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1、究热点。每年举办一次的R o b o C u p 中型组足球机人比赛是典型的足球机器人的比赛 平台。中型组机器人比赛既是高科技应用于娱乐的一种体现，也是培养是人工智能、 自动化领域科技人才的重要窗口，同时也是促进足球机器人领域科技进步的有效途 径，其研究意义深远而重大。 随着近年来足球机器人比赛的热烈开展，吸引了越来越多的国内外大学投入更 多人力物力到比赛中，各参赛队伍的水平也在逐年提高。然而比赛过程中足球机器 人普遍存在中断不受控制、启动及制动较慢、无法到达预定位置、启动转矩较小、 运行速度较小、动作的精度不高等问题。足球机器人要想在比赛中完成既定任务， 必须要有一个控制精度高、稳定性好的运
2、动控制系统。足球机器人的运动控制是指 控制足球机器人按照预先规划好的运动轨迹运动，运动控制系统的对机器人的运动 性能有最直接的影响。 本文通过搜集国内外机器人运动控制系统相关研究及发展趋势的资料，对其进 行充分的分析和综合。在此基础上，结合本人所在机器人实验室中四轮全向移动足 球机器人的运动控制系统的设计，对机器人运动控制进行了较深入的研究，并对其 运动控制系统进行研发。本文主要的研究内容如下： ( 1 ) 机器人运动控制系统的体系结构与硬件设计 分析了四轮全向移动足球机器人运动控制系统在硬件设计上的要求，采用了基 于D s P I C 控制器的足球机器人的运动控制系统体系结构。详细阐述了四轮
3、全向移动 足球机器人的运动控制系统相关硬件部分各功能模块的工作原理。硬件部分各模块 主要包括：直流电机电机控制模块、四轮轮速分配控制模块、直流电动机的驱动模 块、电动机编码盘接口模块、串行口通信模块、电源模块、电子指南针、陀螺仪、 加速度传感器和带球机构。 广东工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 机器人单自由度运动控制的研究 由于机器人底层各轮子的直流电机控制系统在机器人运行过程中具非线性和 时变形，传统的控制方法无法满足其控制要求，本文采用B P 神经网络P I D 控制器 对机器人单个自由度进行运动控制，在线利用神经网络的自学习实时的调整P I D 控 制的三个参数，从而达到控制要求。 (
4、3 ) 机器人四轮运动控制的研究 建立机器人的运动学模型，并基丁该模型采用模糊控制的方法对机器人的整体 速度实时的进行修正，让机器人的总体速度误差最终转变为单个轮了的的误差。并 通过实验比较采用误差补偿控制器与没有采用误差补偿控制的系统最终输出的结 果，显示了此方法的可行性和实用性。 最后进行本文课题研究进行了总结，说明了研究的最终成果，并对课题研究过 程中需要改进之处提出了展望。 关键词：足球机器人；四轮全向移动；运动控制 I I A b s tr a c t A b s t r a c t A so n eo ft h eg r e a t e s ti n v e n t i o n s
5、i nh u m a nb e i n g s ，r o b o ta l w a y sg e tr e s e a r c h e r s S a t t e n t i o na th o m ea n da b r o a d ，a n dr e s e a r c hs o c c e rr o b o ti su n d o u b t e d l yo n eo ft h em o s t c h a ll e n g i n g o fi n t e lli g e n tr o b o tr e s e a r c h s u b j e c t I t c o v e r
6、s t h ea u t o m a t i c c o n t r o l ，c o m p u t e r ，e l e c t r o n i c ，i n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r y ，t h es e n s o rt e c h n o l o g ya n dS O o n ，s o t h a tt h er e s e a r c ho fs o c c e rr o b o th a sb e c o m et ob ef o c u si nt h ea r t i f i c i a l i n t e l l i
7、 g e n c ea n dr o b o t i c sr e s e a r c h T h eM i d d l e s i z el e a g u eo fR o b o C u pt h a th o l do n c ea y e a ri st y p i c a lp l a t f o r mo fr o b o ts o c c e rg a m e T h eg a m en o to n l yr e f l e c t sh i g h - t e c ha p p l y i ne n t e r t a i n m e n t ，b u ta l s oa s
8、aw i n d o wt h a tf o s t e rt a l e n t si nA r t i f i c i a lI n t e l l i g e n c ea n d a u t o m a t i o n M e a n w h i l e ，i ti sae f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h ep r o g r e s so fs c i e n c e ，t h e r e s e a r c hi ss i g n i f i c a n c ef a r - r e a c h i n ga n ds i g n i
