一种全自主足球机器人体系结构的设计和实现

　　1.1 主控计算机

　　RoboSot比赛规定参赛机器人尺寸要小于20cm×20cm×40cm（长×宽×高），因此是机器人的体积设计中要考虑的主要因素之一。普通的PC计算机和笔记本电脑的尺寸不能满足FIRA RoboSot比赛用机器人的需要。而单片机应用系统虽然体积小，但其处理能力又无法满足实时图像处理和行为决策的要求。因而本系统选择了研华公司生产的PCM 9370F嵌入式计算机作为机器人的核心计算处理功能模块。该计算机具有以下特点：

　　（1）体积小、节省空间。PCM 9370F主板把CPU、内存、显卡等各种功能集成在一块体积只有145mm×102mm板卡上，采用层叠式的PC104+总线进行功能扩展。这种结构节省空间，可以满足FIRA RoboSot规则对全自主足球机器人尺寸的严格限制。

　　（2）高可靠性和高计算能力。PCM 9370F是符合工业级标准的工控计算机，具有非常高的可靠性。实验表明，在机器人之间频繁发生碰撞的比赛过程中该主板仍能稳定地工作。PCM 9370F采用性能相当于PⅢ500的CPU,自带64MB 内存，具有一个最多能扩展128MB内存的内存扩展槽。所以PCM 9370F不但体积小，而且具备与普通PC计算机相当的处理性能。

　　（3）功能接口完备、集成度高。PCM 9370F配有一个有线以太网接口，一个微型FlashCard插槽，一个符合ULTRA DMA传输协议的增强型IDE接口，一个并行通信接口，二个串行通信接口，一个微型PS/2键盘鼠标接口。它具有SVGA/LCD显示控制器，支持双CRT和LCD显示。

　　1.2 视觉系统

　　机器人采用上下布局的异构双目彩色视觉系统结构。位于机器人顶部的上目摄像机安装在具有一维自由度的云台上。上目摄像机在云台带动下能围绕机器人车体中心水平旋转±165°。下部CCD摄像机固定在机器人的腹部,不能相对机器人本体运动。下部摄像机镜头朝向机器人的正前方，光心到地面垂直距离为11cm.

　　二个摄像机都以固定的角度俯视地面。上目视觉比下目视觉的定位精度高，图像采集速度快，而且由云台带动在机器人静止时可以感知机器人周围330°范围内的环境信息，所以上目视觉通常负责识别较远处的目标物体以及下目视觉视野以外的目标物体；下目视觉能看到机器人前方脚下的目标物体，而这个区域恰是上目视觉的盲区，所以下目视觉通常负责识别距离机器人很近（27cm）的目标物体。例如机器人执行带球动作时，只能由下目视觉来判断球是否位于踢球装置正前方。

　　总之，上下二个摄像机的型号、运动自由度、数据传输接口、图像采集频率以及环境感知任务都是不同的，这种视觉系统结构模型属于异构双目模型。

　　1.3 超声波定位避障系统

　　超声测距是一种非接触的检测方式，与红外、激光及无线电测距相比，在近距离范围内超声测距有不受光线影响、结构简单、成本低等特点，因此在工业控制、建筑测量、机器人定位等方面得到了广泛的应用。

　　超声波测距的原理是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差T,距离S=TC/2,其中C为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。这样检测出超声波发送与接收往返的时间就可以测量出距离。

　　由于全自主足球机器人是在竞争对抗的球场环境中运行，所以它需要具有更大的灵活性。因此，除了在全自主足球机器人的前、后、左、右安放了超声波传感器外，在机器人的左前、右前、左后、右后对称的位置上也安放了传感器。其最大的优点是对于不同的位置可以选用相应的超声波传感器组进行定位和避障，避免机器人经常转身，节省了大量时间，提高了机器人的灵活性。

　　1.4 运动系统

　　全自主足球机器人的运动系统包括移动机构、上目摄像机云台和踢球装置。移动机构采用比较流行的三点支撑结构，三点分别是双电机驱动的左右轮和一个可全向旋转的滚轮。这种移动结构使机器人很容易实现以自身为中心的旋转运动，具有良好的灵活性和机动能力。摄像机云台在一个专用电机的带动下可以绕机器人中心水平旋转。大部分全自主足球机器人都有专门的踢球装置。参加RoboCup中型组比赛的机器人大多采用弹射式踢球装置，这种结构的好处是弹射远、爆发力大，但是它体积大、机械结构复杂、易出故障。本机器人踢球装置采用叶片旋转式结构，电机通过齿轮带动踢球叶片高速旋转以达到踢球目的。这种踢球装置结构简单、节省空间、踢球弹力大。缺点是踢球叶片从静止到高速旋转需要一定的加速时间，当球与机器人相对静止时，踢球装置的弹射力量不足。

　　足球机器人运动系统应该具备高速运动、灵活转弯、启停加速度大等特点。本系统选用FAULHABER公司生产的直流电动机作为左右轮、云台和踢球装置的驱动电机，并自行设计开发了电机控制驱动板，可产生PWM速度控制信号并接收电机光电编码器的码盘反馈。通过PC104总线与嵌入式计算机相连，其核心部件是运动控制专用芯片LM629和H桥组件LMD18200.LM629能够编程产生PWM信号，实现PID控制和对反馈信号进行细分后计数，从而减轻了嵌入式计算机对电机控制的负担，简化了驱动程序的任务。