1.足球机器人概述
1.1足球机器人比赛及现状
现在的足球机器人比赛还远没有达到我们想要达到的地步，现在的比赛完全是一种仿真式的比赛，现在的足球机器人比赛的场地按国际的规定为1.5米×1.3米场地。场地上有中线，有门区，这与我们的实际的比赛没有什么太大的区别。每个足球机器人的车体按国际的规定不超过7.5cm×7.5cm×7.5cm.,（微型机器人比赛）机器人小车负责把红色的高尔夫小球撞进球门。在赛场的上方有一个摄像头，摄像头把得到的信息上传到计算机中。经计算机的特定程序处理，得到场上双方的态势，再经过决策系统的处理，输出相应的数据。经通讯系统发送与接收，控制机器人小车在场上奔跑。
机器人足球在世界范围都是新兴事物、新兴技术、新兴产业，在很多方面仍处于探索、实验阶段。在我国更是方兴未艾，国内只有少数高校、单位进行研究开发，而且研究的方向也比较窄，还有很大的发展前景和发展空间。
1.2足球机器人对产业和研究的作用
智能机器人是一个在感知—思维—执行—决策多方面全面模拟人类活动的机器智能系统。机器人足球是在一个小平台上两支机器人球队之间进行的足球比赛，需要人工智能技术中的视觉、传感融合、行为决策、知识处理等技术，而且还需要使无线通讯、智能控制、机电仪一体化、计算机仿真等许多关键技术有机、高效的集成统一。因此机器人足球世界杯赛是以一个国家的综合科学和技术实力为背景，可以推动产业和科学研究的深入和进步。
( 1 ) 机器视觉技术
对于足球机器人，其机器视觉系统的作用相当于人类的眼睛，用于观察、理解和判断与比赛有关的各种信息及相互变化， 并将这些信息传递给信息处理单元。足球比赛意味着要求机器人对比赛目标进行快速识别，并且准确定位与比赛相关的各种目标( 如球和球门等) 的位置。足球机器人技术可以推动视觉和图像处理技术的快速发展，并用于经济生活中各种服务现场的实时监控、工业产品和日用品的非接触质量检验及开发各种实时智能控制系统等。
( 2 ) 机电仪一体化
人类从事足球运动，教练员需要选材，目的是保证运动员有一个良好的身体条件。机电仪一体化技术将给机器人球队提供结构合理、强壮和敏捷的外在身体条件，为机器人的可靠、耐久和快速运动提供保证。现阶段，由于技术上的问题机器人普遍未安装两条腿，而用电机驱动的轮子来代替腿。这种技术可适用于各种家电产品及智能机器人的开发。
( 3 )智能控制技术
聪明的足球运动员善于用脑踢球， 而不仅仅用脚。智能控制技术为机器人球队提供行为决策能力，以保证在复杂动态环境条件下， 运用知识智能产生实时行为决策。足球机器人的决策系统相当于一个强大的足球指挥专家系统， 是足球教练员和运动员智能决策的有机统一。一个成熟的足球智能控制系统永远不会出现所谓运动员对教练员意图的理解不透彻或执行不力等情况。该技术可有效推动基于专家系统的智能控制系统的开发。
( 4 ) 计算机技术
计算机技术，包括嵌入式计算机技术是机器人的控制核心，要求体积很小， 但知识存储量大，用于给机器人球队提供具有丰富知识结构的大脑，以及控制机器人的视觉、听觉、运动及决策执行等过程。机器人涉及的计算机技术需要硬件与软件技术的完美结合和综合运用，可推动各种家电及军用装备控制计算机技术的发展。
( 5 ) 无线通信技术
对于足球机器人，无线通信技术相当于人类的耳朵，用于提供机器人之间信息交流所必需的通信网络系统。随着技术的发展，未来机器人足球比赛系统对无线通讯系统可靠性、安全性的要求进一步提高，既要保证通信不受干扰、防止通信阻塞，还要保证队员之间的通信和指令不被对方机器人所截取和破译。因此，成熟的足球机器人球队的通信技术可广泛用于无线网络、分布式控制、信息安全及信息电器系统的开发之中。
