本科毕业论文---足球机器人.doc
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1、足球机器人毕业论文足球机器人毕业论文题 目:足球机器人路径规划的研究与实现专 业:自动化56摘要足球机器人系统是一个典型的多智能体系统,是一个实时动态的对抗性的复杂环境,它为人工智能技术的理论研究和模型测试提供了一个标准的实验平台。路径规划是智能机器人的一个重要研究课题,在这样一个具有高度实时性和竞争性的平台上研究路径规划是一个极具挑战性的课题。目前用于路径规划的方法很多,如人工势场法、中垂线法、栅格法、贝塞尔曲线法、可视图法及各种人工智能方法如遗传算法,神经网络等等。但这些方法在高度动态性和实时性环境中的研究还都存在些问题,有待进一步完善。本课题从静态环境中研究足球机器人的路径规划问题,全文
2、主要包括如下内容:第一章 介绍了足球机器人的研究背景并在此基础上简单的介绍了足球机器人路径规划。第二章 具体分析了足球机器人系统、路径规划策略以及足球机器人环境模型等问题。第三章 分析了现今采用的路径规划典型算法:人工势场法、栅格法、中垂线法和遗传算法。第四章 在对各种算法进行综合分析的基础上,将遗传算法基于前人的基础上加入种群间的迁移并应用在本文的路径规划中。用matlab对遗传算法和人工势场法进行编程和仿真。最后,我们对全文内容进行总结。关键词:路径规划;足球机器人;遗传算法;人工势场;中垂线法AbstractSoccer robot system is a typical multi-a
3、gent system and real-time dynamic competitive environment, which provides a standard of experimental platform for the theoretical research of artificial intelligence technology and model test. Path planning is one of the most important research subjects in intelligent robot, and the research of path
4、 planning is a challenging task on the platform with highly real-time and competitive. Recently many methods are used in path-planning, such as artificial potential field, the perpendicular bisector method, the grid, Bessel method and view method and various artificial intelligence method such as ge
5、netic algorithms, neural networks, etc. But these methods have some problems in the height and the research dynamic real-time environment, they should be further improved. This subject mainly research soccer robot path planning problem from the static environment. The text mainly includes the follow
6、ing contents: The first chapter introduces the research background of the soccer robot, and on the basis of it brief introduction the soccer robot path planning. The second chapter analysis the problem such as the soccer robot system, the path planning strategy and the environmental model of soccer
7、robot in detailed. The third chapter analysis the typical path planning algorithm used currently such as the artificial potential field method, grid method, the perpendicular bisector method and genetic algorithms.The fourth chapter, based on the analysis of the various algorithm, join the populatio
8、n migration in the genetic algorithm which is based on the basis of former in this path planning. the genetic algorithm and artificial potential field method are simulated and programmed by the MATLAB.Finally, we summarize the content of the whole text.Keywords: path-planning; soccer robot; genetic
