基本信息
- 項目名稱：
- RoboCup小型組足球機器人競賽及實驗平臺
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 小型組輪式機器人足球比賽是RoboCup機器人足球世界杯賽的主要項目之一，同時也是機器人技術和人工智能理論的良好的實驗平臺。本項目設計制作的RoboCup小型組足球機器人競賽及實驗平臺，可作為小型組足球機器人競賽的標準平臺推廣應用，也可以作為功能完備的競賽系統(tǒng)直接參加機器人足球比賽，還可在此基礎上開展機器人技術實驗研究，為機器人技術新算法、新模型提供創(chuàng)新實驗平臺。
- 詳細介紹：
- 該平臺從機器人足球比賽和實驗研究的實際需求出發(fā)，制作了四輪蝶形分布的機器人運動機構，實現(xiàn)了機器人的多自由度全向移動，并設計了控球、擊球等機械機構；針對運動機構的特點研究了機器人的運動控制算法，設計了以ARM和FPGA為核心的機器人的底層控制系統(tǒng)，構建了穩(wěn)定可靠的機器人子系統(tǒng)；基于畸變校正、目標分割、圖像識別等圖像處理方法開發(fā)了適合于實驗室場地的機器視覺系統(tǒng)；編寫了機器人自主決策系統(tǒng)，對機器人行為進行預測判斷、提供決策庫支持、實現(xiàn)動態(tài)環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃；設計了2.4G射頻通信模塊，構建該平臺的無線通信系統(tǒng)，實現(xiàn)機器人子系統(tǒng)與上層決策控制系統(tǒng)之間的信息交換；此外，本平臺還使用“平臺/插件”軟件體系構建了RoboCup小型組足球機器人的開放式仿真系統(tǒng)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 創(chuàng)新點： RoboCup小型組足球機器人競賽及實驗平臺相比其他小型組足球機器人競賽系統(tǒng)，具有如下優(yōu)勢： (1) 優(yōu)越的機器人性能：通過對機械結構、硬件電路和底層控制算法的深入研究和優(yōu)化，本平臺制作了機械性能優(yōu)良的行走機構、控球機構、擊球和挑球機構，并設計了穩(wěn)定可靠的控制電路和先進的機器人底層控制算法，提高了機器人的運動性能、執(zhí)行能力和控制精度。 (2) 先進的視覺系統(tǒng)：本平臺在畸變校正和圖像分割的基礎上，進行圖像識別和信息融合，提高了定位精度，并具有良好的環(huán)境適應能力。 (3) 開放仿真實驗系統(tǒng)：本平臺基于“平臺/插件”軟件體系結構建立了開放式仿真實驗系統(tǒng)，仿真實驗系統(tǒng)替代了實體機器人的角色，為決策系統(tǒng)提供一個算法研究驗證平臺，可以脫離實體機器人的具體硬件環(huán)境，直接在決策調(diào)度層面上實現(xiàn)策略仿真。 技術關鍵： (1)輪式機器人運動控制方法的研究 (2)視覺系統(tǒng)的目標識別算法的實現(xiàn) 主要技術指標： (1)機器人尺寸/重量：φ180×150mm/2.5kg (2)最大速度：2.5m/s (3)最大加速度：7m/s2 (4)擊球速度：10m/s (5)挑球高度/距離：92cm/377cm (6)位置精度：1cm (7)角度誤差：小于3度 (8)運動控制：機器人的移動、旋轉、避障等基本行為，提供運動庫支持 (9)控制策略：多Agent的機器人角色驅動，提供策略庫支持
科學性、先進性
- (1) 制作了四輪蝶形分布的機器人運動機構，實現(xiàn)了機器人的多自由度全向移動，將小型組足球機器人最大速度提升到2.5m/s ，最大加速度提高到7m/s2； (2) 優(yōu)化傳射機構設計，使擊球速度達到10m/s，挑球高度可達92cm，最遠距離377cm； (3) 在畸變校正和圖像分割的基礎上，進行圖像識別和信息融合，提高了視覺系統(tǒng)定位精度，機器人定位精度達1cm，角度誤差小于3度，對環(huán)境適應能力強，無需專用光源； (4) 建立了開放式仿真實驗系統(tǒng)，可以脫離實體機器人的具體硬件環(huán)境，直接在決策調(diào)度層面上實現(xiàn)策略仿真。
