微型足球机器人运动控制研究
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摘要
足球机器人是目前机器人研究领域的一个热点课题,它涉及了诸多领域的前沿研究,如机器人学、机电一体化技术、通讯与计算机技术、机器视觉与传感器融合技术、决策与对策、智能控制等多学科高新技术,是一个极富挑战性的高技术密集型研究平台。
本文以FIRA3V3机器人为研究对象,介绍了足球机器人系统的组成,并对视觉预处理部分做了一定研究,采用了基于连通区域标记的动态窗口方法来对目标进行搜索。相对于全图搜索,这种方法可以节省大约98%的图像处理时间,很好地满足系统的实时性要求。
在目标识别基础上主要对机器人的底层动作控制算法进行了深入的研究。足球机器人底层运动控制在足球机器人比赛中起着至关重要的作用,它是更高层动作和整体决策系统的基础。首先对机器人的运动进行了理论分析,在此基础上采用PID控制算法,实现了机器人对目标球的追踪。根据模糊控制适应性强的特点,又提出了将模糊控制和PID控制相结合的模糊PID控制方法用于机器人底层动作控制中。对两种模糊PID控制方法:模糊PID复合控制和模糊自适应PID控制进行了分析,并通过仿真与试验验证了其有效性。
在路径规划方面,先分析了几种常用路径规划方法,提出了将Bezier曲线用于对机器人的路径规划中,可使机器以我们所期望的路径运动。采用Kalman滤波,预测小球的运动轨迹,并结合Bezier曲线对机器人的路径进行规划,已减少系统延迟所带来的误差,通过仿真实验,证明了该算法的可行性。
Soccer robot has become one of the hot subjects in the field of robot researching, which refers to many kinds of advanced research in different fields, such as Robotics, Mechatronics, Communication and Computer Technology, Machine Vision and Sensor Fusion Decision-making and Countermeasure, Intelligent Control etc. It is a research platform which is full of high technologies and challenge.
This paper takes Mirosot robot 3vs3 as the research object. Firstly, the constitute of Soccer robot system and image pre-processing are introduced. In order to save the time of image processing, the moving object is searched using dynamic window based on connectivity region labeling, which could save 98% time consuming and meet the requirement of real time compared with full-searching method.
Based on the theoretical analysis of robot motion, PID control algorithm is used to track ball,and according to it's shortcoming,Fuzzy-PID control method is proposed.Also,Fuzzy-PID combined control and Fuzzy adaptive PID control are analyzed and Simulated to test validity.
We compare with some methods of path-planning.Bezier curve is applied to achieve our desired plan. In order to predict the plan of ball, adaptive Kalman filter is introduced to reduce the error caused by system delay. Simulated result proves the feasibility.
本文以FIRA3V3机器人为研究对象,介绍了足球机器人系统的组成,并对视觉预处理部分做了一定研究,采用了基于连通区域标记的动态窗口方法来对目标进行搜索。相对于全图搜索,这种方法可以节省大约98%的图像处理时间,很好地满足系统的实时性要求。
在目标识别基础上主要对机器人的底层动作控制算法进行了深入的研究。足球机器人底层运动控制在足球机器人比赛中起着至关重要的作用,它是更高层动作和整体决策系统的基础。首先对机器人的运动进行了理论分析,在此基础上采用PID控制算法,实现了机器人对目标球的追踪。根据模糊控制适应性强的特点,又提出了将模糊控制和PID控制相结合的模糊PID控制方法用于机器人底层动作控制中。对两种模糊PID控制方法:模糊PID复合控制和模糊自适应PID控制进行了分析,并通过仿真与试验验证了其有效性。
在路径规划方面,先分析了几种常用路径规划方法,提出了将Bezier曲线用于对机器人的路径规划中,可使机器以我们所期望的路径运动。采用Kalman滤波,预测小球的运动轨迹,并结合Bezier曲线对机器人的路径进行规划,已减少系统延迟所带来的误差,通过仿真实验,证明了该算法的可行性。
Soccer robot has become one of the hot subjects in the field of robot researching, which refers to many kinds of advanced research in different fields, such as Robotics, Mechatronics, Communication and Computer Technology, Machine Vision and Sensor Fusion Decision-making and Countermeasure, Intelligent Control etc. It is a research platform which is full of high technologies and challenge.
