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系統識別號 U0002-0708200616180500
中文論文名稱 小型全方位足球機器人之行為式控制
英文論文名稱 Behavior-based Control for Small-size Omni-directional Soccer Robots
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 94
學期 2
出版年 95
研究生中文姓名 許吳輔
研究生英文姓名 Wu-Fu Hsu
學號 693340571
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2006-07-13
論文頁數 66頁
口試委員 指導教授-王銀添
委員-郭重顯
委員-楊智旭
中文關鍵字 足球機器人系統  全方位移動足球機器人  逆動力學控制  PID控制  行為式控制 
英文關鍵字 Soccer Robot System  omni-directional Soccer Robot  Inverse Dynamic Control  PID Control  Behavior-based Control 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本論文針對RoboCup小型機器人足球比賽系統規劃行為式控制比賽策略。策略方面,是依據足球比賽的複雜程度劃分為群隊策略、機器人角色、機器人行為和機器人動作等四個層級的階層式架構。首先,推導全方位機器人的動態模式,根據動態模式設計逆動力學控制器與PID控制器。並且以Matlab進行模擬,測試控制器對於各種命令的反應是否能夠達到穩定。其次,將控制器與影像迴授、無線傳輸、以及機器人驅動系統做整合,以便進行實際測試與驗證控制器的可行性。並針對系統的硬體限制所造成的問題,調整控制器與韌體的設定。最後以驗證可行之控制器為基礎,對於階層式策略架構中最下層之動作當中的移至球後動作進行設計並測試。
英文摘要 A soccer game strategy is proposed in this thesis for RoboCup small-sized soccer robot. Based on the degree of complexity of the soccer game, the strategy is planned as a four-layer hierarchical structure, namely, the layers of team behavior, robot roles, robot behaviors, and robot actions. First stage of this research, the dynamic model of an omnidirectional robot is analyzed, and inverse dynamic controller and PID controller are designed based on this model. These controllers are simulated by using Matlab in order to check whether their responses to different inputs are stable. Second, these controllers are integrated with image processing, radio frequency transmission, and robot driving system for testing their workability. Adjustment of controller and firmware are made because of the limitation of the robot hardware during problem solving procedure. Finally, by the proven workable controller, robot actions are designed and tested in real soccer robot system.
論文目次 中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 Ⅲ
圖目錄 Ⅴ
表目錄 VIII
符號說明 IX
第1章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 小型機器人足球比賽系統 1
1.3 相關文獻探討 2
1.4 研究範圍 3
1.5 論文架構 3

第2章 機器人足球比賽策略規劃 4
2.1 階層式策略規劃 4
2.2 機器人動作設計 5
2.3機器人移至球後動作設計 6

第3章 機器人運動控制 8
3.1 足球機器人機構 8
3.2 機器人運動學分析 9
3.3 機器人動態模型 13
3.4 機器人逆動力學控制設計 15
3.5 機器人PID控制器設計 18
3.6 開迴路直流馬達轉速控制 19
3.7 積分終結現象 21

第4章 模擬與結果分析 23
4.1 逆動力學控制步階反應 23
4.2 PID控制步階反應 25
4.3 反積分終結機制 26
4.4 PID控制器動態直線路徑命令 28
4.5 PID控制器動態8字形路徑命令 30
4.6 移至球後動作 33

第5章 全方位移動機器人系統 34
5.1 機器人硬體介紹 34
5.2 機器人控制程式架構介紹 37
5.3 足球機器人影像伺服控制 38

第6章 實測與結果分析 41
6.1 逆動力學控制器之步階命令反應 41
6.2 無反積分終結之PID動態控制器步階命令反應 43
6.3 加入反積分終結之PID動態控制器之步階反應 45
6.4 PID控制器直線路徑命令 51
6.5 PID控制器8字形路徑命令 54
6.6機器人移至球後動作 57

