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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 1394224

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Socket306

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