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| 編輯推薦： |
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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
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| 內容簡介： |
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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。
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| 關於作者： |
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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》。
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| 目錄：
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目录
1.1研究背景..2
1.1.1RoboCup概述..2
1.1.2足球机器人比赛的研究意义..2
1.1.3足球机器人比赛分类..3
1.1.4RoboCup小型组足球机器人项目..4
1.2问题研究..8
1.2.1路径规划技术..8
1.2.2碰撞检测算法..9
1.2.3车轮PI参数整定..9
1.2.4机器人动态安全规划..10
1.3国内外研究现状和分析..11
1.3.1碰撞检测系统..11
1.3.2路径规划..11
1.3.3PI参数自动整定..12
1.3.4动态运动安全规划..13
1.4本书主要创新点..14
1.4.1改进了RoboCup小型组足球机器人碰撞检测算法..14
1.4.2设计了基于边界的RRT新算法BRRT..14
1.4.3采用了四轮协调运动PI参数自动智能整定新算法..14
1.4.4研究动态运动安全规划算法..15
第2章RoboCup小型组视觉系统..16
2.1小型组视觉系统简介..16
2.2视觉系统框架..17
2.3RoboCup小型组图像处理栈..19
2.4色标模板设计..24
2.4.1图像分割的方法综述..24
2.4.2分割所用的颜色空间模型及其选择与转换..25
2.4.3基于颜色的快速阈值分割方法..28
2.4.4快速区域分割方法..29
2.4.5区域生长法和游程长度编码进行区域分割实验对比..31
2.5结论..31
第3章碰撞检测算法研究..33
3.1碰撞检测系统..33
3.2RoboCup小型组实时碰撞检测目前存在的问题..37
3.2.1RoboCup小型组足球机器人障碍的分类..37
3.2.2目前存在的问题..38
3.3RoboCup小型组碰撞检测算法改进..39
3.4提高碰撞检测算法的鲁棒性..40
3.5算法复杂度..41
3.6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..44
4.1模式匹配方法..45
4.2人工势场方法..45
4.3地图构建方法..46
4.4人工智能方法..46
4.5RRT算法..48
4.5.1标准RRT算法..48
4.5.2相关改进算法及存在的问题..52
4.5.3基于障碍边界启发的RRT算法..54
4.5.4算法复杂度..60
4.5.5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..66
5.1存在问题及解决办法..67
5.2PID及调节参数..68
5.3基于数字PI算法的电机调速..70
5.4遗传算法..72
5.5基于遗传算法的四轮PI参数整定方法..73
5.5.1染色体编码解码设计..73
5.5.2适应度函数设计..74
5.5.3遗传算子设计..75
5.5.4算法终止条件..76
5.5.5四轮协调的PI参数自动智能整定新算法..76
5.6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..81
6.1运动安全定义..81
6.2动态运动规划算法..82
6.2.1RoboCup障碍物分类..82
6.2.2足球机器人运动学规律..83
6.2.3机器人速度规划..84
6.2.4动态运动规划算法..86
6.3算法复杂度..97
6.4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..100
7.1小型足球机器人系统组成..101
7.2足球机器人电子系统..102
7.2.1主控单元..102
7.2.2无线通信子系统..103
