。
具体实施方式
七如图9所示，具体实施方式
四的主程序流程中用路径规划算法驱动机器人，使机器人与对方球门、球在一条直线上的子程序流程为开始，首先读取传感器信息，判断是否发现球？如果没有发现球，则继续寻找，然后返回发现球程序，如果发现了球；判断是否发现对方球门？如果没有发现对方球门，则继续寻找，然后返回判断是否发现对方球门程序，如果发现对方球门，则用传感器融合算法计算球、对方球门及机器人的位置，求解射门区，判断自身机器人是否在射门区？如果自身机器人不在射门区，则驱动机器人向射门区运动，然后返回自身机器人是否在射门区的判断程序，如果自身机器人在射门区，则判断对方球门、球及机器人的踢球方向是否在一条直线上？如果不在一条直线上，则机器人转动，使踢球方向、球和对方球门成一条直线，然后驱动机器人向球方向运动，且启动踢球电机程序，如果对方球门、球及机器人的踢球方向在一条直线上时，则直接到自身机器人向球方向运动，且启动踢球电机程序，射门后，机器人停止，结束。
具体实施方式
八如图10所示，具体实施方式
四主程序流程中的电机驱动子程序流程为开始，首先驱动系统复位，驱动程序参数初始化，然后主机读精密位置控制芯片IC2、IC3、IC4状态字，判断初始化是否成功？如初始化没有成功，则返回驱动系统复位程序，如果初始化成功，则设定电机板PID参数，执行PID，设定运动参数，启动电机，判断电机速度是否是规定速度？如果不是，则调速，然后返回判断电机速度是否是规定速度程序，如果电机速度是规定速度，则判断电机加速度是否是规定的加速度？如果不是，则调速，然后返回判断电机加速度是否是规定的加速度程序，如果电机加速度是规定的加速度，则判断是否运动了规定的距离？如果不是，则调速，然后返回判断是否运动了规定的距离程序，如果是规定距离，则进入判断动作是否结束，如果动作未结束，则返回设定电机板PID参数程序，如果动作结束，则结束过程。
权利要求
1.全自主型足球机器人，它包含机器人本体(17)以及设置在机器人本体(17)底层的行走装置和踢球装置、以及电源板(5)和电池组(6)，行走装置包含带动左右驱动轮转动的左驱动轮电机(11)和右驱动轮电机(12)，踢球装置包含有带动踢球转板(22)转动的踢球电机(13)，其特征在于它还包含有由旋转摄像机(16)、固定摄像机(15)、超声波传感器探头(14)、超声波传感器板(10)组成的环境感知装置；由主机板(3)和硬盘(4)组成的行为决策装置；由总线转换板及无线网卡(2)组成的通信装置；由电机控制板(9)组成的运动控制装置；上述装置均安装在机器人本体(17)的各个格层上；旋转摄像头(16)的信号输出端接主机板(3)的信号输入端，总线转换板及无线网卡(2)总线信号端与主机板(3)的信号输入输出端相连接，硬盘(4)的数据线和地址线与主机板(3)的数据线和地址线分别相连接，电源板(5)的电源输出端与硬盘(4)的电源输入端相连接，电源板(5)的电源输出端与主机板(3)的电源输入端相连接，电源板(5)的电源输入端与电池组(6)的电源输出端相连接，固定摄像机(15)的信号输出端与主机板(3)的信号输入端相连接，电机控制板(9)的电源输入端与电池组(6)的电源输出端相连接，电机控制板(9)的信号输入端与主机板(3)的信号输出端相连接，电机控制板(9)的信号输出端分别与左驱动轮电机(11)、右驱动轮电机(12)和踢球电机(13)的信号输入端相连接；超声波传感器板(10)的电源输入端与电源板(5)的电源输出端相连接，超声波传感器板(10)的信号输出端与主机板(3)的信号输入端相连接，超声波传感器板(10)的信号输入端与超声波传感器探头(14)的接收探头(14-2)相连接，超声波传感器板(10)的信号输出端与超声波传感器探头(14)的发射探头(14-1)相连接。
