足球机器人读书报告1.docx

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足球机器人读书报告1

机器人踢足球

西安高级中学机器人实验室

2010-01-05

足球机器人的实验研究报告

---西安高中研究性学习研究与实验课题报告

西安高级中学刘若曦王雨豪陈肖张羽童

指导教师陆裕元

一、立题背景

机器人踢足球是以足球为载体的高科技研究和高技术对抗，它广泛涉及人工智能、计算机视觉、自动控制、传感和信息等一系列学科的创新研究。

“研制一队全智能类人型机器人足球队员，并击败世界杯冠军”，这是ROBOCUP（机器人足球世界杯）提出的愿望，也是所有机器人爱好者的共同梦想。

参与机器人足球比赛活动，不仅有利于培养青少年的科技兴趣、激发学习热情，而且可以增长很多课外知识，如：

传感器的知识，声、光、电及机械传动综合控制的方法、智能程序的设计方法等，同时还可以极大地提高我们中学生的动手能力、创新能力和解决问题的逻辑思维能力。

针对目前课堂智能机器人正在逐步进入中小学这一情况，我们结合本校机器人实验室现有的智能机器人器材（LEGO机器人组件），选择了智能机器人踢足球项目的研究，这项研究不仅可以使我们了解和研究机器人足球比赛的过程与规则，还需要认真学习智能机器人的搭建制作方法、控制机器人的程序的编制方法等，在亲自动手制作的过程中，通过观察分析寻找更合理、更完美的解决方案，进一步增强机器人足球比赛的趣味性与竞争性。

二、指导思想

1.以学生的发展为本，结合新型的科技活动，指导学生运用信息技术开展研究性学习，培养学生对信息的获取、对知识的探求和解决实际问题的综合能力。

2．转变学生的学习方式，以自主学习和合作探究方式引导学生学会应用网络和资源学习，在研究活动中通过探索、交流、合作，培养学生勇于创新的精神和克服困难的勇气及毅力

3.培养学生实事求是、严谨踏实的科学态度和学风，学会科学的思维和探究的方法。

从批判性、发散性等方面全面提高学生的创造意识。

三、研究目标与内容

1.什么是智能机器人？

足球机器人是运用何种思想和策略踢足球的？

机器人足球比赛的规则是什么?

自己动手制作这样的足球机器人需要哪些器材？

2．如何用LEGO器材搭建一个既稳固又灵巧的机器人?

3．如何使机器人在足球场上迅速地找到足球（俗称“找光”）？

4．何使用Roblab软件编制完整的足球运动员程序？

特别是如何形成结构化的程序。

四、研究过程

（一）前期准备

小组成员名单：

组长

刘若曦

副组长

王雨豪

小组成员

陈肖

张羽童

李泱辰

刘弘珂

廖飞

胡洋

指导教师

陆裕元

1.研究前的学习和讨论

（1）讨论机器人踢足球的基本原理和基本思想

（2）认识并熟悉LEGO机器人的各种组件及传感器

（3）认识并学习LEGO机器人的控制组件RCX的操作方法

（4）学习在Roblab软件环境中编写机器人控制程序的基本方法

2.准备

LEGO课堂机器人的部分器材：

RCX（机器人微电脑）2个，红外发射器1个，LEGO搭建用的积木若干，光电传感器4个，直流电机4个，驱动轮（胶皮轮）6个，红外线足球1个，足球场地及地面灰度纸一张，Roblab软件及PC机一台，连接导线若干条，剪刀、胶水等工具，机器人足球比赛规则等。

3.安全提示

学习实验室安全守则，器材要轻拿轻放，如红外足球、RCX微电脑等，以免摔坏。

（二）研究步骤

1.研究足球机器人的前提知识储备

学习机器人比赛规则，熟悉LEGO机器人器材，观看国内外机器人足球比赛的图文或视频资料，由感性认识过渡到理性认识，相互交流对比赛规则的理解，对LEGO机器人器材及编程软件的认识，并规划自己要制作的足球机器人的结构、外形。

