基于机器人平台的无线通讯技术研究.docx

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基于机器人平台的无线通讯技术研究

基于机器人平台的无线通讯技术研究

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

作为一种能代替人工作业的智能机器，机器人适用于具有高复杂

性、高危险性和高紧急性的环境中。

近些年被广泛地应用于火灾救援、矿山营救、科学探索等多个领域。

移动机器人作为机器人技术的一个重要分支，其控制系统的性能直接决定了机器人工作的稳定性和精度。

将无线网络技术应用于机器人通讯系统的研究，一方面突破了机器人控制距离的限制，真正实现了跨区域的远程控制；另一方面，使移动机器人可以与网络中的其他智能设备进行交互、协作，更好的地利用网络资源。

机器人足球比赛是近年来在国际上迅速开展起来的高科技对抗活动，是将高科技和人们喜爱的足球运动结合在一起的产物。

他为机器人学、智能控制、无线通讯、图像处理、机械学等多学科交叉性的研究与应用提供了很好的平台，其理论与技术可应用与工业、农业、国防、医疗、教育等实践领域，从而有效推动国家科技、经济等各方面的发展。

本论文以足球机器人为研究对象，对现有的足球机器人比赛系统进行了分析和研究，并通过对基于足球机器人平台无线通信软硬件条件的深入分析，重点对无线通讯子系统进行了研究。

足球机器人系统，在硬设备方面包括机器人小车、摄像装簧、计算机主机和无线发射装置。

从功能上分．它包括机器人小车、视觉、决策和无线通信四个子系统。

其中无线通讯系统是衔接主机和底层机器人之间联系的不可缺少的一环．它必须保证从主机端到机器人底层之间的数据传送是可靠的，从而使得机器人比赛能够顺利流畅进行。

由于比赛双方都有多个机器人同时在场地上跑动，要求无线通讯有一定的抗干扰性。

无线通讯系统的性能，相当程度上直接影响着机器人的场上表现。

关键词：

足球机器人，无线通讯，无线通讯系统

Abstract

Asakindofcanreplacetheartificialworkoftheintelligentmachine,robotsuitableforthehighcomplex,highriskandhightensionacuteenvironment.Inrecentyearshasbeenwidelyusedinfirerescue,minerescue,scientificresearchandotherfields.Mobilerobotisanimportantbranchofrobottechnology,thecontrolsystem'sperformancedirectlydeterminesthestabilityandaccuracyofrobot.Theapplicationofwirelessnetworktechnologyintherobotcommunicationsystemresearch,abreakthroughoftherobotcontroldistanceconstraints,trulyrealizescross-regionremotecontrol;ontheotherhand,inordertomakethemobilerobotcanbeassociatedwithanetworkofotherintelligentdevicestointeract,collaborate,betteruseofcybersource.

Therobotsoccergameisquicklycarriedoutinrecentyearsintheinternationalhigh-techfightagainstactivitiesthatcombineshigh-techandpeople'sfavoritefootballproduct.Forrobotlearning,intelligentcontrol,wirelesscommunications,imageprocessing,machineryandotherinterdisciplinaryresearchandapplicationtoprovideagoodplatform,itstheoriesandtechniquescanbeappliedtoindustry,agriculture,defense,medical,education,etc.practiceareasinordertoeffectivelypromotenationalscienceandtechnology,economicandotheraspectsofdevelopment.

Inthispaper,withthesoccerrobotastheresearchobject,therobotsoccercompetitionsystemisanalyzedandstudied,andbasedonsoccerrobotwirelesscommunicationhardwareandsoftwarerequirementsanalysis,focusingonthewirelesscommunicationsubsystemisstudied.Soccerrobotsystem,thehardequipmentincludingrobot,cameraequipmentspring,hostcomputerandwirelesstransmittingdevice.Fromthefunction.Itincludesrobot,vision,decision-makingandwirelesscommunicationfoursubsystems.Thewirelesscommunicationsystemistheinterfacebetweenthehostandtheunderlyingrobotlinksbetweenanindispensablelink.Itmustguaranteefromthehosttotherobotbetweentheunderlyingdatatransmissionisreliable,sothattherobotcompetitionsmoothlycarriedout.Becausethegamehasmultiplerobotswhileonthegroundrunning,requirementsofwirelesscommunicationhascertainantiinterference.Wirelesscommunicationsystemperformance,aconsiderableextentaffectstherobotperformances.

