張建峰，禹謝華，陳天送，黃俊文，陳衛(wèi)明，陳美茸

（福建師范大學(xué)閩南科技學(xué)院，福建泉州362332）

基于足球比賽的機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)分析

張建峰，禹謝華，陳天送，黃俊文，陳衛(wèi)明，陳美茸

（福建師范大學(xué)閩南科技學(xué)院，福建泉州362332）

文章對基于足球比賽的機(jī)器人的各個系統(tǒng)構(gòu)架以及運作流程進(jìn)行了深入的分析和研究，并對現(xiàn)有的部分設(shè)計提出了具體的看法和改進(jìn)意見，最后指出了機(jī)器人足球比賽的下一步研究方向.

機(jī)器人；足球比賽；機(jī)器人足球；體系結(jié)構(gòu)

如今，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，足球機(jī)器人已經(jīng)成為廣大科學(xué)技術(shù)人員的研究熱點，并在未來很長一段時期內(nèi)都將成為廣大科研人員們關(guān)注的焦點.足球機(jī)器人雖小，卻五臟俱全，它涉及到計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)以及人工智能等眾多學(xué)科領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，是一個復(fù)雜而又能夠體現(xiàn)各個領(lǐng)域綜合能力的研究項目.隨著FIRA國際機(jī)器人足球聯(lián)合會（Federation of International Robot-soccer Association）和ROBOCUP（Robot World Cup）國際機(jī)器人足球世界杯賽事組織的先后成立，對足球機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展起到了重大的促進(jìn)作用.文章以下將對基于足球比賽的機(jī)器人的各個系統(tǒng)構(gòu)架以及運作流程進(jìn)行深入的研究和探討.

1 基于足球比賽的機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)分析

整體上來說，足球機(jī)器人一般可分為四個部分，分別是：視覺系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和機(jī)器人體系統(tǒng).在這四個系統(tǒng)的研究上就能展現(xiàn)科學(xué)技術(shù)各個領(lǐng)域的發(fā)展情況.如，視覺系統(tǒng)展現(xiàn)的是計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)等；決策系統(tǒng)展現(xiàn)的是智能控制技術(shù)、信息處理技術(shù)等；通訊系統(tǒng)展現(xiàn)的是傳感技術(shù)、通訊技術(shù)等；機(jī)器人體系統(tǒng)展現(xiàn)的是機(jī)械電子學(xué)技術(shù)、機(jī)器人學(xué)技術(shù)等.總的說來，足球機(jī)器人的體系構(gòu)架如圖1.1所示.

2 基于足球比賽的機(jī)器人體系各功能模塊詳解

2.1 足球機(jī)器人的眼睛：視覺子系統(tǒng)

圖1.1 足球機(jī)器人的體系構(gòu)架

視覺子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的信號檢測機(jī)構(gòu)，一般可由攝像頭、圖形采集卡等硬件設(shè)備和圖象處理軟件組成.視覺系統(tǒng)的功能是根據(jù)顏色捕獲圖象和計算位置，實時采集、處理比賽場景，并將辯識數(shù)據(jù)（雙方機(jī)器人及球的位姿）提供給決策系統(tǒng)進(jìn)行分析決策之用.

根據(jù)RoboCup中型組的比賽規(guī)則，機(jī)器人的高度不能高于80cm物體.但實際情況是，在智能中型足球機(jī)器人比賽中，常常會有挑起的球高于機(jī)器人身高（或攝像頭）的情況.在機(jī)器人視覺子系統(tǒng)的設(shè)計中，通常采用的是全景視覺系統(tǒng).而全景視覺系統(tǒng)在目標(biāo)的識別上有一個非常致命的缺陷，即無法識別高于機(jī)器人位置的目標(biāo)，并且?guī)в袊?yán)重的圖像畸變.因此，本研究考慮在全景視覺系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加前向視覺系統(tǒng)為輔助的策略，結(jié)構(gòu)如圖1.2所示.針對這種情況，我們考慮在足球機(jī)器人上加入一個前向視覺系統(tǒng)作為輔助就能在很大程度上彌補(bǔ)了全景視覺系統(tǒng)的缺陷.

圖1.2 視覺子系統(tǒng)

視覺子系統(tǒng)對于圖像進(jìn)行處理的整個工作流程，可以分為在線處理和離線處理兩種方式：1）在離線方式中，進(jìn)行復(fù)雜圖像處理和圖像分析，獲得目標(biāo)圖像的知識庫；2）在在線方式中，利用離線方式獲得的目標(biāo)圖像知識庫，采用簡單的圖像處理和識別計算，得到圖像中物體的位置和運動信息.具體操作流程圖如圖1.3所示.

