微型足球機(jī)器人位姿辨識與群智能路徑規(guī)劃技術(shù)研究.pdf

1、近年來飛速發(fā)展的機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)為人工智能理論的研究提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)平臺。MiroSot是目前開展最為廣泛的集控式機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)之一，一般包括視覺、決策、通信和足球機(jī)器人四個(gè)子系統(tǒng)，其研究目標(biāo)是快速準(zhǔn)確獲取賽場態(tài)勢并給出合理的決策。相關(guān)技術(shù)涵蓋了機(jī)器人學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、傳感器融合、實(shí)時(shí)推理、運(yùn)動規(guī)劃與運(yùn)動控制、無線通信、機(jī)器學(xué)習(xí)、自治智能體和多智能體協(xié)作等多個(gè)研究領(lǐng)域，引起了各國學(xué)者的高度重視。本文重點(diǎn)研究了對MiroSot系統(tǒng)

2、高層決策至關(guān)重要的微型足球機(jī)器人快速魯棒位姿辨識技術(shù)，并結(jié)合近年來新興的粒子群優(yōu)化算法研究了群智能路徑規(guī)劃技術(shù)。
　　 本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　 (1)研究了MiroSot系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、工作原理及其視覺、決策、通信和足球機(jī)器人四個(gè)子系統(tǒng)的功能與硬件設(shè)計(jì)，給出了移動機(jī)器人路徑規(guī)劃的框架。分析了移動機(jī)器人路徑規(guī)劃的問題描述和特點(diǎn)，對傳統(tǒng)的移動機(jī)器人路徑規(guī)劃算法和新興的智能路徑規(guī)劃算法進(jìn)行了總結(jié)，比較了各種路徑規(guī)劃算法

3、的優(yōu)點(diǎn)和不足，探討了路徑規(guī)劃技術(shù)進(jìn)一步研究的方向。
　　 (2)提出了一種基于較短軸補(bǔ)償逼近的微型足球機(jī)器人位姿辨識算法(SASA)。根據(jù)微型足球機(jī)器人設(shè)計(jì)隊(duì)標(biāo)色塊的對稱性特點(diǎn)，提出了一種基于較短軸分割的微型足球機(jī)器人色標(biāo)分塊方案，在此基礎(chǔ)上給出了基于較短軸補(bǔ)償逼近的微型足球機(jī)器人位姿辨識算法SASA。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SASA算法有效減少了目標(biāo)機(jī)器人位姿辨識的計(jì)算量，改進(jìn)了位姿辨識的計(jì)算速度和準(zhǔn)確度，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
　

4、　 (3)提出了一種利用相位相關(guān)技術(shù)進(jìn)行MiroSot系統(tǒng)微型足球機(jī)器人位姿辨識算法(PCGR)，并構(gòu)造了八邊形對數(shù)極坐標(biāo)傅里葉變換算法(OLPFFT)，提高了運(yùn)算速度和精度。將分割得到的機(jī)器人目標(biāo)圖像和參考圖像進(jìn)行快速離散傅里葉變換后，轉(zhuǎn)換到對數(shù)極坐標(biāo)系下，將笛卡兒坐標(biāo)空間中圖像的旋轉(zhuǎn)和縮放轉(zhuǎn)化為對數(shù)極坐標(biāo)空間中圖像的二維平移，進(jìn)而采用相位相關(guān)法得到小車的朝向角。為了提高對數(shù)極坐標(biāo)傅里葉變換的運(yùn)算速度和精度，構(gòu)造了一種八邊形對數(shù)極坐

5、標(biāo)網(wǎng)格來逼近對數(shù)極坐標(biāo)網(wǎng)格，并給出了八邊形對數(shù)極坐標(biāo)網(wǎng)格上的快速傅里葉變換算法(Octa-Log-Polar Fourier Transform,OLPFFT)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PCGR算法精度高，魯棒性好。
　　 (4)提出了基于Lotka-Volterra模型的雙群協(xié)同競爭粒子群優(yōu)化算法(LVPSO)。最優(yōu)路徑規(guī)劃問題的本質(zhì)是優(yōu)化計(jì)算，在LVPSO算法中，針對粒子群優(yōu)化算法易于出現(xiàn)早熟收斂的問題，借鑒種群生態(tài)學(xué)中著名的Lotk

6、a-Volterra雙群協(xié)同競爭模型，給出了兩種種群協(xié)同競爭方案，通過群內(nèi)和群間競爭增加粒子多樣性，提高種群擺脫局部極值的能力。對5個(gè)典型基準(zhǔn)測試函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)表明，LVPSO算法在收斂速度和優(yōu)化精度方面均有非常好的表現(xiàn)。
　　 (5)提出了一種基于LVPSO和Ferguson樣條的MiroSot機(jī)器人路徑規(guī)劃算法(LVPSOFS)。利用三次Ferguson樣條描述移動機(jī)器人路徑，將路徑規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為三次樣條曲線的參數(shù)優(yōu)化問題