Keywords:

soccerrobot,wirelesscommunication,wirelesscommunicationsystem

第一章绪论

1．1研究背景和意义

机器人作为人类20世纪最伟大的发明之一，在短短的40年内发生了日新月异的变化。

发展机器人技术已成为高技术领域中具有代表性的战略目标之一。

机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产面貌发生了根本性变化，而且将对人类的社会产生深远的影响。

随着社会生产技术的飞速发展，机器人的应用领域不断扩展。

从自动化生产线到海洋资源的探索，乃至太空作业等领域，机器人可谓是无处不在【1】

机器人足球是人工智能领域与机器人领域的基础研究课题。

它涉及的主要研究领域有：

小车机械、机器人学、机电一体化、数据融合实时数字信号处理、图像处理与图像识别、决策、路径规划、多智能体协调、人工智能、无线通讯等等。

机器人足球借助“足球”的形式，通过各种国际大赛，不断推动机器入学、计算机视觉、自动控制、人工智能、多智能体系统等相关领域科研工作的迅速发展，进而为其相关技术在生产和生活中的应用打下良好基础。

参加机器人足球世界杯比赛的代表队的运动员一般都是由各国研究所和大学制作的，它们都有很高的科技含量，它展示了一个国家信息和自动化技术的综合实力。

足球机器人系统在许多领域有着广泛的应用前景。

比如，系统中的协作控制与决策，就可用于无人作战平台群的协助控制，诸如无人驾驶飞机群的编队控制及与敌方的辅助攻防对抗、海军舰队的编队与辅助协同作战，以及未来战场上机器人部队的组成与控制理论及技术支持等。

可以看出足球机器人的研究工作，对科学技术的发展有一定的推动和促进作用。

机器人足球除了在科学研究方面具有深远的意义，它也是一个很好的教学平台通过它可以使学生将理论与实践紧密地结合起来，提高学生的动手能力、创新能力、协作能力。

机器人足球同时又提供了一个标准任务，研究人员利用其验证的各种技术、获得的更好解决方案，可以反过来促进各个领域的发展。

这也正是开展机器人足球研究的深远意义，也是研究机器人足球的魅力所在。

1．2机器人足球的分类

目前，国际上有组织的机器人足球比赛分为两大系列一FIRA和ROBOCUP。

FIRA是国际机器人足球联盟（FederationofInternationalRobot—soccerAssociation）的缩写，主席是韩国科学技术院的金钟焕教授。

FIRA每年举办一次机器人足球世界杯赛（FIRARobot—SoccerWorldcup），简称FIRAcup。

FIRA的比赛项目主要有：

Narosot（超微机器人足球赛）、Mirosot（微型机器人足球赛）、Robosot（小型机器人足球赛）、KheperaSot（自主式机器人足球赛）、Hurosot（拟人式机器人足球赛）、simuroSot（仿真机器人足球赛）。

ROBOCUP（国际人工智能协会组织的机器人世界杯）的原意为ROBOTWORLDCUP。

1997年正式成立，总部设在日本东京，正式注册瑞士伯尔尼。

ROBOCUP自1997年起每年举办一次机器人足球世界杯赛（TheRobotworldcup），ROBOCUP的比赛项目主要有：

Simu1ationLeague（仿真机器人比赛）、Small一sizeLeague（F-180）（小型足球机器赛）Middle-SizeLeague（F2000）（中型自主足球机器人赛），类人组

（Humanoid），SONYLeggedRobotLeague（SONY有腿机器人足球赛），救援组（RobocupRescue）等，迄今中型组代表该领域的最高水平。

目前世界各国参加Robocup中型组比赛的球队规模不断扩大，从历届比赛的成绩来看，中型组中有三支实力较强的队：

德国弗赖堡（Freiburg）大学的cSFreibllrg队（三次冠军）、日本大阪（osaka）大学队和伊朗s11arify理工大学SharifyCE队和荷兰的PhilipsRobocupTeam【2】。

1.3我国足球机器人的研究现状

我国首次研制足球机器人比赛系统是从1997年开始的，在巴西举行的第四届FIRACup赛上，东北大学凭着自行研发的软硬件系统夺得了标准动作比赛的冠军，从此打破了我国在国际机器人足球比赛赛场上零的突破。

1998年，国际机器人足球联盟中国分会正式成立。

次年的12月，以哈尔滨工业大学为首的少数几所学校携带各自研发的FIRA系列小型系统参加了在我国（哈尔滨）首次举办的第一届全国机器人足球比赛。

我国第一次正式参加RoboCup机器人足球世界杯赛是在2000年，其代表队为中国科大的“蓝鹰”队，获仿真比赛第9名。

2000年9月，在第五届世界杯锦标赛中，我国共获一项冠军和一项季军，实现了我国机器人足球赛研发者梦寐以求的梦想——冲出亚洲、进入世界足坛。

2001年，清华大学夺得了RoboCup仿真组比赛的冠军。

在FIRA世界杯比赛中，中国队于2002年和2003年分别获得三枚金牌和两项冠军、一项亚军、两项季军的好成绩。

在国家自然科学基金委员会和国家863高技术的鼎力支持下，经过十多年的时间，中国机器人足球队已经在世界机器人足球比赛中占有一席之地，并多次战胜了世界强队，这充分证明了我国的科技发展水平和综合科研能力。