This paper takes Mirosot robot 3vs3 as the research object. Firstly, the constitute of Soccer robot system and image pre-processing are introduced. In order to save the time of image processing, the moving object is searched using dynamic window based on connectivity region labeling, which could save 98% time consuming and meet the requirement of real time compared with full-searching method.
Based on the theoretical analysis of robot motion, PID control algorithm is used to track ball,and according to it's shortcoming,Fuzzy-PID control method is proposed.Also,Fuzzy-PID combined control and Fuzzy adaptive PID control are analyzed and Simulated to test validity.
We compare with some methods of path-planning.Bezier curve is applied to achieve our desired plan. In order to predict the plan of ball, adaptive Kalman filter is introduced to reduce the error caused by system delay. Simulated result proves the feasibility.
引文
[1]廉师友.智能技术导论[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.7.
[2]Computer Vision:System,Theory,and Applications,pages 1-13 World Scientific Press,Singapore,1993.
[3]洪炳熔,韩学东,孟伟.机器人足球比赛研究。机器人,2003,25(4).373-377.
[4]陈小平.国际机器人足球(RoboCup)最新进展[J].机器人技术与应用,2001第1期:25-28.
[5]李实,徐旭明,叶棒,孙增昕.国际机器人足球比赛及其相关技术.机器人,2000,22(5):420-426.
[6]佟国峰,足球机器人实时真彩色视觉系统研究与开发:[博士学位论文][D].沈阳:东北大学,2001.
[7]张祺,基于视觉的机器人足球比赛系统研究:[博士学位论文][D].广州:广东工业大学,2003.
[8]霍迎辉,机器人足球比赛系统中三个子系统的研究与设计:[硕士学位论文][D].广州:广东工业大学,2004.
[9]方帅,胡应,徐心和.集控式足球机器人视觉子系统的关键技术研究.东北大学学报[J],2003,Vol.11(3):375-377.
[10]Liu H,Zha H B,Feng S.A training method for robust recognition of color uniforms of soccer robot[A].Proceeding of FIRA Robots World Congress'2002[C].Seoul:Kaist Press,2002.666-669
[11]何超,机器人视觉系统中的图像分割与目标检测:[硕士学位论文][D].浙江:浙江大学,2002
[12]朱虹等.数字图像处理基础[M].北京:科学出版社,2005
[13]王志刚、孙培、罗志增.基于视觉的足球机器人快速识别技术.机电工程[J].2003,Vol.20(6):53-55
[14]方成、喻寿益、曹卫华.一种新颖的基于多值化查找表的彩色目标搜索法.电脑与信息技术[J].2002,Vol.1:9-12
[15]王红宝.足球机器人视觉系统及守门员策略的研究:[硕士学位论文][D].天津:天津大学,2004.
[16]傅京孙、蔡自兴、徐光佑.人工智能及其应用[M].北京:清华大学出版社,1988
[17]谭民、王硕、曹志刚.多机器人系统[M].北京:清华大学出版社,2005.
[18]Saridis G.Toward the realization of intelligent controls.Processings of IEEE[J],1979,67(8):1115-1113
[19]Kuk-Hyun Han,Jun-Yi Choi,Hoon Kang,Pil-Soon Choi,Se-Joong Lee and Seok-Hyun Moon.Micro-Robot Design and Strategy for MiroSot.Proceedings of the 1996 Micro-Robot World Cup Soccer Tournament[C].KAIST:1996,49-52.
[20]蔡自兴.机器人学[M].北京:清华大学出版社,2000.
[21]刘艳.基于多智能体理论的足球机器人系统控制策略设计与实同[D],国防科学技术大学硕士论文,长沙.2000
[22]张春晖.机器人足球策略系统研究与实现[D].东北大学博士论文,沈阳,2001.