9、algorithm; the artificial potential field; perpendicular bisector method目 录摘要IAbstractII第一章 绪言11.1 研究背景11.1.1 机器人足球概述11.1.2 课题国内外研究现状21.1.3 足球机器人比赛的发展31.2 机器人足球路径规划概述41.2.1 足球机器人路径规划的描述41.2.2 足球机器人路径规划的41.2.3 足球机器人路径规划的特点41.2.4足球机器人路径规划的分类及现状5第二章 足球机器人系统62.1 足球机器人系统62.1.1 足球机器人体系结构62.1.2 视觉子系统62.1.3
10、 决策子系统72.1.4 决策子系统模型72.1.5 通讯子系统92.1.6 小车子系统92.2 路径规划92.2.1 路径规划(底层决策)92.2.2 路径策略92.2.3 最优运动规划112.3 足球机器人系统环境模型122.3.1 球场模型122.3.2 机器人小车模型122.3.3球的运动学方程14第三章 足球机器人路径规划方法153.1 栅格法153.1.1 栅格法简介153.1.2栅格法进行路径规划163.2 人工势场法173.2.1 人工势场法简介173.3中垂线法183.4 遗传算法法193.4.1 遗传算法的简介193.4.2 遗传算法的特点203.4.3 遗传算法的基本原理
11、213.5 对各种方法的综合评价28第四章 matlab 实现人工势场、遗传算法的仿真304.1 环境建模304.2 运动方程的建立314.3遗传算法的仿真实现324.3.1 初始种群设置324.3.2 障碍物的检测334.3.3 初始参数设置354.3.4适应度函数的选取364.3.5遗传操作的过程394.3.6遗传算法路径规划仿真与实现434.4人工势场法路径规划仿真与实现46第五章 总结53参考文献54致 谢56第一章 绪言1.1 研究背景1.1.1 机器人足球概述足球机器人属于第三代智能机器人。机器人足球比赛,是近年来在国际上迅速开展起来的高技术对抗活动,它是体育与高科技结合的产物,比
12、赛融入了机器人学、机电一体化技术、通讯与计算机技术、机器人视觉与传感融合技术、决策与对策、智能控制等多学科高新技术。1992年加拿大哥伦比亚大学教授AlnaMacwkortnl在一次国际人工智能会议上首次提出机器人足球的思想,旨在推动人工智能学科的发展,为智能机器人提出了一个新的具有标志性和挑战性的课题。同时,机器人足球的倡导者则提出了他们新的梦想:在2050年,一个全自主的类人型机器人足球队,按照国际足联的规则,战胜当时的人类足球世界杯冠军队。这个梦想被看作是继1997年IBM公司研制的计算机深蓝(Deep Blue)战胜了国际象棋大师卡斯帕洛夫(Kasparov)之后的人工智能历史上又一个
13、里程碑项目。目前国际上有组织的机器人足球比赛有两大系列FIRA和Robocup。FIRA是国际机器人足球协会联合会(FIRA-Federation of International Robot soccer),简称国际机器人足联,成立于1997年6月5日,总部设在韩国大田的韩国科学(技术)院(KAIST)。目前已有30余个国家的近百个学校与科研院所为其成员单位,主要分布在亚洲、澳洲、北美和南美洲等地。FIRA的比赛项目主要有:超微机器人足球比赛Narosot,微型机器人足球比赛Mirosot,仿真机器人足球比赛Simurosot,小型机器人足球比赛Rboosot,自主式机器人足球比赛Khepe
14、rasot,类人机器人足球比赛Hurosot和机器人标准动作比赛Benchmark。从1995年至今,FIRA机器人足球比赛己经经历了10年的发展,而且在中国,越来越多的科研院所、高等学府把FIRA机器人足球研究工作当成是提高领域研究的手段。 另一国际组织Robocup(The Robot world Cup Initiative)是国际人工智能学会组织的国际机器人足球协会。成立于1996年,总部设在日本名古屋,主席是SONY公司计算机科学研究院的北野宏明教授。每年举办一次,吸引了众多的大学和科研机构的参加。1998年,我国成立了FIRA中国分会,并组织了相应的机器人足球队参加世界杯比赛,取得
15、了较好的成绩。我国于2001年在北京举办了第六届机器人足球世界杯比赛。可以说,在国家有关机构和学术界的支持和努力下,中国的和器人足球事业已经迈步走向国际舞台。1.1.2 课题国内外研究现状 机器人的研究发展迅速,应用的范围十分广泛。就目前来看,机器人的发展仍然处于初级的阶段,需要去完成的工作仍然很多,特别是在许多具体的环境中仍要具体问题具体分析。在机器人中有一类机器人叫做进化机器人,它用进化算法来实现机器人控制、机构等方面的优化,在路径规划运用中,主要是能够进化出合适的运动轨迹。D.F10reano和F.Mondada成功地用Khepera机器人实现了一个进化系统。自从John.R.Koza提