7.2.3球控制电压泵子系统..104
7.2.4IR红外阵列单元模块..105
7.3小型足球机器人机械系统..105
7.3.1运动行走机构..105
7.3.2高效能原装电机..107
7.3.3车载控球模块..107
参考文献..109
致谢..118
第1章绪论..1
1.1研究背景..2
1.1.1RoboCup概述..2
1.1.2足球机器人比赛的研究意义..2
1.1.3足球机器人比赛分类..3
1.1.4RoboCup小型组足球机器人项目..4
1.2问题研究..8
1.2.1路径规划技术..8
1.2.2碰撞检测算法..9
1.2.3车轮PI参数整定..9
1.2.4机器人动态安全规划..10
1.3国内外研究现状和分析..11
1.3.1碰撞检测系统..11
1.3.2路径规划..11
1.3.3PI参数自动整定..12
1.3.4动态运动安全规划..13
1.4本书主要创新点..14
1.4.1改进了RoboCup小型组机器人碰撞检测算法..14
1.4.2设计了基于边界的RRT新算法BRRT..14
1.4.3采用了四轮协调运动PI参数自动智能整定新算法..14
1.4.4研究动态运动安全规划算法..15
第2章RoboCup小型组视觉系统..16
2.1小型组视觉系统简介..16
2.2视觉系统框架..17
2.3RoboCup小型组图像处理栈..19
2.4色标模板设计..24
2.4.1图像分割的方法综述..24
2.4.2分割所用的颜色空间模型及其选择与转换..25
2.4.3基于颜色的快速阀值分割方法..28
2.4.4快速区域分割方法..29
2.5.5区域生长法和游程长度编码进行区域分割实验对比..31
2.5结论..31
第3章碰撞检测算法研究..33
3.1碰撞检测系统..33
3.2RoboCup小型组实时碰撞检测目前存在的问题..37
3.2.1RoboCup小型组足球机器人障碍的分类..37
3.2.2目前存在的问题..38
3.3RoboCup小型组碰撞检测算法改进..39
3.4提高碰撞检测算法的鲁棒性..40
3.5算法复杂度..41
3.6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..44
4.1模式匹配方法..45
4.2人工势场方法..45
4.3地图构建方法..46
4.4人工智能方法..46
4.5RRT算法..48
4.5.1标准RRT算法..48
4.5.2相关改进算法及存在的问题..52
4.5.3基于障碍边界启发的RRT算法..54
4.5.4算法复杂度..60
4.5.5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..66
5.1存在问题及解决办法..67
5.2PID及调节参数..68
5.3基于数字PI算法的电机调速..70
5.4遗传算法..72
5.5基于遗传算法的四轮PI参数整定方法..73
5.5.1染色体编码解码设计..73
5.5.2适应度函数..74
5.5.3遗传算子设计..75
5.5.4算法终止条件..76
5.5.5四轮协调的PI参数自动智能整定新算法..76
5.6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..81
6.1运动安全定义..81
6.2动态运动规划算法..82
6.2.1RoboCup障碍物分类..82
6.2.2足球机器人运动学规律..83
6.2.3机器人速度规划..84
6.2.4动态运动规划算法..86
6.3算法复杂度..97
6.4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..100
7.1小型足球机器人系统组成..101
7.2足球机器人电子系统..102
7.2.1主控单元..102
7.2.2无线通信子系统..103
7.2.3球控制电压泵子系统..104
7.2.4IR红外阵列单元模块..105
7.3小型足球机器人机械系统..105
7.3.1运动行走机构..105
7.3.2高效能原装电机..107
7.3.3车载控球模块..107
参考文献..109
致谢..118
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总序
计算机科学与技术前沿研究丛书是一套以计算机科学为研究基础的丛书，是计算机科学与教育、工业和地质学等领域紧密结合、深度应用成果的展示平台。它集合思维创新、学术创新、实践创新为一体，旨在为计算机科学技术在拥有更加广阔的应用空间提供一个传播的载体。
计算机科学技术已经广泛渗透到国民经济和社会生活中，解决行业问题的方法众多，但对核心问题没有限定；对问题的分析过程和结论也没有定论；允许采用更新颖的方法对复杂的问题予以更多的讨论。这就需要计算机科学与应用人才跳出计算机程序编制任务，完成更多具有完整体系构思的创造性工作，在基础理论和计算方面实现重大突破，推动我国计算机科学和信息产业的全面发展。
