毕业论文初稿

第四章 免疫算法在机器人路径规划中的应用

4.4 本章小结

本章首先概述了免疫算法的基本概念和免疫算法的方法分类，分析了免疫算法的基本原理，再设计免疫算法的基本步骤，归纳免疫算法在机器人路径规划的流程，并进行仿真，最后尝试对人工势场法和免疫算法结合后应用到机器人路径规划中，并分析结果。

37

第五章 足球机器人的自主协作规划

第五章 足球机器人的自主协作规划

5.1 足球机器人系统

作为多机器人协调系统的一个典型平台——足球机器人系统，最早由加拿大不列颠哥伦比亚大学的教授Alan K Mackworth于1992年在其论文《On Seeing Robots》中提出的[49]。开发足球机器人系统平台的目的在于通过提供一个标准任务，使得研究人员利用各种技术，获得更好的解决方案，从而有效地促进了相关领域的发展。这个想法一经提出，便得到了各国科学家的普遍赞同和积极响应。目前，足球机器人已经成为多机器人系统研究的一个标准平台，同时也是人工智能与机器人学科实验研究的载体。

有关足球机器人比赛的国际组织有两个：机器人世界杯联合会（RoboCup-Robot World Cup）和国际机器人足球联合会（FIRA-Federation of International Robot-Soccer Association）[50]。这两个组织每年都举办各种形式的足球机器人世界杯赛，有力地促进了这一研究活动的发展。机器人足球赛分为电脑仿真比赛、小型足球机器人赛、中型自主足球机器人赛，SONY有腿机器狗足球赛四大类。我国最早着手开发机器人足球的高校有东北大学，其他还有哈尔滨工业大学、国防科技大学等多所重点大学。近年来，国内几十所高校也加入到了机器人足球的研究队伍中来，比如华东交通大学参加的全国高校机器人鱼比赛上就取得了优异的成绩，可见，国内机器人的技术也日益发展起来，甚至在足球机器人的性能上与国外同类移动机器人基本相当。

5.2小型足球机器人系统组成

小型足球机器人系统由视觉系统、决策系统、机器人本体子系统（包括机械子系统和控制子系统），通信子系统（无线通信收发）这四个部分组成[51]（如图5-1所示）。首先由视觉系统实时采集足球场地的图像信息，图像识别程序获得场上的敌我两方小型足球机器人和球的位置及方向信息后，再将这些信息传送到决策与控制计算机；决策系统根据场上态势实时做出相应的反应，通过视觉系统获得的信息来对多个机器人进行总体协调和运动规划，然后通过无线通信系统将指令发送给场上的机器人。小型足球机器人作为整个系统的执行机构，在接收到命令后，由小型足球机器人本体的电机控制电路控制电机运转。机器人对决策与控制计算机主机命令的执行结果又通过视觉系统的采集反馈回信息采集与处理计算机，从而完成一个图像闭环回路，系统进入到下一个循环[52]。只有每个子系统都正常运行才能够保证整个机器人系统的正常运作，而系统整体性能的提高也依赖于每个子系统的提高，在系统中任何一个部分都有可能成为整个系统瓶颈，所以整个系统一定要协调均衡。

38

第五章 足球机器人的自主协作规划

裁判盒决策系统视觉系统摄像头无线通信系统足球平台 图5-1足球机器人的系统结构图

Fig.5-1 Soccer robot system structure

5.2.1感知系统

机器人的感知是指感觉和理解两方面问题[53]。机器人配备多种不同功能的传感器可以使机器人能够“感觉”到外部环境的变化，获得不同性质的局部环境信息。通过对获取的信息进行有效的融合和处理，机器人可以“理解”这些信息的意义，并将其与机器人的决策和控制紧密地结合起来。