2.根据权利要求1所述的全自主型足球机器人，其特征在于机器人本体(17)内自下而上由水平隔板(24)分成九个水平格层，在机器人本体(17)的第二格层(17-2)内设有电池组(6)和固定摄像机(15)；在第三格层(17-3)的外表面固定有八对传感器探头(14)，每对传感器探头由一个发射探头(14-1)和一个接收探头(14-2)组成；在第四格层(17-4)内设有电机控制板(9)；在第五格层(17-5)上设有电源板(5)；在第六格层(17-6)上设有硬盘(4)和超声波传感器板(10)；在第七格层(17-7)上还设有主机板(3)；在第八格层(17-8)上设有总线转换板及无线网卡(2)。
3.根据权利要求1所述的全自主型足球机器人，其特征在于行走装置由左驱动电机(11)、右驱动电机(12)、皮带传动装置(18)、左驱动轮(19)、右驱动轮(20)、导轮(21)组成，左驱动电机(11)和右驱动电机(12)分别经一组皮带传动装置(18)连接左驱动轮(19)和右驱动轮(20)，导轮(21)设置在机器人本体(17)底部的前侧中间处。
4.根据权利要求1所述的全自主型足球机器人，其特征在于踢球装置由踢球转板(22)和踢球电机(13)组成，踢球转板(22)设置在机器人本体(17)前侧下端，踢球转板(22)与踢球电机(13)的主轴相连接。
5.根据权利要求1所述的全自主型足球机器人，其特征在于在踢球转板(22)的左右两侧各设有与机器人本体(17)固定连接的踢球导架(23)。
6.根据权利要求2所述的全自主型足球机器人，其特征在于在机器人本体(17)的第九格层(17-9)上还设有遥控键盘及显示面板(1)。
7.根据权利要求1所述的全自主型足球机器人，其特征在于电机控制板(9)由可编程逻辑器IC1、三个精密位置控制芯片IC2、IC3、IC4、三个H-桥驱动芯片IC5、IC6、IC7、六个电容C1-C6组成，IC1的IN0/CLK脚与主机板(3)的PC/104总线的B14脚相连接，IC1的地址线IN1～IN10与主机板(3)的PC/104总线的地址线A31～A22分别一一对应相连接，IC1的IO1脚与IC2的输入端CS脚相连接，IC1的IO2脚与IC3的输入端CS脚相连接，IC1的IO3脚与IC4的输入端CS脚相连接，IC1的IO4脚与IC2、IC3、IC4的PS脚相连接，IC1的IO6脚与IC2、IC3、IC4的RST脚相连接，IC2、IC3、IC4的数据线总线D0-D7与主机板(3)的PC/104总线的数据线A2-A9分别一一对应连接，IC3、IC3、IC4的RD脚都与主机板(3)的PC/104总线的地址线B14脚相连接，IC2、IC3、IC4的WR脚都与主机板(3)的PC/104总线的地址线B13脚相连接，IC2、IC3、IC4的PWM SIGN脚和PWM MAG脚分别与对应的IC5、IC6、IC7的DIR IN脚和PWM IN脚对应相连接，IC5、IC6、IC7的BRAKE脚都接地；IC5的BS1脚经电容C1与左驱动轮电机(11)的控制信号输入端正极相连接，IC5的OUT1脚与左驱动轮电机(11)的控制信号输入端正极相连接，IC5的OUT2脚与左驱动轮电机(11)的控制信号输入端负极相连接，IC5的BS2脚经电容C2与左驱动轮电机(11)的控制信号输入端负极相连接；IC6的BS1脚经电容C3与踢球电机(13)的控制信号输入端正极相连接，IC6的OUT1脚与踢球电机(13)的控制信号输入端正极相连接，IC6的OUT2脚与踢球电机(13)的控制信号输入端负极相连接，IC6的BS2脚经电容C4与踢球电机(13)的控制信号输入端负极相连接；IC7的BS1脚经电容C5与右驱动轮电机(12)的控制信号输入端正极相连接，IC7的OUT1脚与右驱动轮电机(12)的控制信号输入端正极相连接，IC7的OUT2脚与右驱动轮电机(12)的控制信号输入端负极相连接，IC7的BS2脚经电容C6与右驱动轮电机(12)的控制信号输入端负极相连接；左驱动轮电机(11)的电机运转信息输出端A、B端分别和IC2的信号输入端A、B脚对应相连接，踢球电机(13)的电机运转信息输出端A、B端分别和IC3的信号输入端A、B脚对应相连接，右驱动轮电机(12)的电机运转信息输出端A、B端分别和IC4的信号输入端A、B脚对应相连接。
8.根据权利要求1所述的全自主型足球机器人，其特征在于超声波传感器板(10)由八路模拟开关IC8、单片机IC9、音频译码芯片IC10、串口专用电平转换芯片IC11、三十二个电阻R1-R32、十二个电容C7-C18、两个放大器M1、M2、六个光电耦合器G1-G6、两个电位器W1、W2、八个三极管H1-H8和晶体振荡器V1组成，IC8的模拟信号输入端0-7脚分别接八个超声波接收探头14-2的信号输出端，IC8的信号输出端DTH脚接光电耦合器G1的信号输出端，G1的两个电源端分接电阻R1、R5的一端，R1、R5的另一端接+Ec，G1信号输入端接IC9的P1.3脚，IC8的地址线A脚接光电耦合器G2的信号输出端，G2的两电源端分接电阻R2、R6的一端，R2、R6的另一端接+Ec，G2信号输入端接IC9的P1.2脚，IC8的地址线B脚接光电耦合器G3的信号输出端，G3的两个电源端分接电阻R3、R7的一端，R3、R7的另一端接+Ec，G3信号输入端接IC9的P1.1脚，IC8的地址线C脚接光电耦合器G4的信号输出端，G4的两电源端分接电阻R4、R8的一端，R4、R8的另一端接+Ec，G4信号输入端接IC9的P1.0脚，IC9的XTAL1脚和XTAL2脚分接晶体振荡器V1的两端，电容C13的一端接V1的一端，电容C13的另一端接地，电容C12的一端接V1的另一端，电容C12的另一端接地，IC9的信号输出端TxD脚接IC11的电平信号输入端10脚，IC9的信号输入端RxD脚接IC11的电平信号输出端9脚，IC11的4脚、5脚分接电容C16的两端，IC11的2脚经电容C14接+Ec，IC11的1脚、3脚分接电容C15的两端，IC11的6脚经电容C18接地，IC11的信号输出端7脚、8脚接主机板(3)的RS232端口；IC9的RST脚接电容C17一端和电阻R18的一端，C17的另一端接+Ec，R18的另一端接地，IC9的控制信号输出端P20脚经电阻R16接三极管H1的基极，H1的集电极接发射探头(14-1)的信号输入端和电阻R17的一端，R17的另一端接+Ec，三极管H1的发射极接地；IC9的控制信号输出端P2.1脚经电阻R19接三极管H2的基极，H2的集电极接发射探头(14-1)的信号输入端和电阻R20的一端，R20的另一端接+Ec，三极管H2的发射极接地；IC9的控制信号输出端P2.2脚经电阻R21接三极管H3的基极，H3的集电极接发射探头(14-1)的信号输入端和电阻R22的一端，R22的另一端接+Ec，三极管H3的发射极接地；IC9的控制信号输出端P23脚经电阻R23接三极管H4的基极，H4的集电极接发射探头(14-1)的信号输入端和电阻R24的一端，R24的另一端接+Ec，三极管H4的发射极接地；IC9的控制信号输出端P2.4脚经电阻R25接三极管H5的基极，H5的集电极接发射探头(14-1)的信号输入端和电阻R26的一端，R26的另一端接+Ec，三极管H5的发射极接地；IC9的控制信号输出端P2.5脚经电阻R27接三极管H6的基极，H6的集电极接发射探头(14-1)的信号输入端和电阻R28的一端，R28的另一端接+Ec，三极管H6的发射极接地