9、 f i c a n t I nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h eg a m ei nah o t n e s s ，a t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ed o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lu n i v e r s i t yw h op u tm o r em a n p o w e rm a t e r i a lr e s o u r c e si n t ot h eg a m e ，a n d t h el e v e lo fe v e r yt e
10、a ma l s oi n c r e a s e sy e a rb yy e a r B u ti nt h ep r o c e s so fg a m e ，s o c c e r r o b o to f t e nh a p p e n ss o m ec o n d i t i o nl i k e ：i n t e r r u p tb yc o n t r o l ，s t a r ta n db r a k es l o w e r ， c a n ta r r i v ea tt h es c h e d u l e dp o s i t i o n ，s t a r t
11、t o r q u el e s s e r ，s p e e dl e s s e r ，t h ep r e c i s i o no ft h e a c t i o na n dS Oo n I fs o c c e rr o b o tw a n t st oc o m p l e t et a s ki nt h eg a m e ，i tm u s th a v ea c o n t r o ls y s t e mt h a tw i t hah i g hc o n t r o la c c u r a c ya n dg o o ds t a b i l i t y R o
12、 b o ts o c c e r m o v e m e n tc o n t r o li Sm e a nt h a tc o n t r o ls o c c e rr o b o tt om o v ei na d v a n c ei na c c o r d a n c e w i t ht h ep l a n n e dt r a j e c t o r y ，m o t i o nc o n t r o ls y s t e md i r e c t l yi m p a c to np e r f o r m a n c e B yc o l l e c t i n gr
13、 e l e v a n ti n f o r m a t i o no nt h er e s e a r c ho fm o t i o nc o n t r o ls y s t e ma n d d e v e l o p m e n tt e n d e n c ya th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e ra n a l y s ea n ds y n t h e s i z e t h o s e m a t e r i a lf u l l y O nt h i sb a s i s ，c o m b i n i n gw i t h
14、t h er e s e a r c ho fm o t i o nc o n t r o ls y s t e mf o r f o u rO m n i d i r e c t i o n a lm o b i l es o c c e rr o b o tw h e r eId i di nm yl a b o r a t o r y ，d oi n - d e p t h r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nt h em o t i o nc o n t r o lo ft h er o b o t I nt h i sp a p e
15、 rt h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) T h ed e s i g no fs t r u c t u r ea n dh a r d w a r ef o rt h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m I l i 广东工业大学硕士学位论文 A n a l y z e st h eh a r d w a r ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h eo m n i d i r e c t i o n a
16、 lm o b i l er o u n d r o b o tc o n t r o ls y s t e m ，t h ef o o t b a l lt h em o v e m e n tc o n t r o ls y s t e mu s eD s P I Cc o n t r o l l e ra s i t ss t r u c t u r e E x p o u n d sr e l a t e dh a r d w a r ep a a sf u n c t i o nm o d u l e Sp r i n c i p l eo fw o r ki nt h e m o