2.机器人足球战术分析：

根据目前国际国内的机器人足球比赛规则，中学生一般是采用2对2的对抗形式，因此，可考虑以下几种战术：

（1）一攻一守型:

1前后场分区防守，各占一半，也可称之为场地色块深度优先，攻守责任分明。

2门将机器人守在球门前,前锋机器人负责全场。

缺点攻击性能较弱。

（2）全攻型：

防御力差，无法稳扎稳打。

（3）全防型：

没有攻击能力，几乎不能用于比赛。

（4）综合型：

条件①当两机器人都看到球并判断球在对方禁区时，采取全攻型策略，踢活球，即积极进攻减少死球，在对方禁区争取进球机会。

条件②当两机器人都看到球并判断球在己方区域时，采取全守型策略，踢死球，即实施卡球的方法增加死球，达到防守的效果。

条件③当任一机器人看到球时，采取一攻一守型策略。

条件④当两机器人都无法看到球时，两机器人回防，以防备对方突击。

3．足球机器人的硬件搭建

竞赛规则要求：

球机器人必须能放入直径为22cm的垂直圆柱筒内，高度小于22cm，检查机器人时，以机器人的可伸展部位的最大尺寸为测量尺寸；前锋能灵巧地转身，并有较高的速度。

根据以上竞赛要求，我们在设计机器人时，既要考虑总体尺寸长度（包括可伸展部位），还要考虑其坚固性、灵活性和抗冲击能力。

为此，我们选择一攻一守型战术，对前锋和门将分别作如下制作：

●足球前锋机器人的结构搭建

前锋机器人在运行中的路线是不确定的，有时需要转弯，有时需要直行。

为了方便控制机器人运行，我们用2个马达控制机器人运行，分别接在RCX的A口和C口上，如图1所示，并用长梁作为支承底座，利用短梁斜拉来连接RCX和底座,这样有利于提高稳定性的抗冲击能力。

为了能灵敏地寻找足球，在机身的前部加装两个面朝前的光电传感器，将导线连接到RCX的1号口与3号口，通过对足球的光感反应来寻找足球；在机身中前部再加装一个面朝下的光电传感器，将导线连接到RCX的2号口，通过对地面的光感来判断自身位置及前进的方向，确保攻击方向正确，避免“乌龙球”。

前锋机器人的参考外形如图2所示。

●足球门将机器人的结构搭建

门将机器人的主要任务是守在自己这一方的门前，当发现足球进入自己的半场时，立即起动电机向光源所在的一侧运动,所以我们将两个光电传感器分别固定在机器人身体两侧来检测足球，当左边光电传感器检测到足球时，机器人向左运行；当右边光电传感器检测到足球时，机器人向右运行。

为了便于门将沿直线移动，我们用四个轮子来控制其行走，参考外形如图3所示。

图3

4．足球机器人的编程

足球机器人的硬件搭建完毕后，接下来要做的工作就是为足球机器人编程，使足球机器人具有一定的自动控制能力。

因前锋机器人和门将机器人分工不同，我们采取了不同的程序策略来加以控制。

●

前锋机器人控制程序的基本设计思路

对应的程序如图：

结合上述程序，分析思考这个程序中哪些部分分别控制以下动作的？

策略是什么？

开球：

_______________________________________________________

找球:

________________________________________________________

判断场地并调整进攻方向：

_____________________________________

进攻踢球：

___________________________________________________

防卡死的处理：

_______________________________________________

通过自主学习Roblab软件的基本用法，认真理解上述参考程序的设计思路，分析其中存在的不足，提出你的设计思路，说明理由，并试着按照你的思路来编写自已的前锋程序。

在这一过程中，不仅要逐步学习和体会机器人控制程序的编写方法，还要注意研究如何使程序结构化，如何使程序更易于修改和调试、更利于他人的使用等工程化的思想和方法。

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●门将机器人的编程思路

门将控制策略相对简单一些，只要能判定足球过来的方向，快速做出向左或向右直线移动去挡球就可以了，我们为其编制的程序如下：

在搭建与编程过程中，我们按照合作学习的思想，组内成员既有明确的分工，遇到问题又能共同研究，如：

陈肖和张羽童两位同学主要负责硬件制作，而刘若曦和王雨豪两位同学主要负责编程，编程组要与硬件制作组共同策划足球机器人的结构设计，而硬件制作组也要听取编程组提出的改进意见不断改正，用集体的智慧去完成项目的研究。

