(西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川 成都 610039)

半自主足球機(jī)器人的色標(biāo)設(shè)計(jì)方法是實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程控制的基礎(chǔ)。色標(biāo)設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)機(jī)器人的對(duì)抗性能和對(duì)抗策略的執(zhí)行能力[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)的半自主足球機(jī)器人色標(biāo)設(shè)計(jì)方法是根據(jù)不同顏色、不同形狀或者是不同顏色與形狀的組合來(lái)確定機(jī)器人小車的位置、朝向、隊(duì)員號(hào)以及運(yùn)動(dòng)方向等。其中具有代表性的色標(biāo)設(shè)計(jì)方法[3-6]大致有如圖1中所示幾種。

圖1(a)中，機(jī)器人小車方位角為小車頂部中心和副色標(biāo)中心的連線方向，機(jī)器人的隊(duì)號(hào)通過(guò)不同的副色標(biāo)顏色來(lái)區(qū)別。該方案雖然具有算法簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性較高等優(yōu)點(diǎn)，但是非常容易發(fā)生混色現(xiàn)象[7](2種顏色互相干擾),如圖2所示。當(dāng)2個(gè)機(jī)器人在對(duì)抗比賽中距離過(guò)近或發(fā)生相撞后，色標(biāo)受干擾就非常容易出現(xiàn)位置和角度的偏差，影響機(jī)器人策略。圖1(b)表示通過(guò)一條矢量線確定機(jī)器人小車的正方向，通過(guò)副色標(biāo)來(lái)輔助決定機(jī)器人的隊(duì)號(hào)。該方案具有色塊中心穩(wěn)定，位置、角度精度高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)避免了粘連現(xiàn)象的發(fā)生；但是由于識(shí)別算法復(fù)雜，導(dǎo)致在對(duì)抗激烈的賽場(chǎng)上實(shí)時(shí)性差，策略容易滯后等[8]。圖1(c)表示利用2個(gè)圓形的色標(biāo)，其中大圓為隊(duì)標(biāo)，小圓為副色標(biāo)(隊(duì)員號(hào))，主副色標(biāo)中心到小車中心的距離之比為1∶3。此方法的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)生粘連現(xiàn)象較少，抗噪能力較強(qiáng)，其缺點(diǎn)是辨識(shí)精度不高。

圖 1 各種色標(biāo)設(shè)計(jì)方案

圖 2 粘連現(xiàn)象

綜上所述，目前仍然未見(jiàn)一種算法簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、辨識(shí)精度高、抗噪能力強(qiáng)的色標(biāo)設(shè)計(jì)方法。為此，筆者在綜合各隊(duì)的色標(biāo)設(shè)計(jì)方法特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種新穎的色標(biāo)設(shè)計(jì)方法。

1 色標(biāo)的設(shè)計(jì)

1.1 色標(biāo)顏色及形狀

基于比賽場(chǎng)地光照等因素的影響，為使圖像識(shí)辨算法盡量簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確，本方案按照國(guó)際慣例將小車分為主色標(biāo)(隊(duì)標(biāo))和副色標(biāo)(隊(duì)員標(biāo)志 )。將主色標(biāo)設(shè)計(jì)為多邊形，副色標(biāo)設(shè)計(jì)為圓形。以足球機(jī)器人5VS5的比賽為例，在每個(gè)機(jī)器人小車上都使用1個(gè)主色標(biāo)和2個(gè)副色標(biāo)。其中主色標(biāo)按照國(guó)際慣例，只取黃、藍(lán)色,2個(gè)副色標(biāo)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行變換。其隊(duì)員號(hào)通過(guò)排列組合后按照一定規(guī)則分布來(lái)具體確定。

如圖3所示，黃隊(duì)和藍(lán)隊(duì)的隊(duì)標(biāo)放在機(jī)器人的斜對(duì)正中心。副色標(biāo)主要為三基色，如綠、紫、粉，這樣在本隊(duì)隊(duì)伍中就可以用3個(gè)副色標(biāo)的顏色組合來(lái)區(qū)分5個(gè)隊(duì)員。在確定隊(duì)員編號(hào)時(shí)，可以按不同順序排列，例如把綠、紫、粉作為0、1、2號(hào)球員，組合顏色粉紫、綠紫分別作為4、5號(hào)隊(duì)員。其重心為隊(duì)標(biāo)中心(主色標(biāo)區(qū)域中心)，小車的前進(jìn)方向是以小車色標(biāo)的重心與副色標(biāo)中心點(diǎn)連線成45°連線的方向。

(a)藍(lán)隊(duì)

(b)黃隊(duì)

1.2 足球機(jī)器人位姿的判定

足球機(jī)器人的位姿是以足球機(jī)器人的中心位置來(lái)判定，即求得中心點(diǎn)就能知道機(jī)器人的位姿。其中心是通過(guò)對(duì)主色標(biāo)的劃分和統(tǒng)計(jì)獲得的。方案中將主色標(biāo)分為A1、A2、A3、A4、A5、A6，6個(gè)分區(qū)，如圖4所示，中心坐標(biāo)求解方法見(jiàn)式(1)和(2)。

設(shè)(x0,y0)為中心點(diǎn)坐標(biāo)，則(x0,y0)為：

x0=(∑xA1+∑xA2+∑xA3+∑xA4+∑xA5+
∑xA6)/(nA1+nA2+nA3+nA4+nA5+nA6)

(1)

y0=(∑yA1+∑yA2+∑yA3+∑yA4+∑yA5+
∑yA6)/(nA1+nA2+nA3+nA4+nA5+nA6)

(2)