[23]邱小童.多智能体足球机器人控制策略研究.江西理工大学硕士学位论文,赣州.2005.
[24]Ashley,CxWyeth,"Coordination of Multiple Mobile Robots by Shared Representations",Proc.of the 2000 IEEE/RSJ International Conference onIntelligentR obotsan dS ystems,1391-1396,vo 1.2,20 0
[25]R.西格沃特、1.R.诺巴克什著.李人厚译[M].西安:西安交通大学出版社,2006.
[26]J.-H.Kim,H.-S.Shim,H.-S.Kim,M.-J.Jung,I.-H.Choi and J.-O.Kim "A Cooperative Multi-Agent System and Its Real-Time Application to Robot Soccer',Proc of IEEE Int.Conf.On Robotics and Automation,New Mexico,April 1997,pp.638-643.
[27]蒋仙华、熊蓉、周科等.基于模糊控制的足球机器人底层动作优化.工程设计学报[J].2003,Vol.10(3):32-35.
[28]XU W L,TSO S K.Real time self reaction of a mobile robot in unstructured environments using fuzzy reasoning.Engineering Applications of Aritificial Intelligence[J],1996,9(5):475-485.
[29]陈鑫.MIROSOT足球机器人决策子系统的分析与设计.[硕士学位论文][D].长沙:中南大学,2003
[30]刘丁.自动控制原理[M].中国电力出版社,2006
[31]蔡自兴.智能控制[M].北京:电子工业出版社,2004
[32]肖奇军、黄伟、董克权.模糊控制在足球机器人底层动作控制中的应用[J].机械与电子,2006,Vol.9,45-47
[33]刘龙江.浅析模糊控制及其一种模糊控制器的设计[J].陕西国防工业职业技术学院学报[J].2006,Vol.16,14-16
[34]马雪英,何臻峰,林兰芬.人工智能技术在机器人运动规划中的应用[J].计算机应用研究,2004,Vol.4,135-138
[35]董金光、魏江、李孝安、刘晓燕。基于神经网络模糊PID的足球机器人控制算法研究[J].微计算机应用.2007,Vol.28,1019-1013
[36]诸静.模糊控制原理与应用[M].机械工业出版社1995:338-355.
[37]沈伟.模糊PID控制在水下机器人运动控制中的应用.哈尔滨工程大学硕士学位论文.哈尔滨,2005
[38]李国勇.智能控制及其Matlab实现[M].北京:电子工业出版社,2005
[39]瞿亮.基于Matlab的控制系统计算机仿真[M].北京:清华大学出版社、北京交通大学出版社,2006.
[40]Joseph.L.Jones著.原魁、邹伟译。机器人编程技术—基于行为的机器人实战指南[M].北京:机械工业出版社,2006
[41]王耀南.机器人智能控制工程[M].北京:科学出版社,2004
[42]Robin R.Murphy著.杜军平、吴立成、胡金春等译.人工智能机器人学导论.北京:电子工业出版社,2004.
[43]车迅,吴敏,陈鑫.足球机器人系统的路径规划方法,自动化理论、技术与应用(第8卷):261-264
[44]Khatib O.Realtime Abstract Avoidance for Manipulators and Mobile Robots in Proc.also[J].IEEE Int Conf.On Robotics in Int J Robot Res.1986,5(1):andAutomation March 25-38 1985. 500-505,90-98.
[45]唐荣锡、汪嘉业、彭群生、汪国昭等.计算机图形学教程[M].北京:科学出版社,2000。
[46]倪明田、吴良芝。计算机图形学[M].北京:北京大学出版社,1999
[47]方建军、何广平。智能机器人[M].北京:化学工业出版社,2003
[48]徐甜,刘凌霞.Bezier曲线的算法描述及其程序实现.安阳师范学院学报,2006,49-52
[49]郭路生.足球机器人路径规划研究与实现.中国地质大学硕士学位论文.2006
[50]芦殿军.Bezier曲线的拼接及其连续性.青海大学学报,2004,Vol22(6),84-86
[51]王强.状态估计在足球机器人中的应用.东北大学硕士学位论文.2004
[52]辛菁、刘丁、班建安.自适应卡尔曼滤波器在机器人控制中的应用.西安理工大学学报,Vol23No.2,136-139.