5.实验观察与调试

通过搭建与编程，虽然将足球机器人制作出来了，但能否实现预期的效果，还必须进行实际调试，在调试中不断观察、不断改进，才能使足球机器人逐步达到预期的效果。

以下是我们在实验观察及调试阶段提出的一些问题及做法。

前锋机器人

（1）观察足球在不同距离范围内时，前锋光电传感器测到的光值，记录下来，形成一张参考表，便于调试参考（这些数据会因外界光线的不同而有所不同）。

1.5米

1米

0.5米

0.2米

感光值

（2）前锋机器人采用哪种方式找球比较快（随机行走寻找方式，转圈寻找方式）？

实验调试过程中我们发现，由于LEGO的光电传感器感光距离有限，稍远一些可能就找不到球，因此，如果始终采用旋转找光策略将有可能使机器人在某处陷入死循环，为此，我们采用了旋转找光+随机走的策略，即旋转找光如超过一定时间还未找到球，就随机向前行进一段，然后再旋转找光。

（3）如何确定是在角上卡死球了？

如何处理？

（即如何向正确的方向拨球）

卡死球是机器人在场上经常发生的，因此让机器人智能化地拨球是足球前锋要解决的一个很重要的问题，开始我们是用光感+碰触传感同时判别是否卡死（即光值始终不变且正面有碰撞），然后左右拨球，但这样拨球方向不明确，有可能造成“乌龙球”，经过查资料发现现在有一种”指南针”传感器，采用”指南针”传感器后，根据卡死时机器人的角度可判断出机器人处在场地的哪个角，然后向正确的方向拨球。

●门将机器人

（1）如何有效地限制门将移动的距离，使其尽量在球门区范围内直线移动挡球，提高挡球效率？

（2）在规则允许的范围内，如何尽可能地提高门将机器人的耐冲击力？

为了提高机器人的耐冲击力，我们重点从力学结构及配重方面加以改进

●在实验调试过程中，我们经过研究还摸索到了以下一些经验：

（1）光电传感器要尽量收集大范围数据，搭建时可采用可调角度的方法，使光电传感形成”八”字形，效果优于直线式向前的安装方式

（2）重心必须放在主动轮上，以保证从动轮正压力降至最小，减小机器人转向时的摩擦力

（3）重心降得越低，机器人就越稳，但这可能带来新的问题，如：

空间约束更大了。

为了避免传感器、RCX、电机、轮子受到直接的碰撞，前锋周围加装缓冲装置。

6.参考资源（网址）

西觅亚科技网站：

能力风暴机器人网站：

五、研究成果

见附件中的我校机器人实验室自主研制的足球机器人实物图片和控制程序。

六、问题分析与反思

在这个项目的研究性学习过程中，小组全体成员无论从学习方法还是制作技术方面都有不少收获，同学们从过去的只知道啃书本逐渐学会了通过网络等其它课外资源进行自主学习和合作学习，特别是团队意识和合作精神有了很大提高，这对同学们今后的学习无疑是非常重要的。

在技术方面，不仅了解了课堂机器人的基本知识，学会了机器人的装配、学会了机器人的编程和调试，更重要的是通过这样一个完整的研究过程，初步掌握了开展科学研究的一般方法。

当然，我们小组研究的足球机器人还处在初级阶段，还有许多问题等待进一步研究，如：

机器人还不能准确地辨认球门的位置；还无法分辨对方球员和我方球员；无法准确地传球和配合，找球的灵敏度还有待提高等。

在未来的开发中，我们将通过不断地提出问题、分析问题、解决问题，使机器人足球项目不断更新，不断完善。

相信不久的将来我们会开发出功能更全、自主性更强的足球机器人。

第一版足球机器人前锋实物图

第二版足球机器人前锋实物图

第一版足球机器人守门员

第二版足球机器人守门员

机器人研究团队