17、t i o nc o n t r o ls y s t e mo ff o u rO m n i d i r e c t i o n a lm o b i l es o c c e rr o b o t H a r d w a r em o d u l e m a i n l y i n c l u d e s ：d cm o t o rc o n t r o lm o d u l e ，f o u r w h e e ls p e e dd i s t r i b u t i o nm o d u l e ，d c e l e c t r i c a lm o t o rd r i v i
18、n gm o d u l e ，i n t e r f a c eo fm o t o rc o d i n gd i s hm o d u l e ，s e r i a l p o r t c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，p o w e rm o d u l e s ，e l e c t r o n i cc o m p a s s ，t h eg y r o s c o p e ，a c c e l e r a t i o n s e n s o ra n dd r i b b li n gi n s t i t u t i o n s ( 2
19、) R e s e a r c ho fR o b o tS i n g l eF r e e d o mM o v e m e n tC o n t r o l B e c a u s et h eo p e r a t i o np r o c e s so fd cm o t o rc o n t r o ls y s t e mw i t hn o n l i n e a ra n d d e f o r m a t i o n ，t r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o dc a nn o tm e e ti t sc o n t r o
20、 lr e q u i r e m e n t s ，S Ot h i s p a p e r u s eB Pn e u r a ln e t w o r kP I Dc o n t r o l l e rt oc o n t r o lr o b o ts i n g l ef r e e d o m m o v e m e n t ，P I Dc o n t r o l l e rc a na d j u s tt h r e ep a r a m e t e r sb y u s i n g n e u r a ln e t w o r k s e l f - l e a r n i
21、n go n l i n e ，S Oa st oa c h i e v et h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s ( 3 ) R e s e a r c ho fR o b o tF o u r - w h e e lM o t i o nC o n t r o l E s t a b l i s ht h ek i n e m a t i c sm o d e lo fr o b o t ，a n dc h a n g et h eo v e r a l ls p e e db a s e do n f u z z yc o n t r o l
22、，l e tg e n e r a ls p e e de r r o rc h a n g ei n t oe r r o ro fs i n g l ew h e e le v e n t u a l l y A n d f i n a lo u t p u tr e s u l t so fc o n t r o ls y s t e mw h i c hh a se r r o rc o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e ro rn o tw i l l b ec o m p a r e dt h r o u g ht h ee x p e r
23、i m e n t a l ，S Om e t h o di sf e a s i b l ea n dp r a c t i c a l T h el a s ti ss u m m a r i z e d ，a n dl i s tr e s e a r c hr e s u l t s ，a l s os h o wt h ep l a c ew h e r en e e d i m p r o v e m e n td u r i n gt h er e s e a r c h K e y w o r d s ：s o c c e r r o b o t ；A l lr o u n d
24、 t om o b i l e ；M o t i o nc o n t r o l I V 目秉 目录 摘要一I A b s t r a c t I I I 目录一V C o n t e n t s V I I 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2 课题的研究背景及意义l 1 3 国内外相关的研究现状及发展趋势3 1 4 本文的主要研究内容及章节安排4 1 4 1 主要研究内容4 1 4 2 章节安排5 第二章R o b o C u p 中型组机器人足球比赛系统简介7 2 1 引言7 2 2 机器人足球比赛系统的构成及工作原理7 2 3 运动控制子系统：8 2 4 本章小结9 第三章运动控制系