圖1.3 視覺子系統(tǒng)的工作流程

2.2 足球機(jī)器人的大腦：決策子系統(tǒng)

在機(jī)器人足球比賽的整個系統(tǒng)中，決策子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心部分，有著承上啟下的作用.這一部分上接視覺子系統(tǒng)，下接通信子系統(tǒng).視覺子系統(tǒng)得到一系列關(guān)于賽場上的圖像信息數(shù)據(jù)以及本身的位置等數(shù)據(jù)，并將其作為輸入量發(fā)送進(jìn)入決策子系統(tǒng).決策子系統(tǒng)將得到的這些信息數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，最終通過無線通信子系統(tǒng)向機(jī)器人體子系統(tǒng)發(fā)出一系列的指令.而處理器的性能優(yōu)劣更是會直接影響到比賽的勝負(fù)，因此本研究考慮采用DSP處理器，決策子系統(tǒng)工作流程圖如圖1.4所示.

圖1.4 決策子系統(tǒng)

2.3 足球機(jī)器人的交流：通信子系統(tǒng)

足球機(jī)器人的通信系統(tǒng)一般可分為內(nèi)部通信和外部通信，內(nèi)部通信指的是包括傳感器模塊與機(jī)器人體計算機(jī)之間的串口通信，運動系統(tǒng)中電動機(jī)控制器與機(jī)器人體計算機(jī)的串口通信等.而外部通信則指的是機(jī)器人與機(jī)器人之間的通信，彼此交流位置信息、是否持球、是否優(yōu)先截球、阻攔敵方等.外部通信采用無線通訊方式.主機(jī)的控制指令通過計算機(jī)的串行口送至通訊板，經(jīng)過調(diào)制后發(fā)送出去.機(jī)器人的通訊接收器接收信號并解調(diào)，然后傳送給機(jī)器人體微處理器.由于足球機(jī)器人的空間有限，本研究考慮采用單向通訊方式.為了提高通訊的質(zhì)量和速度，就必須精心設(shè)計通訊電路及通訊協(xié)議.通訊子系統(tǒng)工作示意圖如圖1.5所示

圖1.5 通信子系統(tǒng)工作示意圖

2.4 足球機(jī)器人的身體：機(jī)器人體子系統(tǒng)

對于機(jī)器人體子系統(tǒng)，本研究著重分析了其移動方式，帶球方式和踢球方式.

2.4.1 移動方式

對于現(xiàn)在足球機(jī)器人的發(fā)展，全向移動方式將越來越受比賽員的喜愛，因為具有全向移動運動能力的運動系統(tǒng)使機(jī)器人可以直接向任意方向做直線運動，相比于差動運動方式，它具有在做直線運動前不需要旋轉(zhuǎn)運動，并且能滿足一邊做直線運動一邊旋轉(zhuǎn)的要求，能夠極大的提高足球機(jī)器人的靈活性.

2.4.2帶球方式

采用兩個電機(jī)分別驅(qū)動兩個小輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動.靠兩個小輪與足球之間的摩擦力帶住足球，兩個小輪的速度可以不同，為差動工作，這種帶球裝置可以將足球帶的相對更穩(wěn).當(dāng)然，額外的這兩個動機(jī)裝置也給機(jī)身增加了一些空間，還包括電池的加速消耗.如圖1.6所示.

圖1.6 通信子系統(tǒng)工作示意圖

2.4.3 氣缸式踢球機(jī)構(gòu)

是以氣缸為執(zhí)行元件的氣動踢球系統(tǒng).通過閥控制向氣缸通氣的時間或氣壓，來實現(xiàn)氣缸活塞運動中的速度控制.其控制精度較好能達(dá)到比賽的要求.雖然有機(jī)器人需攜帶占用一定的空間、預(yù)先充氣的儲氣罐的缺點，但在實際使用中，一個充到1.6MPa壓力的1.5升儲氣罐的氣足夠完成一場比賽，且1.5升的體積并不占用很多空間，因此，類似上述的缺點還是比較容易克服的.

3 結(jié)束語

綜上所述，文章詳細(xì)闡述了基于足球比賽的機(jī)器人各個系統(tǒng)的構(gòu)造分析，對現(xiàn)有的部分設(shè)計提出了具體的改進(jìn)意見，并在每個系統(tǒng)介紹中配有相應(yīng)的解析圖，以供科研人員研究之用.當(dāng)然，本研究中還存在著某些不足，如在靈活性方面考慮欠佳等，而這一點對于足球機(jī)器人在比賽中的發(fā)揮性能的高低也是具有非常重要的作用的，尚待進(jìn)一步改進(jìn)和完善.在接下來的發(fā)展中，足球機(jī)器人在各個方面都將迎接更具有挑戰(zhàn)性的考驗.我們的研究方向也會將重點放在如何能在保證原有各系統(tǒng)工作實時性甚至有所提高的基礎(chǔ)上加大數(shù)據(jù)量的處理，以及提高圖像畸變處理和快速轉(zhuǎn)換模數(shù)信號的視覺系統(tǒng)，保證所得數(shù)據(jù)的精度同時又要盡量避免給足球機(jī)器人本身結(jié)構(gòu)帶來負(fù)擔(dān)等方面.總而言之，就是努力向著在簡化足球機(jī)器人體結(jié)構(gòu)的同時能提高足球機(jī)器人的整體性能方面做進(jìn)一步的研究和論證.

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國家級大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目資助（201212992010）