獲獎情況及鑒定結果
- 2009年，中國機器人大賽暨RoboCup中國公開賽，全國冠軍； 2010年，中國機器人大賽暨RoboCup中國公開賽，全國冠軍。
作品所處階段
- 中試階段： 該平臺正在與教學和科研機器人廠商合作進行產(chǎn)品轉化，以期在更大范圍內(nèi)得到推廣應用
技術轉讓方式
- 專利授權、合作生產(chǎn)
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品；現(xiàn)場演示；圖片；錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- RoboCup小型組足球機器人競賽及實驗平臺性能優(yōu)良、穩(wěn)定可靠、可擴展性強，可以作為RoboCup小型組足球機器人競賽的標準平臺推廣應用，也可以作為功能完備的競賽系統(tǒng)直接參加機器人足球比賽。本系統(tǒng)還提供了豐富的接口調(diào)用和開放的仿真實驗平臺，在此基礎上能夠開展機器人運動控制、計算機視覺定位、人工智能、決策庫、路徑規(guī)劃與避障算法等實驗研究，既可以作為相關理論的驗證工具，又能為學生及科研人員新算法、新模型提供創(chuàng)新實驗平臺，從而提高小型組足球機器人競賽水平，推進機器人技術和人工智能理論的發(fā)展進步。 目前，該平臺正在與教學和科研機器人廠商合作進行產(chǎn)品轉化，以期在更大范圍內(nèi)得到推廣應用，擔當基礎研究與工程試驗乃至實際應用的中介和橋梁，促進產(chǎn)、學、研相結合，有效推動相關學科領域發(fā)展。
同類課題研究水平概述
- 美國Cornell大學是小型組足球機器人研究的先驅者，先后研制成功了三代機器人競賽和實驗平臺。第一代產(chǎn)品使用完全性約束的三輪全方位驅動的行走機構，并設計了相應的控制算法，為三輪全方位驅動機器人的理論研究和實用化奠定了基礎；第二代平臺則開始使用較為原始的四輪全方位運動機構，具有更大的運動速度和加速度，并在機器人的底層控制算法和決策系統(tǒng)的架構上進行了較為深入的研究；第三代機器人平臺進行了分布式?jīng)Q策的嘗試，計算機把攝像頭采集到的場上信息經(jīng)過簡單處理后發(fā)給機器人，這種模式向分布式多智能體方向邁進了一步，由于這種創(chuàng)新設計不夠健壯，最終在比賽和實際應用中沒有發(fā)揮出預期的效果。 美國卡內(nèi)基梅隆大學也在小型組足球機器人領域進行了較多的研究，卡內(nèi)基梅隆大學的CMDragons平臺在Corenll大學研究成果的基礎上設計了較為完善的決策系統(tǒng)，優(yōu)化了決策系統(tǒng)的整體架構以及機器人策略、角色分配、路徑規(guī)劃和底層控制的算法。同時在機器視覺的改進上進行了大量的探索，較好地滿足了機器人足球比賽對視覺定位系統(tǒng)的要求。然而，CMU較為陳舊的機械結構等因素限制了該機器人平臺性能的發(fā)揮。 泰國農(nóng)業(yè)大學是小型組機器人領域的后起之秀，泰國農(nóng)業(yè)大學的Skuba機器人平臺使用簡單而又結構化的機械機構搭建了機器人機身，并憑借精準的底層控制和巧妙的戰(zhàn)術配合在競賽中有較好的表現(xiàn)，Skuba平臺繼承和發(fā)展了卡內(nèi)基梅隆大學的視覺系統(tǒng)，在定位精度和響應時間上都有了較大的提高。目前Skuba平臺還沒有針對試驗和科研等開放性應用進行專門設計。 除此之外，在機器人競賽和實驗、科研中比較常見的機器人平臺還有博創(chuàng)科技公司的旅行家3號和未來伙伴機器人公司的AS-RO機器人。這兩種機器人實驗平臺均采用三輪全向移動方式，憑借強大的動力系統(tǒng)能實現(xiàn)機器人的高速運動。此外，這兩種機器人還采用了全景攝像機圖像采集系統(tǒng)，機器人作為獨立智能體擁有獨立視覺處理系統(tǒng)，而控制系統(tǒng)則有安裝在機器人機身上的筆記本電腦或者PC104工控計算機來實現(xiàn)。這兩種機器人均屬于中型機器人，成本較高，且對活動場地要求較高，不便于在室內(nèi)環(huán)境下使用，運動靈活程度遜于小型組機器人，因此在實驗室充當機器人平臺具有一定的局限性。