( 6 ) 传感及数据融合技术
在未知环境下，足球机器人主要依靠多传感器信息，运用数据融合算法， 提供与环境有关的系统状态的充分并可靠的信息，用于解决机器人在复杂的动态环境条件下自主规划路径、躲避障碍物、不犯规、以最佳路线接近目标。多传感器数据融合技术增加了测量的维数和置信度，改进了探测性能，扩展了空间和时间的覆盖范围，改进了系统的可靠性、可维护性、系统容错性和运行鲁棒性。该技术可以用于提高资源共享和资源的利用率，以及各种机器人的路径规划，精密仪器仪表的研制及系统辨识等方面问题。
2.足球机器人的总体设计
2.1足球机器人的工作过程
足球机器人系统是智能机器人领域出现的典型多智能体系统，它分为四个子系统图1所示，即：视觉子系统、决策子系统、通信子系统和控制子系统。
足球机器人的工作过程，通过视觉子系统获得球场上的位置信息，然后把这些信息传给决策子系统，决策子系统通过人工智能等先进技术对这些信息进行分析，调用策略库与动作库，然后通过无线通信子系统把这些信息传递给球场上的机器人，机器人根据这些信息做出相应的动作.
2.2足球机器人控制核心的选择
机器人足球竞赛本质上是决策和体性能的竞赛，根据国际上MIROSOT系列比赛规则的要求，机器人小车的尺寸应不大于7．5 cm×7．5 cm×7．5cm，车体性能在其中占据着尤为重要的地位，而其底层控制的好坏又决定着车体机械性能是否能够得到充分发挥。
以往的足球机器人控制器通常采用8位或16位的单片机作为微控制器。虽然这种微控制器具有成本较低，硬件开发周期短等优点，但由于采用的是串行指令，不可避免地存在采样周期长，复杂的控制算法难于实现的缺点。近年来，随着比赛对机器人各项性能指标要求的逐年提高以及机器人结构复杂性的逐步增加，主控芯片的负担越来越重，大多数机器人足球队伍都在不断地提高主控芯片的档次以适应越来越激烈的国际竞争。本文采用TI公司的电机数字控制专用数字信号处理器TMS320F2812，专门为数字电机控制中的应用而优化的DSP控制器，是目前用于工业控制和机器人控制等领域中的最高档的DSP之一，比起TMS320LF2407A来讲，各项性能指标都有了显著的提高，卓越的处理能力及电机控制的外围部件的集成，使之为足球机器人提供更优秀的设计方案。
2.3足球机器人总体结构
足球机器人整体可分为4个子系统：视觉子系统、决策子系统、通讯子系统及机器人小车子系统。视觉子系统由摄像机、图像板及图像处理软件组成。决策子系统在主机上处理，决策子系统处理来自视觉子系统的实际场景视频数据，作出决策命令，由机器人完成一定的动作。对于足球机器人系统，通讯方式的选择关系到比赛是否可以顺利进行、指令传输的可靠性等方面，是至关重要的一环。机器人小车子系统是一个执行机构，其主要涉及到PID 控制、机械传动以及智能控制等几方面，如图2所示。微型机器人的4个子系统通过计算机视觉闭环而构成了智能决策与控制系统。
3.足球机器人硬件系统设计
由于足球机器人涉及到很多知识，这里我只对与我研究生方向有关的部分进行设计。
3.1电机驱动部分
机器人四组万向轮分别使用直流电机驱动，并配置了512线编码器和电流反馈电路。电动机始终是通过PWM驱动电动机电路来控制运行的。足球机器人的电机控制中，要求直流电机能够正反转工作，这里需要可逆PWM控制系统。可逆PWM 控制系统分为单极性驱动和双极性驱动。本系统采用单极性驱动方式来驱动直流电机，所选驱动器为L298驱动器，L298是驱动二桐和四相步进电机的专用驱动芯片，部具有两路完梧“H”型桥式驱动两个直流电动，使其达到相应的电压，这里选择封装形式为PowerS020的L298P，节省电路板垂直高度，降低机器人重心。