；IC9的控制信号输出端P2.6脚经电阻R29接三极管H7的基极，H7的集电极接发射探头(14-1)的信号输入端和电阻R30的一端，R30的另一端接+Ec，三极管H7的发射极接地；IC9的控制信号输出端P2.7脚经电阻R31接三极管H8的基极，H8的集电极接发射探头14-1的信号输入端和电阻R32的一端，R32的另一端接+Ec，三极管H8的发射极接地；八位模拟开关IC8的I/O脚接电容C7的一端，C7的另一端接电位器W1的一固定端，W1的另一固定端和滑动端接电阻R9的一端和放大器M1的反相输入端，M1的同相输入端接地，R9的另一端接M1的输出端、电阻R10的一端和电容C8的一端，R10的另一端接放大器M2的反相输入端和电阻R11的一端，M2的同相输入端接地，M2的输出端接电阻R11的另一端和光电耦合器G5的信号输入端，G5的两个电源输入端分接电阻R14、R15的一端，R14、R15的另一端接+Ec，G5的信号输出端接IC9的T0脚，电容C8的另一端接音频译码芯片IC10的信号输入端3脚，IC10的1脚经电容C9接地，IC10的2脚经电容C10接地，IC10的5脚接电位器W2的一固定端，W2的另一固定端和滑动端接IC10的6脚和电容C11一端，C11的另一端接地，IC10的信号输出端8脚接光电耦合器G6的信号输入端，G6的两个电源端分别接电阻R12、R13的一端，R12、R13的另一端+Ec，G6的信号输出端接IC9的INT0脚。
9.全自主型足球机器人的智能控制系统，其特征在于它的主程序的控制过程为开始，首先系统初始化，系统初始化包括视觉系统、超声波传感器系统、无线通信系统，然后判断是否开球了？如果未开球，则返回判断是否开球的程序，如果已开球，则启动视觉系统寻找球和对方球门；再用超声波传感器测量目标距离，然后判断是否找到球了吗？如果未找到球，则继续寻找球，返回判断是否找到球的程序；如果已找到球；则判断是否找到对方球门了吗？如果未找到对方球门，则继续寻找对方球门，返回判断是否找到对方球门的程序，如果找到了对方球门，则用传感融合算法计算球、对方球门及自己的相互位置；然后判断球在对方区域吗？如果球不在对方区域，则用无线电通信通知自己的伙伴速返回，然后进入判断对方球门、球、机器人是否在一条直线上程序，如果球在对方区域；则进入判断对方球门、球、机器人是否在一条直线上程序，如果不在一条直线，则用路径规划算法驱动机器人，使得机器人与对方球门、球在一条直线上，然后返回判断对方球门、球、机器人是否在一条直线上的程序，如果是在一条直线上，则驱动机器人向球方向运动，然后判断机器人是否到了球的前面？如果不是，则返回驱动机器人向球方向运动程序，如果到达了球的前面，机器入停止前进，启动踢球电机，射门，结束。
10.根据权利要求9所述的全自主型足球机器人的智能控制系统，主程序流程中的用视觉系统寻找球和对方球门子程序流程为开始，首先设置球、对方球门、我方球门及我方机器人、对方机器人的识别模板，然后模板匹配，判断是球吗？如果是，则记识别球标志，启动球定位算法程序，结束；如果不是球，则记识别球失败标志；判断是对方球门吗？如果是，则记识别对方球门标志，启动对方球门定位算法程序，结束；如果不是对方球门，则记识别对方球门失败标志；判断是我方球门吗？如果是，则记识别我方球门标志，启动我方球门定位算法程序，结束；如果不是我方球门，则记识别我方球门失败标志，判断是我方机器人吗？如果是，则记识别我方机器人标志，启动机器人定位算法程序，结束；如果不是我方机器人，则记识别我方球员失败标志；判断是对方机器人吗？如果是，则记识别对方机器人标志，启动机器人定位算法程序，结束；如果不是对方机器人，则记识别对方机器人失败标志；返回模板匹配程序。
