本书是机器人创意与制作系列之一。本书从RoboCup小型机器人组的概况及制作要领人手，主要介绍小型机器人组比赛中所采用的视觉处理技术，小型机器人的机械结构、重要零部件的制作方法，与小型机器人性能相关的若干关键技术等。本书注重实践，从启迪读者进行小型机器人制作出发，引导读者通过各种手段努力提高机器人性能，起到激发读者创造灵感、拓展知识面，增强实践动手解决问题能力的作用。
本书可作为大专院校理工科学生补充机械电子学、机器人工程、人工智能、计算机控制等领域知识的参考书，还可作为广大机电技术爱好者的课外读物。
第1章 RoboCup小型机器人组
1. 1 小型机器人组简介
1. 2 小型机器人组的制作要领
1. 2. 1 观测运动场
1. 2. 2 踢静止的球
1. 2. 3 踢运动的球
第2章 机器人的视觉信息处理技术
2. 1 RoboCup的图像处理
2. 2 图像处理基础
2. 2. 1 计算机的图像处理
2. 2. 2 颜色信息的处理
2. 2. 3 颜色提取处理
2. 2. 4 标号处理
2. 2. 5 重 心
2. 3 图像处理系统ccam
2. 3. 1 系统构成
2. 3. 2 Video for Linux Two
2. 3. 3 图像处理库CMVision
2. 3. 4 图像处理系统ccam
2. 3. 5 ccam的安装
2. 3. 6 机器人的标记和个体识别
2. 3. 7 颜色参数的指定方法
2. 3. 8 坐标信息的传输
2. 3. 9 ccam动作的确认
2. 3. 10 无线电发送子程序ssend
2. 3. 11 UDP通信程序设计
2. 3. 12 客户机程序设计
第3章 机器人的制作
3. 1 机器人的构成
3. 1. 1 驱动方式
3. 1. 2 踢球机构
3. 1. 3 盘球机构
3. 1. 4 电机及其控制方法
3. 1. 5 电 源
3. 1. 6 无线电收发装置
3. 1. 7 微控制器
3. 2 RohoCup机器人的制作
3. 2. I AKI-H8微控制器主板的制作
3. 2. 2 AKI-H8微控制器专用主板的制作
3. 2. 3 9V电源的制作(通信端口用电源)
3. 2. 4 通信测试
3. 2. 5 步进电机电源斩波电路的制作
3. 2. 6 PIC步进电机驱动器的制作
3. 2. 7 机器人车身的制作
3. 2. 8 ccam对应机器人程序
第4章 提高性能的关键技术
4. 1 挑战的课题
4. 1. 1 挑战1——避障(Navigation Challenge)
4. 1. 2 挑战2——踢球(Kicking Challenge)
4. 1. 3 挑战3——互传(Alternate Passing Challenge)
4. 2 摄像机的类型
4. 2. 1 摄像机的模型和透视变换
4. 2. 2 摄像机的标定
4. 3 机器人的构成
4. 3. 1 控制系统
4. 3. 2 规 划
4. 4 实例研究
4. 4. 1 轨迹生成
4. 4. 2 轨迹生成器
4. 4. 3 机器人变换公式
4. 5 轨迹生成方法
4. 6 位置预测
4. 6. 1 时间序列数据
4. 6. 2 简单预测
4. 6. 3 卡尔曼滤波预测
4. 7 通 信
4. 7. 1 命令格式
4. 7. 2 通信手段
4. 8 借助视觉提高机器人的性能
4. 8. 1 全局视觉和局部视觉
4. 8. 2 局部视觉系统
4. 8. 3 图像信号和帧频率
4. 8. 4 高速摄像机和并行处理系统
4. 8. 5 高速图像处理芯片
第5章 相关事项
5. 1 会 场
5. 2 教 材
5. 3 展望与对策
第6章 相关资料
6. 1 规则概述
6. 2 Video forLinux2的安装
6. 3 H8的相关资料
6. 3. 1 H8的开发环境
6. 3. 2 软件开发
6. 3. 3 步进电机电源斩波及9V电源印刷电路板
6. 3. 4 有关RS232的资料——STRa
6. 3. 5 通信数据格式
6. 3. 6 LCD资料
6. 3. 7 元器件清单
6. 3. 8 必备的工具及资料
参考文献
索 引
足球无疑是现代体育运动中最受欢迎的项目. 同样, 在机器人世界里, 足球机器人也是学生们的宠儿. 在种类繁多的机器人竞赛活动中, 虽然足球机器人竞赛的起步稍晚, 但发展速度之快却始料未及, 足球机器人受欢迎程度由此可见一斑.
日本被誉为“机器人王国”, 是RoboCup的最初的成员国之一, 在足球机器人技术方面起步较早, 她不仅在机器人技术方面具有优势, 而且在项目的运营方面积累了丰富的经验. 在日本, RoboCup竞赛活动被因势利导, 成为了机器人长远战略发展规划的一部分, 同时也是新世纪人才培养的承载体. 这种高瞻远瞩的谋略值得借鉴.
近年来, 在我国大学, 机器人作为机械电子学. 计算机技术. 人工智能等典型应用被广泛地选作工科本科生的讲授课程之一, 在中学, 模型机器人则逐渐成为素质教育. 技能实践的选题之一, 各种机器人比赛正方兴未艾.
本书介绍的小型机器人属于RoboCup的一个组别. 麻雀虽小, 五脏俱全, 它涉及到机械. 电子. 传感器. 计算机. 图像处理等多学科领域, 集成了机器人技术必要的基本知识. 小型机器人成本低. 入门容易. 特别适合普及. 本书的三位作者高桥友一. 秋田纯一和渡边正人是这方面的行家里手, 也是身处第一线的实践者.