码盘计数器对四路电机的码盘输出进行计数。两次计数值之差除以两次计数间隔的时间就可以得到电机的这段时间的平均转速，同时包含了位移量信息。每个驱动轮的驱动电机采用四象限双极性的H桥驱动电路，用两根I／O信号控制电机的停止、启动和正反转，PWM调制波控制电机调速，借助于控制算法、码盘信号和电流反馈信号，控制电机达到预定的转速。图3为电机H桥驱动，码盘信号处理和电机电流反馈电路。电流反馈电路通过电阻值约为0．2欧姆的功率电阻提取，经放大处理后送A／D采样，获得电机电枢电流大小值。码盘信号经门电路整形处理后送码盘计数器，获得短时平均速度和位移量。四与门电路保证电机正反转逻辑，避免H桥单边导通造成电源短路。
3.2无线通信部分设计
足球机器人可以使用无线通讯或网络连接电脑，但禁止使用蓝牙通讯技术。为了避免冲突，一支队伍应该在比赛前准备两个频率信号。无线通讯的类型应符合竞赛举办国家的法律标准。足球机器人与计算机之间的通讯是由无线模块完成的。由于采用整体视觉系统，无线系统必须保证计算机和机器人完成稳定、可靠的通信，起到机器人耳朵的作用。结合本系统的实际情况，系统采用频率为2.4GH z的高速通信模块PTR4000。
3.3加速度检测部分设计
为了便于机器人整体性能的测试，系统采用加速度计记录机器人在运行过程中的状态，并将此状态存入片内Flash中，在调试结束后可将机器人的状态参数导出。加速度汁采用A D 公 推flI的低功耗双轴加速度计ADXL202E。
3.4电源电路设计
3.4.1电池
由于足球机器人体积有限，无法携带过多的电池，因此选择合适类型的电池，不但能满足系统需要，还可以提高机器人整体性能。由于锉电池具备了能量密度高，电压高，工作稳定等特点，所以系统选用3节2400mA／H的锉电池串连供电，供电电压为3.6V×3=l 0.8V，这种高电压，小体积的特性，正是其它电池所不具备的。
3.4.2电源检测电路
为了获得更好的控制效果，除了检测电机的转速，还不断检测电机的电枢电流。本系统采用A D 模块对电池电压进行采集，实现软件检测方式。该方式实现对电源电压的精准检测，通过得知当前电池电压，通过查表便可知当前电机速度最大值。二极管保护AD，防止电压过大，烧毁AD。电池电压在9.3V一12.6V范围内变化，所以经过电阻R4和RS分压后，电压变化范围为1.5V一2.1V，属于AD采集范围。
4.足球机器人的软件设计
4.1足球机器人程序组成
软件设计可以分成主要的3个部分：电机控制主程序、SCI中断服务程序和定时器中断服务程序。
电机控制主程序本程序除了执行系统初始化之外，核心部分是PID算法。主程序循环读取控制指令(由SCI中断服务程序提供)和电机的转速数据(由定时器中断服务程序提供)。运算的结果送到比较寄存器，输出占空比不同的PWMW波形。
SCI中断服务程序采用中断的方式。对于FIRA比赛系统来说，无线发送模块发送的每一帧数据包括校验码、控制指令和确认码。中断服务子程序必须对开头的检验码进行校对，确认无误后才能接收控制指令，并且只有在结尾的确认码校验正确后才能修改供主程序使用的指定寄存器。每一组数据的传输格式结构如图4所示。
定时器中断服务程序本程序同样采取中断的方式。比赛系统规定足球机器人的速度为-127—127，在此区间之外的数均视为最大值(负号表示反转)。设定中断周期，读取QEP电路收到的脉冲数，以比例系数折算成-127—127之间的速度值。
4.2足球机器人的程序流程图
程序的简化流程图如图5所示。
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