北京信息科技大学 水队(WATER)队伍描述
王雪燕 赵亮 刘小铭 徐鑫鑫
北京信息科技大学 北京
摘要
本文详细介绍了北京信息科技大学机电工程学院和滨州学院联队水(Water)队的机器人系统的硬件结构和软件控制系统.主要技术包括:全向视觉设计及处理,自定位,路径规划和仿真.
引言
北京信息科技大学机器人小组建立于2006年,由北京信息科技大学机电工程学院与机器人实验室团队组建,主要任务是在广大学生中培养科技创新人才,提高学生实践能力.实验室团队的研究方向主要是:机器人视觉,构件的软件体系结构,路径规划,定位,通讯形式和控制模型.机器人小组从建立(2006年)至今,连续参加了4届RoboCup China Open(2V2),在2008Robocup China Open中获得亚军.
硬件
水队(Water)的原创机型从2004 年开始设计,并且每年都在改进.2006年,第一台两轮机器人诞生.2007年,对两轮机器人进行了大规模升级,改进了机器人的视觉部分和电机驱动器,提升了图像效果和机器人的速度.
如图一,二所示.
图一
图二
图三
2008年,我们的第一台原创三轮全向机器人诞生,如图三所示.该原创机型具有极高的机动性和便携性.同时,因为赛制变化,我们引进了部分成熟的全向机型.
我们的机器人硬件系统中包括四个子系统:视觉系统,运动控制系统,决策系统,通信系统.体系结构与其它大部分团队的机器人相似,视觉系统包括两个部分:全向视觉和前景视觉.与其他队不同我们的全向视觉和前向视觉用同一台摄像机收集视觉结构如图四,视觉效果如图5
图四 图五
全向反射镜面完全由团队自主设计完成.由于球是球场中最重要的识别目标,反射镜需要设计得能够有效地识别球.如果全向反射镜采用双曲线设计,机器人近处的目标相对比较大,但是远处的目标(2 米以外)太小,不容易被识别.如果采用等比比例设计,机器人近处的目标太小,也不利于目标的识别.所以全向反射镜面采用了分段设计,使近处的球和远处球都能够良好的识别.我们所使用的是飞利浦的USB摄像头.
全向移动模块我们采用了比较流行的三轮全向方式,比起其他轮式结构,它能大大提高电机利用率,再加上全向轮独特的机械特性,使机器人更加灵活.选用三轮全向的另一个目的是为了回避对可靠性要求较高的悬挂机构,这对于经验尚浅的我们来说,可以大大减少设计风险,快速的将机体定型.
装配过程中,我们将电机与其伺服驱动器捆绑成为一个电机伺服模块.三个电机伺服模块成正三角形均布在机器底盘上,相邻电机轴向夹角为120度.由于单个电机伺服模块与其他部分连线简单,可以很容易的进行更换和取出调试.
如图2,单个电机伺服模块包括一个全向轮,一个160w的直流电机和一个pro-Motion BDMC3606SH伺服驱动器.
图1 全向机器人底盘结构
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图2 单个驱动模块
在新的机体中,我们采用了电磁驱动方式,运用杠杆原理形成一个挑射的机构.为了提高电磁铁的驱动力,我们设计了一套升压电路,将24V的基本供电拉升到380V,储存在一个电容阵列中.我们试图通过设置电容放电顺序将电能最大程度的转化为击球的机械能.经过调整,我们目前的击球最大飞行高度在1.2米左右,最大腾空距离为6.5米.
图3 击球机构
决策系统和通信系统都在笔记本电脑上运行,笔记本通过usb接口获取摄像头捕捉到的图像,分析图像并跟据图像信息做出决策.通信系统使用笔记本上的无线网卡进行网络通信.
程序体系结构
在通讯方式上,为让不同机型的机器混合参赛,我们采用C/S架构,使用TCP/IP协议.场外的教练程序作为Server等待每个球员程序的连接.当场上球员连接到教练程序时,教练程序自动在内部的结构体中为该球员注册身份.
在决策模型的实现上,我们在程序中构建了一个环境类,在该类实例中包含了数个结构体,分别记录场上各球员返回的信息.其中包括每一位球员对自身的定位,球门的方向,球的位置,每个球员周围的障碍物等等.当这些数据出现更新时,环境类自动调用自身的决策函数,从当前信息中计算出各球员应该执行的任务.

对于单体机器人程序的设计,基于行为的控制思想,编码方式遵循面向对象的设计风格,通过各种抽象对象的组合来组织代码,条理清晰,便于理解.
软件架构图
整个架构可分为四个层次:
硬件通讯层是一些直接与硬件设备通讯的对象,这里包括一个与机器人主体的数据交流的串口通讯对象.视频捕捉因为对通信速率要求很高,通过USB连接,所以其设备对象与机器人主体独立开.

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