全书的内容分为六章.
第1章简要介绍RoboCup小型机器人组的概况及制作要领. 第2章概括地讲解小型机器人组比赛中所采用的视觉处理技术. 第3章详细地说明小型机器人的机械结构. 重要零部件的制作方法. 第4章是本书的重点, 详细讨论与小型机器人性能有关的若干关键技术, 如图像处理技术. 规划方法和通信手段等. 第5章和第6章介绍了一些与RoboCup小型机器人组比赛有关的规则. 场地. 资料等方面的知识.
本书的一个特点是注重实践. “实践出真知”. 本书从启迪读者进行小型机器人制作出发, 引导读者通过各种手段努力提高机器人性能, 起到激发读者创造灵感. 拓展知识面, 增强实践动手解决问题能力的作用.
本书的第二个特点是入门门槛较低. 本书内容考虑了学生在Robo-Cup小型机器人制作的过程中在知识和技能方面的接受程度. 书中涉及的理论浅显易懂, 没有复杂的数学公式, 重点解答读者亲手制作机器人的过程中可能遇到的各种实际问题. 讲述实践经验, 传授有关机器人的基本原理和工程知识. 书中引用了大量实例, 比较适合我国大学本科生和高中生的知识结构和知识层次. 书中的入门知识和具体实例都有利于激发读者的创造性思维, 教会学生综合运用知识进行工程设计和实践, 显然这是学生素质培养的重要内容.
大多数对足球机器人抱有兴趣的学生在他们制作之前毕竟对机器人知之甚少, 因此本书可作为大专院校理工科学生补充机械电子学. 机器人工程. 人工智能. 计算机控制等领域知识的参考书, 还可作为广大机电技术爱好者的课外读物.
本书的相关资料还提供了一些有用的信息, 如机器人公司的网址, 零件. 硬件. 材料供应商的地址, RoboCup小型机器人竞赛优胜者的主页等等.
RoboCup在机器人技术的发展中是一项具有里程碑意义的计划, 其 目标是2050年在绿茵场上让拟人型机器人球队与世界杯足球赛的冠军 队对阵, 按照国际足球联盟的正式规则比赛, 最终战胜对手[18]. 能与之 媲美的. 具有划时代意义的计划可以举出阿波罗人类登月计划和人工智 能领域的人／计算机国际象棋比赛计划.
设想一下2050年绿茵场上的足球机器人吧!具有铁臂阿童木”般 的. 拟人形状的机器人在赛场上盘带. 射门. 防守. 封堵是怎样一幅场景!
1997年第1届RoboCup世界大会伊始时仅有三组机器人比赛：中型机器人组. 小型机器人组(为实物样机)和仿真组. 从1999年开始, 扩大了以SONY AIBO为平台的四足机器人组, 2001年机器人救援仿真组和实物样机组也被加入赛事, 2002年在日本福冈大会上又增加了拟人型机器人组.
RoboCup不仅是一项赛事, 而且带有研讨会的性质, 在国际上众多类型的机器人竞技比赛中只有少数赛事兼有研讨的特色. RoboCup相关的各支队伍, 无论小型机器人组也罢, 全自主的中型机器人组也罢, 直至拟人型机器人组, 除了参加各自感兴趣的分组比赛活动之外, 还出席同时举办的研讨会, 在讲坛上发表自己的研究成果.
机器人研发与制作涉及诸多学科领域的技术. 除了与机器人的机械 结构有关外, 由于RoboCup以足球比赛为背景, 因此又衍生出若干必要的功能, 例 如需要视觉用以观察足球及场地实况的变化, 需要预测算法用以推定下一步的动 作规划, 需要通信和路径规划用以协调队员之间的行为等等.
换言之, RoboCup包含了系统工程学中的诸多基本内容. 目前小型机器人组的角逐已经成为大学课堂教学常用科目的选题, 涉及兵乓球台大小的场地和多个移动机器人. 例如美国康奈尔大学的研究生课程就讲解小型机器人的制作与设计, 甚至包括项目管理方面的内容”.
本书可以作为职业高中. 工业高等专科学校. 工科大学本科讲授RoboCup小型组机器人设计与制作的教材, 也可以作为参加日本公开赛事的各个参赛队的基本技能培养教程. 基于上述考虑, 本书有以下特点：
·需要装备一个全局视觉小型机器人组所需的硬件平台, 其经费预算约50万日元, 包含计算机. 摄像机. 5台机器人等.
·该平台提供了机器人制作. 视觉系统. 通信等的基本硬件配置.
·无需外协机械加工即可完成一套可实用的实验用机器人组.
·既给出RoboCup比赛时所需的实用技能, 又指明毕业论文或相关深入研究的可选课题.
最后, 作者向审阅书稿并给予注释的RoboCup国际委员会组织委员会主席北野宏明, 大阪大学升谷保博先生. 日本科学未来馆中川友纪子. 近畿大学五十岚治一先生. 大阪工业大学大里延康先生. 成蹊大学小方博之先生等与小型机器人组赛事有关的各位, 以及参与机器人制作和编程的学生致谢.
本书中的示例用程序和附录所援引的资料可以从RoboCup委员会的网站主页(http：//WWW. robocup. or. jp). 以及共立出版(株)的应用页中下载. 在使用程序时遵从GPL(The GNU General Public License)”. 机器人则由市场出售的机器人套件购人组装而成. 至于机器人的安全和使用注意事项, 以及各自机器人的故障问题, 请读者责任自负.
高桥友一 秋田纯一 渡边正人
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