25、统的体系结构与硬件设计1 l 3 1 引言1l 3 2 运动控制系统的设计要求I1 3 3 运动控制系统的体系结构1 2 3 4 运动控制系统的硬件设计1 3 3 4 1 控制器模块。1 3 3 4 2 电源模块。l5 3 4 3 串口通信模块16 3 4 4 直流电动机控制单元1 6 3 4 5 编码盘接口及测速模块1 7 V 广东工业大学硕士学位论文 3 5 本章小结2 0 第四章机器人单个自由度运动控制的研究2 l 4 1 引言。2 1 4 2 运动控制系统的软件开发环境2 1 4 3 运动控制系统的软件设计要求2 2 4 4 上流电机调速控制钟：法设计一2 3 4 4 1 直流电机控制
26、模型2 4 4 4 2 直流电机调速控制系统的组成2 5 4 4 3B P 神经网络P I D 控制器的参数整定。2 9 4 4 4B P 神经网络P I D 控制器程序设计3 0 4 5 直流电机调速控制系统的仿真实验31 4 6 仿真实验结果及分析3 5 4 7 本章小结3 7 第五章机器人四轮运动控制的研究3 8 5 1 引言3 8 5 2 机器人运动控制系统的结构3 8 5 3 机器人的运动控制模型。3 9 5 4 误差补偿控制器的设计4 l 5 4 1 误差补偿控制器的参数整定4 3 5 4 2 控制器的程序设计4 5 5 5 机器人运动控制系统的仿真实验4 6 5 6 实验结果及分
27、析4 9 5 7 实物试验及性能测试5l 5 8 木章小结5 3 总结5 4 参考文献5 6 攻读学位期间发表的论文5 9 学位论文独创性声明6 0 学位论文版权使用授权声明6 0 致i 射6 1 V I C o n t e n t s C o n t e n t s A b s t r a c t ( I nC h i n e s e ) I A b s t r a c t ( I nE n g l i s h ) I I I C o n t e n t s ( I nC h i n e s e ) V C o n t e n t s ( I nE n g l i s h l V I I C
28、 h a p t e r 1P r e f a c e 1 1 1P r e f a c e 1 1 2R e s e a r c hB a c k g r o u n da n dS i g n i f c a n c eo fT h i sP r o j e c t 1 1 3R e l e v a n tR e s e a r c hS t a t u sa n dD e v e l o p m e n tT e n d e n c ya tH o m ea n dA b r o a d 3 1 4P r i m a r yC o n t e n t so fR e s e a r c
29、ha n dC o n s t r u c t u r eo f T h i sT h e s i s 4 1 4 1P r i m a r yC o n t e n t so fR e s e a r c h 4 1 4 ：! C o n s t r u c t u r eo f T h i sT h e s i s 5 C h a p t e r2I n t r o d u c t i o no fM i d d l e - s i z eL e a g u eo fR o b o c u pS y s t e m 7 2 1P r e f a c e 7 2 2S t r u c t u
30、 r ea n dW o r k i n gP r i n c i p l eo fR o b o tS o c c e rS y s t e m 7 2 3M o t i o nC o n t r o lS u b s y s t e m 8 2 4B r i e fS u m m a r yo f T h i sC h a p t e r 9 C h a p t e r3 A r c h i t e c t u r ea n dH a r d w a r eD e s i g no fM o t i o nC o n t r o lS y s t e m 11 3 1P r e f a c
31、 e ll 3 2D e s i g nR e q u i r e m e n t so fM o t i o nC o n t r o lS y s t e m 11 3 3A r c h i t e c t u r eo fM o t i o nC o n t r o lS y s t e m 1 2 3 4H a r d w a r eD e s i g no fM o t i o nC o n t r o lS y s t e m 1 3 3 4 1C o n t r o l l e rM o d u l e 13 3 4 2P o w e rM o d u l e 15 3 4 3S
32、 e r i a lP o r tC o m m u n i c a t i o nM o d u l e 16 ：；4 4D CM o t o rC o n t r o lM o d u l e 1 6 3 4 5P o r to fC o d i n gM a s ka n dV e l o c i t ym e a s u r e m e n tM o d u l e 17 3 5B r i e fS u m m a r yo fT h i sC h a p t e r 2 0 V I I 广东工业大学硕士学位论文 C h a p t e r4R e s e a r c ho fR o