11.根据权利要求9所述的全自主型足球机器人的智能控制系统，其特征在于主程序流程中的用超声波传感器测量目标距离子程序流程为开始，首先传感器板初始化，从主机接受一个字节，判断控制字是1吗？如果不是，则返回从主机接受一个字节程序，如果控制字是1，则从主机再接受一个字节，判断是控制字2吗？如果不是，则返回从主机再接受一个字节程序，如果是控制字2，X＝控制字2循环右移一位，判断X的第0位是1吗？如果不是，则返回X＝控制字2循环右移一位程序，如果X的第0位是1，则调用超声波发射程序，然后延时；判断有中断发生吗？如果没有中断发生，返回延时程序，如果有中断发生，读取时间间隔计数值，计数值存入内部RAM，判断循环次数是否等于8，如果不是，则返回X＝控制字2循环右移一位程序，如果循环次数＝8，则向主机板3发送测量结果，结束。
12.根据权利要求9所述的全自主型足球机器人的智能控制系统，其特征在于主程序流程中用路径规划算法驱动机器人，使机器人与对方球门、球在一条直线上的子程序流程为开始，首先读取传感器信息，判断是否发现球？如果没有发现球，则继续寻找，然后返回发现球程序，如果发现了球；判断是否发现对方球门？如果没有发现对方球门，则继续寻找，然后返回判断是否发现对方球门程序，如果发现对方球门，则用传感器融合算法计算球、对方球门及机器人的位置，求解射门区，判断自身机器人是否在射门区？如果自身机器人不在射门区，则驱动机器人向射门区运动，然后返回自身机器人是否在射门区的判断程序，如果自身机器人在射门区，则判断对方球门、球及机器人的踢球方向是否在一条直线上？如果不在一条直线上，则机器入转动，使踢球方向、球和对方球门成一条直线，然后驱动机器人向球方向运动，且启动踢球电机程序，如果对方球门、球及机器人的踢球方向在一条直线上时，则直接到自身机器人向球方向运动，且启动踢球电机程序，射门后，机器人停止，结束。
13.根据权利要求9所述的全自主型足球机器人的智能控制系统，其特征在于主程序流程中的电机驱动子程序流程为开始，首先驱动系统复位，驱动程序参数初始化，然后主机读精密位置控制芯片IC2、IC3、IC4状态字，判断初始化是否成功？如初始化没有成功，则返回驱动系统复位程序，如果初始化成功，则设定电机板PID参数，执行PID，设定运动参数，启动电机，判断电机速度是否是规定速度？如果不是，则调速，然后返回判断电机速度是否是规定速度程序，如果电机速度是规定速度，则判断电机加速度是否是规定的加速度？如果不是，则调速，然后返回判断电机加速度是否是规定的加速度程序，如果电机加速度是规定的加速度，则判断是否运动了规定的距离？如果不是，则调速，然后返回判断是否运动了规定的距离程序，如果是规定距离，则进入判断动作是否结束，如果动作未结束，则返回设定电机板PID参数程序，如果动作结束，则结束过程。
全文摘要
全自主型足球机器人及其智能控制系统，它涉及一种高智能化机器人及其控制系统。它包含机器人本体以及行走装置和踢球装置，它还包含有由旋转摄像机、固定摄像机、超声波传感器探头、超声波传感器板组成的环境感知装置；由主机板、硬盘组成的行为决策装置；由总线转换板及无线网卡组成的通信网络装置；由电机控制板组成的运动控制装置。上述装置均安装在本体的格层上。该机器人的信息的流动方向是首先从“环境感知装置”得到环境的信息输入到“行为决策装置”，然后产生的行为命令信号输入到“运动控制装置”，最后产生的一系列控制信号来控制机器人做具体的动作。该机器人不但可以单个工作，而且通过协调与合作完成一个机器人不能完成的任务。
文档编号A63F7/06GK1394660SQ0213274
公开日2003年2月5日 申请日期2002年8月6日 优先权日2002年8月6日
发明者洪炳镕, 申庆撤, 高庆吉, 黄庆成 申请人:哈尔滨工业大学