丛书收录了近些年来较为热门的课题研究成果。这些成果与社会发展、国民经济发展息息相关，不仅拥有创造性还拥有实践性和指导性。如果将丛书分开来看，或许不觉得分量之重，如果把所有专著放到一起，就可以看出其成果之丰硕。丛书所有成果以实践为基础，寻找合理的理论支持，并最终回归到实践，将大量实践过程中产生的良好经验公式化、理论化，可以反复利用，成为各个领域发展的关键技术，让理论进一步升华。
丛书内容大多以科研项目为依托，在项目实施过程中始终注意新技术与实践应用的有机融合，实验采用实际例证研究方法，具有较大的可信度，且易理解。不过，其中有些课题，研究难度较大，专著只是做了认真、有益的探索；有些项目尚有一些不足，但作为中期成果，可在各个行业中推广应用，进一步完善。希望当前成果对计算机科学与应用的发展发挥良好促进作用，为持续研究打下扎实的基础。
同时，为强化人才培养的标准意识，保证人才培养质量，丛书依据计算机科学与技术专业一流专业建设和分层次、分类型培养人才的需要，以新工科建设为桥梁，以强化实践能力，创新素质为核心，重构课程体系和教学内容，开发一批优质的实务课程、国际化课程和跨学科专业的交叉课程，编写和引进一批优秀案例教材。
我们更加期待读者与同行的反馈，希望这套丛书能为读者打开计算机科学与技术在自身领域深度应用之门，为同行提供新的研究思路与方向。
丛书编委会
2016年8月
前言
机器人是电子信息、计算机及自动化等技术发展的一个产物，机器人学的研究和发展愈来愈受到重视，目前机器人的研究促使智能化程度不断提高，应用渗透到国计民生多个领域，市场前景异常广阔。足球机器人比赛作为一项具有挑战性的高科技比赛项目，不仅代表各参赛队伍的整体实力，也从一个侧面反映了一个国家信息与自动化领域基础研究和高技术发展的水平，受到学术界和产业界的高度重视。因此，研究足球机器人比赛对推动机器人学和人工智能等多种学科的发展有重要研究意义。
本书对RoboCup小型组足球机器人进行系统研究，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和电路与结构等关键问题的研究和实验，其中路径规划、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，这些都是本书的讨论重点。
路径规划是机器人研究的重要方向，也是RoboCup小型组足球机器人策略研究的核心内容。作者基于RoboCup小型组足球机器人平台，在长期的研究和实践中，成功改进了RoboCup小型组机器人碰撞检测算法，提出了基于边界的随机路径规划新算法BRRT，提出了基于遗传算法的四轮协调运动PI参数自动整定新算法，实现了动态、多对象的运动安全规划，使移动机器人在动态环境中的灵活性和智能化增强。作者对RoboCup小型组机器人足球系统中的决策子系统的核心功能路径规划进行了研究，增强了移动机器人在动态环境中的灵活性和智能化。其研究成果具有创新性、实践性和指导性。
这本专著系统研究了RoboCup小型组足球机器人，对增强移动机器人在动态环境中的灵活性和智能化的实践指导意义巨大，取得的结果不仅直接应用于RoboCup各类比赛，而且还应用到机器人学等众多领域相关问题的求解。每一个应用型研究成果都来之不易，希望作者继往开来、坚持不懈，永攀实践与理论结合的尖峰，用他们开拓的思维为计算机应用科学再添新的硕果，为智能控制贡献力量。
作者2020年8月RoboCup小型组足球机器人研究与应用前言
RoboCup即机器人世界杯足球锦标赛，RoboCup小型组足球机器人是RoboCup的主要项目之一，作者针对RoboCup小型组足球机器人进行系统研究和实验，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和电路与结构等关键问题。
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，这些都是本书的讨论重点。路径规划是所有移动机器人必须解决的核心问题，包括解决沿着什么路径到达目的地，采用什么速度、如何在指定时间内完成实时规划、如何保证机器人在不违反自身运动学规律情况下跟随规划、如何检测碰撞并避免碰撞，以及如何整定系统参数等诸多子问题。经过几十年的研究与实践，人们在移动机器人路径规划方面积累了大量的研究成果，但仍存在许多问题有待深入研究。
作者主要在以下四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，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物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。
研究成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。
本书由两人合作完成，第一作者完成1、4、5章，第二作者完成第2、3、6、7章。限于作者水平，书中难免会有疏漏之处，恳请读者批评指正。
作者
2016年7月
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