33、b o tS i n g l eF r e e d o mM o v e m e n tC o n t r 0 1 2 1 4 1P r e f a c e 2l 4 2S o f t w a r eD e v e l o p m e n tE n v i r o m e n to fM o t i o nC o n t r o lS y s t e m 21 4 3S o f t w a r eD e s i g nR e q u i r e m e n to fM o t i o nC o n t r o lS y s t e m 2 2 4 4S p e e dC o n t r o l
34、A l g o r i t h mD e s i g no fD CM o t o r 2 3 4 4 1C o n t r o lM o d e lo fD CM o t o r 2 4 4 4 2C o m p o n e n to fD CM o t o rS p e e dC o n t r o lS y s t e m 2 5 4 4 3P a r a m e t e rT u n i n go fB Pn e u r a ln e t w o r kP I Dc o n t r o l l e r 2 9 4 4 4P r o g r a m m i n gD e s i g no
35、 fB Pn e u r a ln e t w o r kP I Dc o n t r o l l e r 3 0 4 5S i m u l a t i o nE x p e r i m e n to fD CM o t o rS p e e dC o n t r o lS y s t e m 31 4 6R e s u l t sa n d A n a l y s i so fS i m u l a t i o nE x p e r i m e n t 3 5 4 7B r i e fS u m m a r yo f T h i sC h a p t e r 3 7 C h a p t e
36、r5R e s e a r c ho fR o b o tF o u r - w h e e lM o t i o nC o n t r o l 3 8 5 1P r e f a c e 3 8 5 2S t r u c t u r eo fR o b o tM o t i o nC o n t r o lS y s t e m 3 8 5 3M o d e lo fR o b o tM o t i o nC o n t r o l 3 9 1 ；4E r r o rC o m p e n s a t i o mC o n t r o l l e rD e s i g n 41 5 4 1P
37、a r a m e t e rT u n i n go fE r r o rC o m p e n s a t i o mC o n t r o l l e r 4 3 1 ；4 2P r o g r a m m i n gD e s i g no fC o n t r o l l e r 4 5 5 5S i m u l a t i o nE x p e r i m e n to fR o b o tM o t i o nC o n t r o lS y s t e m 4 6 5 6R e s u l t sa n d A n a l y s i so fE x p e r i m e n
38、 t 4 9 5 7P h y s i c a lE x p e r i m e n ta n dP e r f o r m a n c e T e s t i n g 51 5 8B r i e fS u m m a r yo f T h i sC h a p t e r 5 3 S u m m a r y 5 4 R e f e r e n c e s 5 6 T h e s i sP u b l i s h e dD u r i n gS t u d y i n gf o rt h eD e g r e e 5 9 O r i g i n a l i t yS t a t e m e n
39、 to f A c a d e m i cD i s s e r t a t i o n 6 0 U s eA u t h o r i z e dS t a t e m e n tf o rD e g r e eT h e s i sC o p y r i g h t 6 0 A c k n o w l e d g m e n t s 61 V I I I 绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百T 匕 随着 1 ：会的不断进步，机械现代化生产已经逐步代替了，f 譬统的手工劳动。机械 手町以代替人去完成生产工程中比较繁琐、复杂、危险的任务，提高了生产的效率 和质量。这一模式转变得益于机器人的发
40、明，它是2 0 世纪最伟大的发明之一。机器 人是具有感知、决策、行动和交互能力的，用来自动执行不同任务的人造机械电子 装置，它可以接受指令，也可以执行预先编排的程序，或者是按照人工智能制定的 规则运动川。进入2 l 世纪以来，随着科技水平的迅速提升和在机器人相关课题研究 的深入，使得机器人的功能在各个层面了都有了相当大的提高，其中机器人的移动 视觉以及机器人的嗅觉就足其功能得到较大提升的代表。现代生活中随处可见机器 人的影子，人们的日常生活、生产中它发挥了越来越大的作用。机器人技术开始源 源不断地向人类活动的各个领域渗透，遍及工业、国防、宇宙空问、海洋开发、紧 急救援、危险及恶劣环境作业、医疗康复等领域【2 3 钔。它作为人类社会最先进的生产 工具，可以把人从较为恶