[53]周治中.集控式足球机器人决策系统的研究与提高.东北大学硕士学位论文.2003
[54]继欣莹.MiroSot足球机器人决策子系统的研究与设计.太原理工大学硕士学位论文.2005。
[55]王强.机器人足球决策系统研究与实现.四川大学博士学位论文.2005
[2]Computer Vision:System,Theory,and Applications,pages 1-13 World Scientific Press,Singapore,1993.
[3]洪炳熔,韩学东,孟伟.机器人足球比赛研究。机器人,2003,25(4).373-377.
[4]陈小平.国际机器人足球(RoboCup)最新进展[J].机器人技术与应用,2001第1期:25-28.
[5]李实,徐旭明,叶棒,孙增昕.国际机器人足球比赛及其相关技术.机器人,2000,22(5):420-426.
[6]佟国峰,足球机器人实时真彩色视觉系统研究与开发:[博士学位论文][D].沈阳:东北大学,2001.
[7]张祺,基于视觉的机器人足球比赛系统研究:[博士学位论文][D].广州:广东工业大学,2003.
[8]霍迎辉,机器人足球比赛系统中三个子系统的研究与设计:[硕士学位论文][D].广州:广东工业大学,2004.
[9]方帅,胡应,徐心和.集控式足球机器人视觉子系统的关键技术研究.东北大学学报[J],2003,Vol.11(3):375-377.
[10]Liu H,Zha H B,Feng S.A training method for robust recognition of color uniforms of soccer robot[A].Proceeding of FIRA Robots World Congress'2002[C].Seoul:Kaist Press,2002.666-669
[11]何超,机器人视觉系统中的图像分割与目标检测:[硕士学位论文][D].浙江:浙江大学,2002
[12]朱虹等.数字图像处理基础[M].北京:科学出版社,2005
[13]王志刚、孙培、罗志增.基于视觉的足球机器人快速识别技术.机电工程[J].2003,Vol.20(6):53-55
[14]方成、喻寿益、曹卫华.一种新颖的基于多值化查找表的彩色目标搜索法.电脑与信息技术[J].2002,Vol.1:9-12
[15]王红宝.足球机器人视觉系统及守门员策略的研究:[硕士学位论文][D].天津:天津大学,2004.
[16]傅京孙、蔡自兴、徐光佑.人工智能及其应用[M].北京:清华大学出版社,1988
[17]谭民、王硕、曹志刚.多机器人系统[M].北京:清华大学出版社,2005.
[18]Saridis G.Toward the realization of intelligent controls.Processings of IEEE[J],1979,67(8):1115-1113
[19]Kuk-Hyun Han,Jun-Yi Choi,Hoon Kang,Pil-Soon Choi,Se-Joong Lee and Seok-Hyun Moon.Micro-Robot Design and Strategy for MiroSot.Proceedings of the 1996 Micro-Robot World Cup Soccer Tournament[C].KAIST:1996,49-52.
[20]蔡自兴.机器人学[M].北京:清华大学出版社,2000.
[21]刘艳.基于多智能体理论的足球机器人系统控制策略设计与实同[D],国防科学技术大学硕士论文,长沙.2000
[22]张春晖.机器人足球策略系统研究与实现[D].东北大学博士论文,沈阳,2001.
[23]邱小童.多智能体足球机器人控制策略研究.江西理工大学硕士学位论文,赣州.2005.
[24]Ashley,CxWyeth,"Coordination of Multiple Mobile Robots by Shared Representations",Proc.of the 2000 IEEE/RSJ International Conference onIntelligentR obotsan dS ystems,1391-1396,vo 1.2,20 0
[25]R.西格沃特、1.R.诺巴克什著.李人厚译[M].西安:西安交通大学出版社,2006.