第7章 討論與未來研究方向建議 59
7.1 研究結果討論 59
7.2 未來研究方向 59

參考文獻 61
附錄A 模糊行為式控制 63
附錄B 直流馬達相關資料 65


圖 目 錄
圖1.1 足球機器人系統 2
圖2.1 機器人足球比賽之行為基礎決策系統 5
圖2.2 機器人移至球後動作關係圖 7
圖3.1 兩輪驅動與三輪驅動自由度示意圖 8
圖3.2 一般驅動方式與全向輪驅動方式示意圖 9
圖3.3 全方位移動機器人基本架構座標圖 10
圖3.4 全方位輪1之移動示意圖 11
圖3.5 全方位輪2之移動示意圖 11
圖3.6 全方位輪3之移動示意圖 12
圖3.7 全方位移動機器人自由體圖 12
圖3.8 全方位輪作用力圖 13
圖3.9 機器人動態系統方塊圖 15
圖3.10 逆動力學控制器方塊圖 17
圖3.11 修改後逆動力學控制器方塊圖 18
圖3.12 PID動態系統方塊圖 19
圖3.13 直流馬達機電轉換 20
圖3.14 電壓控制型馬達驅動器方塊圖 21
圖3.15 具備開迴路馬達轉速控制的機器人運動控制 21
圖3.16 具反積分終結機制的PID控制器 22
圖4.1 逆動力學控制器步階控制命令與實際位置曲線圖 24
圖4.2 逆動力學控制器步階控制命令機器人移動路徑 24
圖4.3 步階控制命令與實際位置曲線圖 25
圖4.4 步階控制命令機器人移動路徑 26
圖4.5 加入反積分終結後步階控制命令與實際位置曲線圖 27
圖4.6 加入反積分終結後步階控制命令機器人移動路徑 27
圖4.7 PID控制器對直線動態命令在x軸的反應 28
圖4.8 PID控制器對直線動態命令在y軸的反應 29
圖4.9 PID控制器對直線動態命令在角度的反應 29
圖4.10 PID控制器對直線動態命令在場上移動情形 30
圖4.11 PID控制器對8字形動態路徑命令在x軸的反應 31
圖4.12 PID控制器對8字形動態路徑命令在y軸的反應 31
圖4.13 PID控制器對8字形動態路徑命令在角度的反應 32
圖4.14 PID控制器對8字形動態路徑在場上移動情形 32
圖4.15 移至球後動作模擬結果 33
圖5.1 全方位移動機器人設計與實體圖 34
圖5.2 Kornylak公司生產之Transwheel全方位輪 35
圖5.3 驅動電路板之電路架構圖 35
圖5.4 驅動電路板實體圖 36
圖5.5 89C51命令編碼格式 37
圖5.6 機器人可起動之PWM段速:自轉時及平移時 37
圖5.7 PC-based控制器程式架構示意圖 38
圖5.8 機器人色彩標籤規劃示意圖 39
圖5.9 足球機器人控制程式介面 39
圖5.10 影像分析後之足球機器人控制程式介面 40
圖6.1 逆動力學控制器對步階命令在x軸之反應 42
圖6.2 逆動力學控制器對步階命令在y軸之反應 42
圖6.3 逆動力學控制器對步階命令在角度之反應 43
圖6.4 PID動態控制器對步階命令在x軸之反應 44
圖6.5 PID動態控制器對步階命令在y軸之反應 44
圖6.6 PID動態控制器對步階命令在角度之反應 45
圖6.7 反積分終結PID動態控制器對x軸步階命令之反應 46
圖6.8 反積分終結PID動態控制器對y軸步階命令之反應 46
圖6.9 反積分終結PID動態控制器對角度步階命令之反應 47
圖6.10 反積分終結PID動態控制器實測機器人在場上移動路徑 47
圖6.11 反積分終結PID動態控制器CCD拍攝之機器人在場上移動路徑 48
圖6.12 修改段數後實測x軸控制命令與機器人實際位置曲線圖 48
圖6.13 修改段數後實測y軸控制命令與機器人實際位置曲線圖 49
圖6.14 修改段數後實測角度控制命令與機器人實際位置曲線圖 49
圖6.15 修改段數後實測機器人在場上移動路徑 50
圖6.16 修改段數後CCD拍攝之機器人在場上移動路徑 50
圖6.17 直線路徑x軸控制命令與機器人實際位置 51
圖6.18 直線直線路徑y軸控制命令與機器人實際位置 52
圖6.19 直線路徑角度控制命令與機器人實際角度 52
圖6.20 直線路徑命令與機器人在場上實際移動路徑 53
圖6.21 直線路徑命令與CCD拍攝之機器人在場上實際移動路徑 53
圖6.22 8字形路徑x軸控制命令與機器人實際位置 54
圖6.23 8字形路徑y軸控制命令與機器人實際位置 55
圖6.24 8字形路徑角度控制命令與機器人實際角度 55
圖6.25 8字形路徑命令與機器人在場上實際移動路徑 56
圖6.26 8字形路徑命令CCD拍攝之機器人在場上實際移動路徑 56
圖6.27 機器人移至球後動作測試實際路徑圖 57
圖6.28 機器人移至球後動作CCD拍攝之實際路徑圖 58
圖A.1 模糊規則庫協調 64
圖A.2 活躍度與動作貢獻 64


表 目 錄
表4.1 全方位移動機器人參數 23
參考文獻 [1] A. Abreu and L. Correia, “Behavior based decision control in autonomous vehicles:A fuzzy approach using khepera,” Proc. of 9th IEEE Int. Conf. Fuzzy System, vol. 1, 2000, pp. 140-145.
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