16、出遗传规划(Genetic Programming,GP)以来,遗传规划已经在许多方面得到了应用,如缠绕的螺旋线的分辨(Spiral Classification),图像压缩(Image compression),符号回归(Symbolic regression)等问题。遗传规划在机器人路径规划中的应用也是国外许多学者研究的目标,并且己经出现了许多令人兴奋的成果。其中,比较早、影响也比较大的是人工蚂蚁的问题,这些应用遗传规划来规划路径的蚂蚁能够自主地寻找食物并吃掉食物,而且能够避开障碍。除了人工蚂蚁问题外还有割草机问题,在割草机问题中,割草机必须要在执行一次程序后割草机能够到达正方形草坪的每一
17、个部分。其环境及任务与人工蚂蚁问题的环境基本相似,但也有不同。其行为包括:MOW,TURNLETF,JUMP;没有传感器来感知环境;所有动作在程序的一次执行中完成。另一个问题是函数的返回值不同,在割草机问题中各数的返回值不同,造成了实现的复杂性。在机器人沿墙运动方面也有研究,Dain.R.A己经开发了一种基于测距仪的仿真移动机器人,导航策略在不同的环境中测试以获得稳定的解决方案,仿真实验也证明了这一点。国内外对自主移动机器人的导航和避障问题己经做了大量的研究工作,比如哈尔滨工业大学机器人研究所在1996年11月研制成功一个“导游小姐”,该机器人能够实现避障和自主路径规划,识别障碍物的类型,具有
18、一定的语音功能,具有极强的遥控功能。这个机器人能够根据传感器信息自主规划路径。由行走部分、行使控制器、显示器、语音识别系统和大量的传感器组成。行走部分采用差速驱动的方式。既可以在线仿真,也可以显示机器人行走的路径和某个时刻导游机器人所在的位置。大面积宽阔地面的清扫工作一直是一项繁重的体力劳动,人工清扫费时、费力且工作效率低,将机器人用于清扫服务,具有广阔的应用前景。为实现适合我国国情的宽阔地面自动清扫,清华大学与香港中文大学合作,联合研制开发出一种全方位移动清扫机器人。国内在遗传规划方面研究主要是西安建筑科技大学,云庆夏教授编写的进化算法比较详细介绍了遗传规划相关内容。另外,上海交通大学自动化
19、所利用C+语言也对该算法在机器人沿墙移动问题进行了仿真实验,通过对移动机器人的行为策略进行符号型编码,然后对这些策略的组合(GP算法个体)进行自然选择、优胜劣汰,最后进化出满足任务需要的优良个体。这些个体实际上就是机器人沿墙移动的一系列指令有序组合。最后的仿真结果说明了应用GP算法来演化移动机器人沿墙走行为的有效性。近年来,自主式水下机器人由于其在海底资源探测上的优势而受到各国的关注,但因为水下环境十分复杂导致一般的规划方法都难以奏效,而水下环境的拥挤程度相对较低,机器人工作在同一区域的可能性较大,这一特征恰好有利于基于事例的规划方法的应用,因此该方法被广泛的用于解决水下机器人的路径规划问题。
20、1.1.3 足球机器人比赛的发展从最近几年的机器人足球赛来看,主要有如下几个特点:1)发展迅速,比赛规模逐年扩大。2004年6月27日至7月3日,在葡萄牙里斯本举行的第七届RoboCup机器人足球世界杯,有30多个国家的200支队伍参加,而成立之初,仅有37支队伍;FIRA经过这些年的发展,比赛参赛队伍也超过百支。由此可见,机器人足球的发展非常迅速。2)竞争激烈,比赛水平提高很快。由于参赛队伍多,好多球队实力很接近,因此竞争非常激烈。每一次世界杯球队排名都会与上一届有很大的变化,这表明机器人足球已经受到各国的高度重视,每次比赛各队的水平都有明显的提高,也会出现一些新颖的软、硬件设计和巧妙的战术
21、配合。3)研究不断深入,比赛类型不断升级。各队都在不断探索新方法、新思路,以求进一步提高队伍的水平,也出现了一些新的足球机器人类型,如1999年增加了SONY公司四足机器狗足球赛,2000年出现了拟人双足机器人踢球表演等。为了提高机器人足球的水平,世界各国不仅加大了人力、物力和财力上的投入,而且在研究上也不断深入,所有这些都成为推动足球机器人发展的重要因素。1.2 机器人足球路径规划概述1.2.1 足球机器人路径规划的描述机器人的最优路径规划问题,就是依据某个或某些优化准则(如工作代价最小、行走路线最短、行走时间最短等),在其工作空间中找到一条从起始状态到目标状态的能避开障碍物的最优路径。机器
22、人路径规划是智能机器人的一个重要的课题,是机器人智能性的一个重要体现。在静态环境和动态环境下进行路径规划与实时避障是解决机器人应用的一个非常重要的问题,而动态不确定环境下的机器人路径规划则是实际研究与应用的一个重点和难点。 1.2.2 足球机器人路径规划的在足球机器人中,路径规划的目的主要有两个:一是为了完成某项动作,二是为了避障实现安全的运行。在现在的足球机器人系统中主要还是采用双轮差驱动的轮式机器人,这种机器人的运动模型是一种典型的非完整性约束系统,机器人为了完成某项动作,比如射门,就必须沿着一定的路径运动才能完成规定动作,这类路径规划可归结为由初始势态(位置和方向)到目标势态(位置和方向
23、)的路径规划,路径规划的好坏直接影响到动作执行的速度和准确性。在充满对抗的机器人足球系统中,机器人之间的碰撞是不可避免的,为了在比赛中取得先机在决策系统中就必须要考虑到避障问题。因此,路径规划在是研究足球机器人系统中的重要的一部分,要想使一个足球机器人系统在比赛中获得优势必须在决策层中把路径规划问题放在首要问题,不管是在运动过程中还是在射门中,都需要用到路径规划的问题。1.2.3 足球机器人路径规划的特点足球机器人系统是一个实时动态的不确定的复杂环境,其路径规划具有如下特点:1)复杂性:机器人足球系统是一个实时的、动态的复杂多机器人系统。在这种动态时变环境中,机器人路径规划非常复杂,且需要很大
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