[26]J.-H.Kim,H.-S.Shim,H.-S.Kim,M.-J.Jung,I.-H.Choi and J.-O.Kim "A Cooperative Multi-Agent System and Its Real-Time Application to Robot Soccer',Proc of IEEE Int.Conf.On Robotics and Automation,New Mexico,April 1997,pp.638-643.
[27]蒋仙华、熊蓉、周科等.基于模糊控制的足球机器人底层动作优化.工程设计学报[J].2003,Vol.10(3):32-35.
[28]XU W L,TSO S K.Real time self reaction of a mobile robot in unstructured environments using fuzzy reasoning.Engineering Applications of Aritificial Intelligence[J],1996,9(5):475-485.
[29]陈鑫.MIROSOT足球机器人决策子系统的分析与设计.[硕士学位论文][D].长沙:中南大学,2003
[30]刘丁.自动控制原理[M].中国电力出版社,2006
[31]蔡自兴.智能控制[M].北京:电子工业出版社,2004
[32]肖奇军、黄伟、董克权.模糊控制在足球机器人底层动作控制中的应用[J].机械与电子,2006,Vol.9,45-47
[33]刘龙江.浅析模糊控制及其一种模糊控制器的设计[J].陕西国防工业职业技术学院学报[J].2006,Vol.16,14-16
[34]马雪英,何臻峰,林兰芬.人工智能技术在机器人运动规划中的应用[J].计算机应用研究,2004,Vol.4,135-138
[35]董金光、魏江、李孝安、刘晓燕。基于神经网络模糊PID的足球机器人控制算法研究[J].微计算机应用.2007,Vol.28,1019-1013
[36]诸静.模糊控制原理与应用[M].机械工业出版社1995:338-355.
[37]沈伟.模糊PID控制在水下机器人运动控制中的应用.哈尔滨工程大学硕士学位论文.哈尔滨,2005
[38]李国勇.智能控制及其Matlab实现[M].北京:电子工业出版社,2005
[39]瞿亮.基于Matlab的控制系统计算机仿真[M].北京:清华大学出版社、北京交通大学出版社,2006.
[40]Joseph.L.Jones著.原魁、邹伟译。机器人编程技术—基于行为的机器人实战指南[M].北京:机械工业出版社,2006
[41]王耀南.机器人智能控制工程[M].北京:科学出版社,2004
[42]Robin R.Murphy著.杜军平、吴立成、胡金春等译.人工智能机器人学导论.北京:电子工业出版社,2004.
[43]车迅,吴敏,陈鑫.足球机器人系统的路径规划方法,自动化理论、技术与应用(第8卷):261-264
[44]Khatib O.Realtime Abstract Avoidance for Manipulators and Mobile Robots in Proc.also[J].IEEE Int Conf.On Robotics in Int J Robot Res.1986,5(1):andAutomation March 25-38 1985. 500-505,90-98.
[45]唐荣锡、汪嘉业、彭群生、汪国昭等.计算机图形学教程[M].北京:科学出版社,2000。
[46]倪明田、吴良芝。计算机图形学[M].北京:北京大学出版社,1999
[47]方建军、何广平。智能机器人[M].北京:化学工业出版社,2003
[48]徐甜,刘凌霞.Bezier曲线的算法描述及其程序实现.安阳师范学院学报,2006,49-52
[49]郭路生.足球机器人路径规划研究与实现.中国地质大学硕士学位论文.2006
[50]芦殿军.Bezier曲线的拼接及其连续性.青海大学学报,2004,Vol22(6),84-86
[51]王强.状态估计在足球机器人中的应用.东北大学硕士学位论文.2004
[52]辛菁、刘丁、班建安.自适应卡尔曼滤波器在机器人控制中的应用.西安理工大学学报,Vol23No.2,136-139.
[53]周治中.集控式足球机器人决策系统的研究与提高.东北大学硕士学位论文.2003
[54]继欣莹.MiroSot足球机器人决策子系统的研究与设计.太原理工大学硕士学位论文.2005。
[55]王强.机器人足球决策系统研究与实现.四川大学博士学位论文.2005