近年来，随着机器人比赛活动的深入开展，国内许多院校如清华大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、中国科技大学、广东工业大学等一批在国内最早开始研究机器人足球系统的单位将此活动视为开展大学生创新教育、提高学校声誉的有效途径，这使得机器人足球比赛活动很快在国内普及开来。

以前只有仿真2D一个项目、中科大和清华的4支参赛队伍，现在已有来自80余[3]所高校和科研单位的200多支球队，遍布全国七个地区，比赛项目也扩展到仿真2D、仿真3D、四足、小型、中型、人形和救援等7项，并拥有全国性的比赛。

现在，我国每年都能举办两次以上的机器人足球赛，并可同时获得几项世界杯冠军，但与国外机器人的研究水平相比，我国还存在着一些问题。

一方面，在产业化上与国际上有着一定的差距；另一方面，我国机器人研究多是借鉴外国先进技术，进行二次开发的多，自身技术创新较少。

目前我国机器人主要朝着仿人仿生方向发展，已经取得了一定的成绩，但创新不足仍是主要问题。

总体上看，我国机器人研究仍然任重而道远。

1．4论文的组织结构

本文的主要内容如下

第一章主要阐述了足球机器人的分类，发展历程及我国目前的研究现状，同时也论述了机器人足球的研究意义及其发展远景，并以此作为课题的出发点。

第二章介介绍了足球机器人比赛的系统结构及各部分的功能，对机器人硬件和系统构成进行了总体概述。

第三章主要完成了对足球机器人无线通讯软硬件条件的分析比较研究

第四章主要对足球机器人无线通讯技术进行了分析研究

第五章以实验室的智力风暴智能机器人为平台进行了无线通讯的研究

第六章概括全篇，并对机器人足球的发展进行了总结和展望。

第二章足球机器人系统结构

2.1机器人系统

机器人足球系统全视图如图2．1所示：

图2.1机器人足球系统全视图

机器人足球由四个子系统构成【4】，分别是视觉子系统、策略子系统、通讯子系统和机器人小车子系统。

系统运行时，首先由视觉子系统识别场上足球和机器人的位姿信息，即足球的位置和机器人的位置及角度，然后策略子系统根据视觉信息进行多个机器人总体协调和运动规划，得到每个机器人的动作指令，并通过通讯子系统将其传送给机器人小车子系统，机器人小车一句控制信息进行动作比赛。

整个系统工作流程如图2.2所示

图2.2机器人足球系统构成

2．1．1视觉子系统

全局视觉子系统是整个机器人足球比赛的关键，它是从2D投影中恢复有用的帧信息，将图像作为输入，根据图像建立现实世界的模型，进而产生控制输出。

通过视觉系统，能够确定本方机器人、对方机器人和球的位置和角度，从而为比赛策略提供场面信息。

识别效果的好坏和识别速度的快慢直接关系到比赛的胜负。

在视觉系统工作的全过程中，对软件方面的研究主要包括：

目标体的特征提取、多个目标体的分割和各个目标体的位置姿态的辨识。

视觉系统对场景中每个目标（球和机器人）是通过颜色特征来区分的。

一般说来，每个机器人顶部有两个不同颜色的标志块，一个是队服，用来区分比赛双方，每方的队服是相同的；另一个是队员的标志，用来区分每个队员。

比赛规则规定，队员颜色标志不能采用对方的队标颜色同样，对球的识别也是通过颜色来识别的。

视觉系统每秒钟要处理几十到上百幅画面，画面之间的间隔时间不仅要完成视觉的识别，还要完成机器人的策略选择、运动控制等全套工作，所以，输入到主机的场景图像是整个系统最直接的信息来源，而视觉图像识别的质量和速度直接关系到系统工作的准确性和实时性。

NTSC制式的模拟视频信号经数字量化得到24位的RGB信号，每个分量为0-255的整数值。

为了去除图像中的噪声，应采用滤波器对输入的数字图像进行预处理以提高图像的质量。

目前对目标体的特征提取主要是对不同的目标体建立相应的特征颜色信息库，该信息库的建立比较简单，将目标体的色标置于场地内最有特征的几个区域，如门区、中圈、四角等位置进行采样，采用RGB或HSI颜色模型来确定每个目标的颜色特征范围即可。

但带来的一个很严重的问题是，由于目标体的颜色种类多比赛现场的光照通常又不均匀，而且变化范围较大，还可能出现各类色光干扰，因此理想的信息库实际上是比较难以建立的。

如果信息库覆盖范围过小，会导致分割结果不稳定，甚至出现