环境感知能力是移动机器人除了移动之外的最基本的一种能力，感知能力的好坏直接决定了一个移动机器人的智能性，而感知能力是由感知系统决定的[54]。移动机器人的感知系统相当于人的五官和神经系统，是机器人获取外部环境信息及进行内部反馈控制的工具，它是移动机器人最重要的部分之一。移动机器人的感知系统通常由多种传感器组成，这些传感器出于连接外部环境与移动机器人的接口位置，是机器人获取信息的窗口，机器人用这些传感器采集各种信息，如：机器人所在位置，障碍物所在位置，机器人与障碍物之间的距离，以及单个机器人与单个机器人之间的距离，这些信息都需要传感器采取适当的方法，将多个传感器获取的环境信息加以综合处理，合理控制进行智能作业。由此可见，传感技术在机器人的路径规划中起着关键的作用，机器人探测环境的信息都要依赖于传感器获得的环境信息，机器人获得了传感器所探测的信息才能决定它的下一步方向。机器人在行走过程中，根据传感器的信息来不断更新其内部的环境表示，从而确定出机器人在地图中的当前位置及周围局部范围内的障碍物分布情况，并在此基础上，规划出一条从起点或某一子目标点的优选路径。

移动机器人的感知系统由内部传感器和外部传感器构成。内部传感器是完成移动机器人运动所必需的那些传感器，是构成移动机器人不可缺少的基本元件。内部传感器通常用来确定机器人在其自身坐标系内的姿态位置，用来测量位移、速度、加速度和应力的通用型传感器。外部传感器则用于机器人本身相对其周围环境的定位，负责检测距离、

39

第五章 足球机器人的自主协作规划

接近程度和接触程度之类的变量，便于机器人的引导及物体的识别和处理。移动机器人所配备的外部传感器取决于机器人所要完成的任务，常用的外部传感器又视觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、力觉传感器等[55]。用于探测障碍物信息的传感器可以分为两类：一种是用于测量距离的传感器，比如声呐传感器和激光雷达；还有一种是视觉传感器[56]。

选择机器人传感器应当完全取决于机器人的工作需要和应用特点，对机器人感知系统的要求是选择机器人传感器的基本依据。移动机器人对传感器的一般要求是：

(1)精度高，重复性好。移动机器人传感器的精度直接影响移动机器人的工作质量，用于检测和控制机器人运动的传感器是控制机器人定位精度的基础。机器人能否准确无误地正常工作，很大程度上取决于传感器的测量精度。

(2)稳定性好、可靠性高。机器人传感器的稳定性和可靠性是保证机器人能够长期稳定可靠地工作的必要条件。

(3)抗干扰能力强。有时，机器人传感器的工作环境可能比较恶劣的，机器人传感器应当能够承受强电磁干扰、强振动，并能够在一定的污染环境中正常工作。

(4)质量轻、体积小，安装方便可靠。对于安装在机器人运动部件上的传感器，质量要轻，否则会加大运动部件的惯性，影响机器人的运动性能。对于工作空间受到某种限制的机器人，对体积和安装方向的要求是必不可少的。

综上所述，作为面向复杂应用背景的智能系统，移动机器人传感信息的获取与处理是系统控制与决策的前提。移动机器人的传感信息按照所采集信息的性质可分为外部传感器信息和内部传感器信息，通过外部传感器进行外界环境检测获取的外部传感信息用以实现避障、协调以及运动控制等功能，通过内部传感器可检测机器人的内部状态，主要包括机器人的角度、速度、加速度、方向、位置等信息，用于机器人控制，而机器人的感觉系统通常指的是机器人的外部传感器系统。 5.2.2 通信系统

移动机器人的通信系统也是获得环境信息的重要工具。机器人之间的通信，既包括机器人内部各模块之间的通信，也包括与外部进行的信息交流。通过通信系统，机器人可以传递外部或者内部信息，借助计算机的强大处理能力，完成诸如传感器信息处理、运动控制、路径规划等数据运算。通信是多个机器人之间进行信息交互的基础，通过通信，多机器人系统中各机器人才能了解其他机器人的意图、目标和动作以及当前环境状态等信息，进而协作完成任务。在移动机器人导航研究中，通常通过无线通信方式获取机器人运动中的环境信息，进而操作移动机器人进行实时跟踪与控制。

多机器人系统协作和控制研究的基本思想就是将多个机器人作为一个群体，研究其协作机制，从而充分发挥多机器人系统各种内在的优势。为了有效的进行多机器人之间的交流和协调，必须解决机器人之间的信息处理与传输问题，及多机器人通信问题。

40