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第1章 绪论 1

1.1 机器人的由来 1

1.2 智能足球机器人系统 3

1.2.1 智能足球机器人系统的产生与发展 4

1.2.2 历届机器人世界杯赛情况 5

1.2.3 机器人世界杯组织机构 7

1.2.4 智能足球机器人在中国的发展 8

1.2.5 智能足球机器人系统的比赛种类 10

1.2.6 智能足球机器人系统的意义 16

1.2.7 智能足球机器人系统的技术特点 22

1.2.8 智能足球机器人系统技术的应用 26

1.3 智能足球机器人系统的组成 27

1.3.1 视觉子系统 27

1.3.2 决策子系统 27

1.3.3 机器人本体子系统 29

1.3.4 通信子系统 31

1.4 智能足球机器人系统发展趋势 31

1.5 本教材的安排 32

思考题 35

第一部分 智能小型足球机器人系统 39

第2章 智能小型足球机器人的本体结构 39

2.1 机械子系统 39

2.1.1 机械结构总体要求 39

2.1.2 四轮结构的行走结构 43

2.1.3 击球、控球及挑球结构 43

2.1.4 小型足球机器人各结构比较 45

2.1.5 小型足球机器人结构安排 47

2.2 运动学模型的建立 47

2.3 控制子系统 50

2.3.1 运动控制流程 51

2.3.2 电机驱动及速度检测 52

2.3.3 击球子系统 54

2.3.4 本体传感器红外测球电路 56

2.4 底层运动控制 57

2.4.1 底层控制器算法 57

2.4.2 采样周期的选择 59

2.4.3 运动控制器程序 60

2.5 基本运动轨迹规划 61

2.5.1 行为控制算法 61

2.5.2 动态目标拦截 61

2.5.3 击球角度 62

2.6 板载软件 64

2.6.1 基本思想 64

2.6.2 机器人软件系统结构 65

思考题 66

第3章 智能小型足球机器人系统的通信与电源子系统 67

3.1 图像处理计算机与决策计算机之间的通信（Sockets） 68

3.2 裁判盒及其RS-232通信 69

3.2.1 比赛裁判盒 69

3.2.2 串口通信 70

3.3 无线通信系统的组成 76

3.3.1 无线通信系统的类型 77

3.3.2 信号、频谱与调制 77

3.3.3 智能小型足球机器人系统的无线通信电路 80

3.4 板载DSP芯片间的通信 83

3.5 无线局域网 84

3.6 智能小型足球机器人的电源子系统 88

3.6.1 机器人常用电池 88

3.6.2 干电池 89

3.6.3 铅酸蓄电池 90

3.6.4 锂离子／锂聚合物动力电池 90

3.6.5 镍镉／镍氢电池 91

3.6.6 电池充电方法 94

思考题 97

第4章 智能小型足球机器人系统的实时图像处理 99

4.1 实时图像处理概述 99

4.2 图像颜色特征提取 101

4.2.1 图像信息的色彩处理基础 101

4.2.2 颜色模型 102

4.2.3 图像的色彩分割 105

4.3 图像边缘特征提取 108

4.3.1 灰度突变点检测 108

4.3.2 边缘检测算法 109

4.3.3 边缘特征提取方法 112

4.4 目标识别 114

4.4.1 目标匹配算法 114

4.4.2 目标搜索策略 116

4.4.3 目标坐标的几何畸变校正 117

思考题 119

第5章 智能小型足球机器人系统的路径规划 120

5.1 路径规划典型方法 120

5.1.1 人工势场法 120

5.1.2 栅格建模法 123

5.1.3 遗传算法 125

5.1.4 快速随机树搜索 128

5.2 运动姿态控制算法 130

5.2.1 速度分解 130

5.2.2 质心速度的确定 131

5.2.3 旋转速度的确定 133

5.3 人工势场路径规划方法的具体实现 134

5.3.1 路径规划实现结构 134

5.3.2 势场法的弊端与改进方法 135

5.3.3 “连锁网络”障碍物的整体规划方法 138

