RoboCup小型组足球机器人路径规划关键技术的理论与实践/计算机科学与技术前沿研究丛书

作者在以下几个方面进行了创新性研究：1）改进了RoboCup小型组机器人碰撞检测算法。碰撞检测前，对障碍数据进行预处理：机器人障碍使用圆形包围盒，障碍物采用KD树结构存储。将包围盒法和空间分割法组合起来，提出了基于KD树和圆形包围盒的碰撞检测方法，该方法减少了系统进行圆形包围盒碰撞检测的次数，降低了算法复杂度，加快了障碍检测速度。2) 改进了随机路径规划算法，提出基于边界的随机路径规划新算法BRRT，研究了障碍边界表示、边界点裁剪方法、以及算法工作流程和相关路径平滑算法。对比了随机路径规划算法改进前后的时间消耗、规划成功率、以及规划路径长度。实验表明改进算法相比原算法时间消耗均匀，规划成功率有所提高，规划路径长度更短，一定程度提高了搜索效率，能有效提高机器人运行平稳性。3）为了保证机器人的良好运动性能、研究了RoboCup小型组足球机器人四轮协调运动的PI参数整定工作，基于遗传算法提出了四轮协调运动的PI参数自动智能整定新算法，设计了算法中的染色体编码解码方法、适应度函数、遗传算子。实验表明，该算法相比传统的机器人整定方法能提高系统运行稳定性和参数整定效率。4）针对机器人在运行中可能与障碍碰撞而产生的安全问题，分析了RoboCup小型组项目的障碍类型，以及与碰撞相关的机器人运动学规律，设计了一种动态运动规划算法，基于该算法实时检测机器人在运动中是否会产生碰撞，如果有碰撞危险，通过修正可能发生碰撞的机器人在当前控制周期的加速度达到避免实时碰撞的目的。针对RoboCup小型组机器人项目技术要求进行了路径规划关键问题的研究和实验。取得的结果不仅可直接应用于RoboCup各类比赛，而且还可应用到机器人学等众多领域相关问题的求解。因此，研究工作具有重要理论意义和实际应用价值。文章提出了基于KD树和圆形包围盒的碰撞检测方法，该方法减少了系统进行圆形包围盒碰撞检测的次数，降低了算法复杂度，加快了障碍检测速度。 改进了随机路径规划算法，提出基于边界的随机路径规划新算法BRRT。改进算法相比原算法时间消耗均匀，规划成功率有所提高，规划路径长度更短，一定程度提高了搜索效率，能有效提高机器人运行平稳性。基于遗传算法提出了四轮协调运动的PI参数自动智能整定新算法，设计了算法中的染色体编码解码方法、适应度函数、遗传算子。该算法相比传统的机器人整定方法能提高系统运行稳定性和参数整定效率。针对机器人在运行中可能与障碍碰撞而产生的安全问题，设计了一种动态运动规划算法，基于该算法实时检测机器人在运动中是否会产生碰撞，如果有碰撞危险，通过修正可能发生碰撞的机器人在当前控制周期的加速度达到避免实时碰撞的目的。

本书针对RoboCup小型组足球机器人进行了系统研究和实验，主要包括路径规划、碰撞检测、车轮控制、视觉系统、动态运动安全规划算法、电路和结构等关键问题。路径规划、碰撞检测是RoboCup小型组足球机器人决策系统的核心，车轮控制是执行机构，对策略的执行情况起着决定性作用。

1969年1月出生，教授，工学博士学位。湖北第二师范学院计算机学院院长， 2010年被聘为华中师范大学、湖北工业大学计算机应用技术专业兼职硕士导师。主要讲授：《编译原理》、《面向对象程序设计》、《C程序设计》。

