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》。

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。

文摘1：
无线通信系统的主要功能是沟通决策系统与机器人小车系统，即将必要的赛场信息以及上层的决策，发送给各个机器人。
2) 视觉系统
视觉系统的主要功能是收集、监测赛场上的环境信息，为决策系统提供位置、方向等信息支持。该系统一般由两部摄像机及相应的视觉处理设备和软件组成，现该系统已经标准化。
3) 机器人小车系统
机器人小车系统的主要功能是完成决策系统在赛场环境下给定的任务，执行决策系统发出的命令。
4) 决策系统
决策系统的主要功能是对赛场信息进行综合并作出判断，做出合理决策，确定球队的整体策略以及各个机器人的角色、任务，一般每个队各提供一台主机完成该项任务。决策系统是小型组足球机器人系统的核心，而路径规划算法则是决策系统的基础。
5) 裁判系统
裁判系统主要由裁判盒和人共同负责，作出计分、开球等裁判工作。
由上可见，RoboCup小型组足球机器人系统是一个紧密联系的平台，裁判系统不直接影响比赛的进程，竞赛者可以对视觉系统、无线通信系统、机器人小车系统和决策系统进行改进，从而让机器人能更好地完成任务，取得好的成绩。其中决策系统作为整个系统的大脑起决定性的作用，因此对决策系统进行改进能取得显著的效果。决策系统最终决定了机器人的行为准则和实际的运动轨迹，即它为机器人提供了行进的路线，并在行进中引导机器人规避障碍物，而这些又必须通过对机器人的行走部件，即车轮进行控制。
参赛队需要自主研发机器人、决策系统和无线通信系统。机器人形式不限制，但必须满足一定的尺寸约束，如高度不超过150 mm，直径不超过180 mm，控球机构在完全吸入球时挡住球的部分不超过球直径的20%。在小型组足球机器人联赛早期，参赛队还需要自主研发视觉系统。随着图像处理技术的成熟，大部分参赛队采用类似的图像处理方法并得到相似的识别结果和精度，为此自2010年起组委会决定采用共享视觉系统，由组委会统一提供小型组足球机器人比赛系统视觉软件，命名为SSLVision。此软件最初由CMU的S.Zickler等人开发并将其开源，现在由整个小型组社区的志愿者进行维护。
为了方便新的队伍能够更容易地搭建自己的系统，已经有许多队伍都公开了自己所做的工作，比如来自泰国的四年冠军Skuba和德国的ErForce、Tigers等队伍。此外，每年的八强队伍都需要在下一年比赛前提交一篇关于自己系统的技术报告(extended team description paper，ETDP)，每年的冠军队伍还需要提交一篇Champion Paper。在整个小型组社区的共同努力下，目前小型组各队伍的整体水平有了较大提升，各队伍间的差距正在逐步缩小。
决策系统对机器人的控制策略必须符合机器人所需要完成的任务以及所处的环境，RoboCup小型组足球机器人比赛的环境特点如下：
(1) 实时性。
保证算法实时性是足球机器人系统能够赢得胜利的最基本要求。球场上的状况瞬息万变，球员对实时状态的快速反应程度是得分的关键因素。比赛中，视觉系统以33 ms为周期通过摄像头采集现场场地信息，无线通信系统将数据发送给决策系统进行决策，因此决策系统必须在毫秒级的时间内完成信息的处理以及决策。为此，决策系统、无线通信系统、机器人小车系统都必须具有非常高的计算速度和效率，才能做出周全而适应实时性的决策。
(2) 动态性。
轮式结构的机器人小车可以进行两个自由度以内的连续运动，在赛场上的最大速度可以达到2 m/s，而且速度和方向变化非常频繁，机器人之间很容易相互碰撞。因此，为了行进到指定的目标并同时规避相互之间的碰撞，对赛场情况必须有很快的反应速度。
(3) 不确定性。
足球机器人由多个子系统组成。视觉系统采集比赛场上的图像信息，是对连续系统离散化，难免遗漏一些赛场信息，视觉部分图像有时会受到光照、衣服、台面等环境因素影响而出现变形。无线通信系统经常受到干扰而出现指令丢失的现象。大量机器人在赛场运行时极易发生相互碰撞，此外有时还可能因电量不足而使机器运行不稳定。所有这些因素都使得机器人的环境充满了不确定性。

文摘2：
1.2问 题 研 究
1.2.1路径规划技术
移动机器人路径规划技术，就是利用机器人自身或者全局的传感器实时采集环境数据，经过滤、识别、融合等运算后，提取障碍的编号、类型、位置、速度和方向等姿态信息；然后通过相关路径规划算法，自主规划出一条高效、安全并且平滑的运行路线，使机器人在移动过程中能安全、无碰撞地绕过所有的障碍物，同时高效完成控制任务。
而在RoboCup小型组足球机器人项目中，机器人之间的对抗非常激烈，己方机器人始终受到对方机器人连续和高强度的防守和阻碍。因此，在动态障碍环境中实现移动机器人路径实时、动态的规划是智能机器人学研究的重要课题之一。
移动机器人路径规划技术是根据传感器对环境的感知，自行规划出一条安全的运行路线，同时高效地完成作业任务。移动机器人路径规划算法主要包含如下几个方面的问题：
(1) 使机器人能从初始点运动到目标点；
(2) 预测各种障碍物的运动趋势，通过合适的算法找到一条既能绕开运动障碍物，又能通过预设的途经点的路径。
(3) 根据机器人实际速度和加速能力，规划机器人运行速度，并平滑和修正规划的路径。
RoboCup小型组足球机器人项目正是研究上述问题的一个非常优秀的实验平台。
基于随机路径规划算法的ERRT、CRRT、DRRT、MPRRT等改进算法被RoboCup小型组足球机器人各强队采用。这几种路径规划算法在目标点发生重大变化后都采用RRT算法重新规划，由于RRT规划随机性大，存在少量规划严重超时而不能满足小型组足球机器人实时性要求的问题，因此仍然有一定概率不能满足系统实时性要求。
文摘3：
具体来说，针对RoboCup小型组足球机器人四轮PI参数，使用遗传算法进行自动整定的实施步骤如下：
(1) 获得实际问题参数集；
(2) 对参数进行编码；
(3) 生成n个初始群体；
(4) 计算群体每个个体适应值；
(5) 进行群体选择和淘汰，判断是否结束要求，如果不满足继续执行第6步，否则结束程序运行；
(6) 对群体运算、复制、交叉、变异得到新群体；
(7) 转到第(4)步继续执行；
(8) 对最优结果进行解码得到需要的参数；
(9) 将计算得到的参数应用到实际系统。

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