思考题 142

第6章 智能小型足球机器人系统的综合决策与机器学习 143

6.1 综合决策与机器学习概述 143

6.2 综合决策 144

6.2.1 各策略模式 145

6.2.2 战术设计 148

6.3 多层增强学习 149

6.3.1 增强学习算法概述 149

6.3.2 Q学习算法 150

6.3.3 双层增强学习算法 151

6.4 预测控制 154

6.4.1 控制延时问题 154

6.4.2 预测控制方法 155

6.4.3 球的扩展卡尔曼滤波估计 156

6.4.4 人工神经网络机器人跟踪预测 161

6.5 数据融合的应用 165

6.5.1 决策系统中的多信息数据融合 165

6.5.2 运动的直线校正 167

6.5.3 运动避障 167

6.5.4 运动路径及“受伤”机器人的智能判断 168

思考题 169

第7章 智能小型足球机器人系统的仿真研究平台 170

7.1 路径规划仿真平台 170

7.1.1 平台的搭建 170

7.1.2 多机器人队形实验 171

7.1.3 路径规划仿真平台的结构 176

7.2 利用OpenGL构建3D仿真平台 177

7.2.1 OpenGL技术简介 177

7.2.2 仿真平台3D建模 178

7.3 碰撞检测 179

7.3.1 碰撞检测技术简介 179

7.3.2 碰撞检测在仿真平台中的应用 180

7.3.3 运动的质点与平面的碰撞检测 181

7.3.4 运动的质点与圆柱面的碰撞检测 181

7.3.5 碰撞响应 183

7.4 运动建模 184

7.4.1 路径规划 184

7.4.2 踢、挑球以及带球功能仿真 184

7.5 交互式设计 185

7.5.1 场景平移与视点转换 185

7.5.2 可动对象的选取和互动 185

7.6 仿真平台应用 186

7.6.1 比赛重演以及数据分析 186

7.6.2 仿真调试功能 186

思考题 188

第二部分 智能自主足球机器人系统 191

第8章 智能自主足球机器人系统简介 191

8.1 智能自主足球机器人系统 191

8.2 智能自主足球机器人系统的关键技术 194

8.2.1 多任务实时控制技术 194

8.2.2 自定位 195

8.2.3 实时视觉 196

8.2.4 复杂行为控制技术 196

8.2.5 机器人控制系统的体系结构 197

8.2.6 智能自主多机器人传感器融合 198

8.2.7 智能自主多机器人的协作 198

8.2.8 智能自主多机器人的学习 199

8.3 智能自主足球机器人系统存在的难题和解决途径 199

思考题 200

第9章 智能中型足球机器人的硬体结构 201

9.1 硬体结构组成 201

9.2 机械结构 202

9.2.1 移动平台 202

9.2.2 踢球系统 204

9.2.3 带球机构 207

9.3 微处理器单元 209

9.3.1 常用微处理器 209

9.3.2 基于FPGA的SOPC介绍 210

9.3.3 FPGA选型 212

9.3.4 NiosⅡ软核处理器 213

9.3.5 时钟电路 213

9.3.6 FPGA配置电路 214

9.3.7 基于FPGA的SOPC开发应用 214

9.4 电机驱动部分 219

9.4.1 全桥电路 219

9.4.2 电机控制算法 221

9.5 USB和1394通信 223

9.5.1 USB通信 223

9.5.2 IEEE 1394 224

9.6 基于里程计的辅助定位 225

思考题 228

第10章 智能中型足球机器人系统的软体结构 229

10.1 视觉子系统 230

10.1.1 视觉系统的硬件配置 230

10.1.2 视觉系统基本信息的提取 233

10.1.3 自定位 245

10.2 通信子系统 250

10.2.1 比赛规则 250

10.2.2 服务机程序与机器人程序 251

10.3 决策子系统 253

10.3.1 决策能力 254

10.3.2 决策的意识层 258