目录1.1研究背景..21.1.1RoboCup概述..21.1.2足球机器人比赛的研究意义..21.1.3足球机器人比赛分类..31.1.4RoboCup小型组足球机器人项目..41.2问题研究..81.2.1路径规划技术..81.2.2碰撞检测算法..91.2.3车轮PI参数整定..91.2.4机器人动态安全规划..101.3国内外研究现状和分析..111.3.1碰撞检测系统..111.3.2路径规划..111.3.3PI参数自动整定..121.3.4动态运动安全规划..131.4本书主要创新点..141.4.1改进了RoboCup小型组足球机器人碰撞检测算法..141.4.2设计了基于边界的RRT新算法BRRT..141.4.3采用了四轮协调运动PI参数自动智能整定新算法..141.4.4研究动态运动安全规划算法..15第2章RoboCup小型组视觉系统..162.1小型组视觉系统简介..162.2视觉系统框架..172.3RoboCup小型组图像处理栈..192.4色标模板设计..242.4.1图像分割的方法综述..242.4.2分割所用的颜色空间模型及其选择与转换..252.4.3基于颜色的快速阈值分割方法..282.4.4快速区域分割方法..292.4.5区域生长法和游程长度编码进行区域分割实验对比..312.5结论..31第3章碰撞检测算法研究..333.1碰撞检测系统..333.2RoboCup小型组实时碰撞检测目前存在的问题..373.2.1RoboCup小型组足球机器人障碍的分类..373.2.2目前存在的问题..383.3RoboCup小型组碰撞检测算法改进..393.4提高碰撞检测算法的鲁棒性..403.5算法复杂度..413.6实验与结果分析..42第4章RoboCup小型组足球机器人路径规划算法研究..444.1模式匹配方法..454.2人工势场方法..454.3地图构建方法..464.4人工智能方法..464.5RRT算法..484.5.1标准RRT算法..484.5.2相关改进算法及存在的问题..524.5.3基于障碍边界启发的RRT算法..544.5.4算法复杂度..604.5.5实验结果与分析..60第5章四轮协调运动的PI参数自动整定智能算法研究..665.1存在问题及解决办法..675.2PID及调节参数..685.3基于数字PI算法的电机调速..705.4遗传算法..725.5基于遗传算法的四轮PI参数整定方法..735.5.1染色体编码解码设计..735.5.2适应度函数设计..745.5.3遗传算子设计..755.5.4算法终止条件..765.5.5四轮协调的PI参数自动智能整定新算法..765.6实验结果与分析..77第6章RoboCup小型组机器人动态运动安全规划算法..816.1运动安全定义..816.2动态运动规划算法..826.2.1RoboCup障碍物分类..826.2.2足球机器人运动学规律..836.2.3机器人速度规划..846.2.4动态运动规划算法..866.3算法复杂度..976.4实验结果与分析..97第7章RoboCup小型组足球机器人电路与结构..1007.1小型足球机器人系统组成..1017.2足球机器人电子系统..1027.2.1主控单元..1027.2.2无线通信子系统..1037.2.3球控制电压泵子系统..1047.2.4IR(红外)阵列单元模块..1057.3小型足球机器人机械系统..1057.3.1运动行走机构..1057.3.2高效能原装电机..1077.3.3车载控球模块..107参考文献..109致谢..118第1章绪论..11.1研究背景..21.1.1RoboCup概述..21.1.2足球机器人比赛的研究意义..21.1.3足球机器人比赛分类..31.1.4RoboCup小型组足球机器人项目..41.2问题研究..81.2.1路径规划技术..81.2.2碰撞检测算法..91.2.3车轮PI参数整定..91.2.4机器人动态安全规划..101.3国内外研究现状和分析..111.3.1碰撞检测系统..111.3.2路径规划..111.3.3PI参数自动整定..121.3.4动态运动安全规划..131.4本书主要创新点..141.4.1改进了RoboCup小型组机器人碰撞检测算法..141.4.2设计了基于边界的RRT新算法BRRT..141.4.3采用了四轮协调运动PI参数自动智能整定新算法..141.4.4研究动态运动安全规划算法..15第2章RoboCup小型组视觉系统..162.1小型组视觉系统简介..162.2视觉系统框架..172.3RoboCup小型组图像处理栈..192.4色标模板设计..242.4.1图像分割的方法综述..242.4.2分割所用的颜色空间模型及其选择与转换..252.4.3基于颜色的快速阀值分割方法..282.4.4快速区域分割方法..292.5.5区域生长法和游程长度编码进行区域分割实验对比..312.5结论..31第3章碰撞检测算法研究..333.1碰撞检测系统..333.2RoboCup小型组实时碰撞检测目前存在的问题..373.2.1RoboCup小型组足球机器人障碍的分类..373.2.2目前存在的问题..383.3RoboCup小型组碰撞检测算法改进..393.4提高碰撞检测算法的鲁棒性..403.5算法复杂度..413.6实验与结果分析..42第4章RoboCup小型组足球机器人路径规划算法研究..444.1模式匹配方法..454.2人工势场方法..454.3地图构建方法..464.4人工智能方法..464.5RRT算法..484.5.1标准RRT算法..484.5.2相关改进算法及存在的问题..524.5.3基于障碍边界启发的RRT算法..544.5.4算法复杂度..604.5.5实验结果与分析..60第5章四轮协调运动的PI参数自动整定智能算法研究..665.1存在问题及解决办法..675.2PID及调节参数..685.3基于数字PI算法的电机调速..705.4遗传算法..725.5基于遗传算法的四轮PI参数整定方法..735.5.1染色体编码解码设计..735.5.2适应度函数..745.5.3遗传算子设计..755.5.4算法终止条件..765.5.5四轮协调的PI参数自动智能整定新算法..765.6实验结果与分析..77第6章RoboCup小型组机器人动态运动安全规划算法..816.1运动安全定义..816.2动态运动规划算法..826.2.1RoboCup障碍物分类..826.2.2足球机器人运动学规律..836.2.3机器人速度规划..846.2.4动态运动规划算法..866.3算法复杂度..976.4实验结果与分析..97第7章RoboCup小型组足球机器人电路与结构..1007.1小型足球机器人系统组成..1017.2足球机器人电子系统..1027.2.1主控单元..1027.2.2无线通信子系统..1037.2.3球控制电压泵子系统..1047.2.4IR(红外)阵列单元模块..1057.3小型足球机器人机械系统..1057.3.1运动行走机构..1057.3.2高效能原装电机..1077.3.3车载控球模块..107参考文献..109致谢..118