基本信息
- 项目名称：
- RoboCup小型组足球机器人竞赛及实验平台
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 小型组轮式机器人足球比赛是RoboCup机器人足球世界杯赛的主要项目之一，同时也是机器人技术和人工智能理论的良好的实验平台。本项目设计制作的RoboCup小型组足球机器人竞赛及实验平台，可作为小型组足球机器人竞赛的标准平台推广应用，也可以作为功能完备的竞赛系统直接参加机器人足球比赛，还可在此基础上开展机器人技术实验研究，为机器人技术新算法、新模型提供创新实验平台。
- 详细介绍：
- 该平台从机器人足球比赛和实验研究的实际需求出发，制作了四轮蝶形分布的机器人运动机构，实现了机器人的多自由度全向移动，并设计了控球、击球等机械机构；针对运动机构的特点研究了机器人的运动控制算法，设计了以ARM和FPGA为核心的机器人的底层控制系统，构建了稳定可靠的机器人子系统；基于畸变校正、目标分割、图像识别等图像处理方法开发了适合于实验室场地的机器视觉系统；编写了机器人自主决策系统，对机器人行为进行预测判断、提供决策库支持、实现动态环境下的全局路径规划；设计了2.4G射频通信模块，构建该平台的无线通信系统，实现机器人子系统与上层决策控制系统之间的信息交换；此外，本平台还使用“平台/插件”软件体系构建了RoboCup小型组足球机器人的开放式仿真系统。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 创新点： RoboCup小型组足球机器人竞赛及实验平台相比其他小型组足球机器人竞赛系统，具有如下优势： (1) 优越的机器人性能：通过对机械结构、硬件电路和底层控制算法的深入研究和优化，本平台制作了机械性能优良的行走机构、控球机构、击球和挑球机构，并设计了稳定可靠的控制电路和先进的机器人底层控制算法，提高了机器人的运动性能、执行能力和控制精度。 (2) 先进的视觉系统：本平台在畸变校正和图像分割的基础上，进行图像识别和信息融合，提高了定位精度，并具有良好的环境适应能力。 (3) 开放仿真实验系统：本平台基于“平台/插件”软件体系结构建立了开放式仿真实验系统，仿真实验系统替代了实体机器人的角色，为决策系统提供一个算法研究验证平台，可以脱离实体机器人的具体硬件环境，直接在决策调度层面上实现策略仿真。 技术关键： (1)轮式机器人运动控制方法的研究 (2)视觉系统的目标识别算法的实现 主要技术指标： (1)机器人尺寸/重量：φ180×150mm/2.5kg (2)最大速度：2.5m/s (3)最大加速度：7m/s2 (4)击球速度：10m/s (5)挑球高度/距离：92cm/377cm (6)位置精度：1cm (7)角度误差：小于3度 (8)运动控制：机器人的移动、旋转、避障等基本行为，提供运动库支持 (9)控制策略：多Agent的机器人角色驱动，提供策略库支持
科学性、先进性
- (1) 制作了四轮蝶形分布的机器人运动机构，实现了机器人的多自由度全向移动，将小型组足球机器人最大速度提升到2.5m/s ，最大加速度提高到7m/s2； (2) 优化传射机构设计，使击球速度达到10m/s，挑球高度可达92cm，最远距离377cm； (3) 在畸变校正和图像分割的基础上，进行图像识别和信息融合，提高了视觉系统定位精度，机器人定位精度达1cm，角度误差小于3度，对环境适应能力强，无需专用光源； (4) 建立了开放式仿真实验系统，可以脱离实体机器人的具体硬件环境，直接在决策调度层面上实现策略仿真。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年，中国机器人大赛暨RoboCup中国公开赛，全国冠军； 2010年，中国机器人大赛暨RoboCup中国公开赛，全国冠军。
作品所处阶段
- 中试阶段： 该平台正在与教学和科研机器人厂商合作进行产品转化，以期在更大范围内得到推广应用
技术转让方式
- 专利授权、合作生产
作品可展示的形式
- 实物、产品；现场演示；图片；录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- RoboCup小型组足球机器人竞赛及实验平台性能优良、稳定可靠、可扩展性强，可以作为RoboCup小型组足球机器人竞赛的标准平台推广应用，也可以作为功能完备的竞赛系统直接参加机器人足球比赛。本系统还提供了丰富的接口调用和开放的仿真实验平台，在此基础上能够开展机器人运动控制、计算机视觉定位、人工智能、决策库、路径规划与避障算法等实验研究，既可以作为相关理论的验证工具，又能为学生及科研人员新算法、新模型提供创新实验平台，从而提高小型组足球机器人竞赛水平，推进机器人技术和人工智能理论的发展进步。 目前，该平台正在与教学和科研机器人厂商合作进行产品转化，以期在更大范围内得到推广应用，担当基础研究与工程试验乃至实际应用的中介和桥梁，促进产、学、研相结合，有效推动相关学科领域发展。
同类课题研究水平概述
- 美国Cornell大学是小型组足球机器人研究的先驱者，先后研制成功了三代机器人竞赛和实验平台。第一代产品使用完全性约束的三轮全方位驱动的行走机构，并设计了相应的控制算法，为三轮全方位驱动机器人的理论研究和实用化奠定了基础；第二代平台则开始使用较为原始的四轮全方位运动机构，具有更大的运动速度和加速度，并在机器人的底层控制算法和决策系统的架构上进行了较为深入的研究；第三代机器人平台进行了分布式决策的尝试，计算机把摄像头采集到的场上信息经过简单处理后发给机器人，这种模式向分布式多智能体方向迈进了一步，由于这种创新设计不够健壮，最终在比赛和实际应用中没有发挥出预期的效果。 美国卡内基梅隆大学也在小型组足球机器人领域进行了较多的研究，卡内基梅隆大学的CMDragons平台在Corenll大学研究成果的基础上设计了较为完善的决策系统，优化了决策系统的整体架构以及机器人策略、角色分配、路径规划和底层控制的算法。同时在机器视觉的改进上进行了大量的探索，较好地满足了机器人足球比赛对视觉定位系统的要求。然而，CMU较为陈旧的机械结构等因素限制了该机器人平台性能的发挥。 泰国农业大学是小型组机器人领域的后起之秀，泰国农业大学的Skuba机器人平台使用简单而又结构化的机械机构搭建了机器人机身，并凭借精准的底层控制和巧妙的战术配合在竞赛中有较好的表现，Skuba平台继承和发展了卡内基梅隆大学的视觉系统，在定位精度和响应时间上都有了较大的提高。目前Skuba平台还没有针对试验和科研等开放性应用进行专门设计。 除此之外，在机器人竞赛和实验、科研中比较常见的机器人平台还有博创科技公司的旅行家3号和未来伙伴机器人公司的AS-RO机器人。这两种机器人实验平台均采用三轮全向移动方式，凭借强大的动力系统能实现机器人的高速运动。此外，这两种机器人还采用了全景摄像机图像采集系统，机器人作为独立智能体拥有独立视觉处理系统，而控制系统则有安装在机器人机身上的笔记本电脑或者PC104工控计算机来实现。这两种机器人均属于中型机器人，成本较高，且对活动场地要求较高，不便于在室内环境下使用，运动灵活程度逊于小型组机器人，因此在实验室充当机器人平台具有一定的局限性。