10.4 运动控制子系统 262

10.4.1 速度分解 262

10.4.2 通信协议 262

思考题 263

第11章 智能类人足球机器人仿真平台 264

11.1 仿真比赛平台 265

11.1.1 仿真2D组比赛平台 265

11.1.2 仿真3D组平台介绍 266

11.2 RoboCup3D simulation人型足球机器人的实现 272

11.2.1 人型机器人智能体结构的整体设计 272

11.2.2 智能体与服务器信息交互的实现 273

11.2.3 机器人基础动作在仿真平台中的实现 275

11.2.4 机器人自身位置的确定 280

11.2.5 世界模型预测子模型 282

11.3 高层决策 283

思考题 284

第三部分 智能足球机器人系统的构建第12章 智能小型足球机器人系统的构建 287

12.1 机械部分 287

12.1.1 二轮机械结构制作 287

12.1.2 制作实例 290

12.2 四轮全向移动机械结构 295

12.3 运动控制部分 298

12.3.1 TMS320LF2407A简介 299

12.3.2 电机驱动及速度检测 300

12.4 Windows Sockets创建TCP通信的过程及相关函数 305

12.4.1 服务器端操作Socket 306

12.4.2 客户端Socket的操作 309

12.4.3 数据的传送 309

12.4.4 自定义CMySocket类的实现代码 310

12.4.5 双绞线的标准做法 314

12.4.6 串口连接线制作方法 316

12.4.7 无线通信电路实例 317

12.4.8 板载通信电路 318

12.5 电源部分 319

12.5.1 智能充电器的定义和特点 319

12.5.2 智能充电芯片 320

12.5.3 单通道智能充电器方案 322

12.5.4 五通道智能充电器 325

12.6 图像处理平台的搭建 326

思考题 333

第13章 智能中型足球机器人系统的构建 334

13.1 机械结构部分 334

13.1.1 全向移动平台 334

13.1.2 全向轮选择与制作 336

13.1.3 气动踢球系统 337

13.2 底层硬件电路部分 340

13.2.1 电路原理部分构建 341

13.2.2 基于NiosⅡ的SOPC部分构建 345

13.3 软件部分 354

13.3.1 硬件配置 354

13.3.2 软件开发环境 355

13.3.3 服务机程序 357

13.3.4 客户机程序 359

思考题 364

第14章 智能类人足球机器人仿真平台的构建 365

14.1 硬件要求 365

14.2 平台安装方法 365

14.2.1 仿真平台在SuSE Linux上的搭建 366

14.2.2 仿真平台在Ubuntu Linux上的搭建 369

14.2.3 运行仿真平台 372

14.2.4 智能体程序连接服务器 374

14.2.5 仿真平台在Windows操作系统上的搭建 375

14.3 仿真3D机器人智能体的程序实现实例简介 376

14.3.1 示例程序主框图 377

14.3.2 对自主开发程序的模块划分的建议 378

思考题 379

第15章 智能足球机器人系统发展与应用展望 380

15.1 智能足球机器人系统的发展展望 380

15.1.1 RoboCup国际联合会的目标 380

15.1.2 来自中国的一个大胆设想 381

15.1.3 智能中型足球机器人的挑战项目 382

15.2 智能足球机器人系统技术研究应用展望 385

15.2.1 家庭服务机器人 385

15.2.2 机器鱼 386

15.2.3 网络机器人 388

15.2.4 足球机器人技术应用于其他机器人 390

15.3 结语 391

思考题 392

附录A 2009年小型组足球机器人（F180）国际比赛规则 393

附录B RoboCup中型组国际比赛规则（MSLR） 411

附录C 2009奥地利机器人世界杯仿真3D组规则 437

推荐相关网站 440

参考文献 441