式中：∑xAi和∑yAi代表區(qū)域Ai(i=1,2,3,4,5,6)的相應(yīng)隊(duì)標(biāo)特征顏色點(diǎn)的x坐標(biāo)及y坐標(biāo)的累加值；nAi代表區(qū)域Ai的符合隊(duì)標(biāo)特征顏色點(diǎn)的數(shù)量。

1.3 足球機(jī)器人隊(duì)員色標(biāo)中心的確定

受機(jī)器人尺寸所限，隊(duì)員標(biāo)志(副色標(biāo))在攝像頭上所成的像比較小，一般只占幾個(gè)到十幾個(gè)像素；因此，在此方案中采取帶閾值的重心法確定足球機(jī)器人隊(duì)員的中心。

設(shè)圖像灰度標(biāo)志為f(x,y)，x=1,…，m,y=1,2,…,n，那么對(duì)所采集圖像進(jìn)行閾值化可表述為

(3)

其中T為背景閾值。重心計(jì)算公式為：

(4)

(5)

1.4 機(jī)器人角度的求取

根據(jù)隊(duì)標(biāo)特點(diǎn)，并綜合國(guó)內(nèi)外各參賽隊(duì)中的優(yōu)秀方法[9-14]，本方案利用機(jī)器人中心穩(wěn)定的特點(diǎn)，提出了一種補(bǔ)償逼近算法。

足球機(jī)器人主色標(biāo)(隊(duì)標(biāo))與副色標(biāo)(隊(duì)員色標(biāo))中心點(diǎn)連線為

(6)

利用求得的中心點(diǎn)連線為x坐標(biāo)軸建立新坐標(biāo)系。

先將主副色標(biāo)沿x軸和y軸分割成2個(gè)對(duì)稱部分，主副色標(biāo)中心連線與x軸之間的夾角即為足球機(jī)器人的朝向角，如圖4所示，其求解方程為：

(7)

(8)

(9)

(10)

式中(xu0,yu0)和(xd0,yd0)分別為x軸上半部分和下半部分的中心坐標(biāo)，則有

(11)

機(jī)器人的朝向角補(bǔ)償逼近具體算法如下：

(xi

(12)

xi

(13)

xi>x0,yi>y0}；

(14)

xi>x0,yi>y0}。

(15)

由此可求出補(bǔ)償后上下2個(gè)中心點(diǎn)坐標(biāo)值，其求取公式如下：

(16)

yd′=(∑yA2+∑yA5+∑yA4+∑xA6-∑xA6′)/(nA2+nA5+nA4+nA6-nA6′);

(17)

xu′=(∑xA1+∑xA2+∑xA3+∑xA6-∑xA6′)/(nA1+nA2+nA3+nA6-nA6′);

(18)

yu′=(∑yA1+∑xA2+∑xA3+∑xA6-∑xA6′)/(nA1+nA2+nA3+nA6-nA6′)。

(19)

則有

(20)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

筆者將此色標(biāo)設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于FIRA足球機(jī)器人比賽中的5VS5半自主機(jī)器人足球項(xiàng)目。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種方式能很好滿足圖像掃描的實(shí)時(shí)、快速性要求。圖5為采用本方案后的辨識(shí)結(jié)果。從圖5(a)可以看出，各色標(biāo)在攝像頭下所采集的圖像清晰，隊(duì)標(biāo)與隊(duì)員標(biāo)識(shí)之間無(wú)干涉現(xiàn)象。從圖5(b)中的預(yù)備情況可以看出，各色標(biāo)均能被有效識(shí)別(為使視圖的清晰，這里只截取了1、2、3號(hào)機(jī)器人的預(yù)備示意圖)，從箭頭指示的情況來(lái)看，各色標(biāo)的朝向角度計(jì)算正確，誤差較小。

(a)比賽實(shí)景

(b)預(yù)備時(shí)各機(jī)器人的正方向指示圖

圖 5 色標(biāo)應(yīng)用

本文利用游程編碼的方法與網(wǎng)格掃描的方法進(jìn)行了對(duì)比分析，掃描對(duì)象為比賽雙方的10名隊(duì)員和小球，一共11個(gè)目標(biāo)，研究結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，本文提出的方法具有用時(shí)少、實(shí)時(shí)性高、算法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),可以很好地提升足球機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的辨識(shí)能力，對(duì)于贏得比賽起到了一定的作用。這種方法在提高系統(tǒng)辨識(shí)精度和響應(yīng)速度方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。

表1 足球機(jī)器人視覺(jué)測(cè)試運(yùn)行結(jié)果

3 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有大部分方案缺乏實(shí)時(shí)性的缺點(diǎn)，本文提出一種新穎的足球機(jī)器人色標(biāo)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)對(duì)該方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)主色標(biāo)是多邊形副色標(biāo)是圓形的混搭方案，增強(qiáng)了抗噪能力也避免了色標(biāo)間的粘連現(xiàn)象，利用圓形副色標(biāo)與多邊形主色標(biāo)之間的距離減少了色塊邊界的模糊及擴(kuò)散造成的影響，從而提高了足球機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的辨識(shí)精度、響應(yīng)速度和抗噪能力,減少其信號(hào)丟失。

[1]鄧星橋.足球機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的研究[D].成都：西華大學(xué),2004.

[2]盧艷，徐雪松. 動(dòng)態(tài)光照條件下足球機(jī)器人視覺(jué)目標(biāo)的識(shí)別[J].計(jì)算機(jī)仿真，2013，30(3)：376-379.

[3]朱瑩，洪炳镕，阮玉峰.全自主足球機(jī)器人快速目標(biāo)識(shí)別與定位方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，35(9)：1060-1068.

[4]胡英，趙姝穎，徐心和.色標(biāo)設(shè)計(jì)與辨識(shí)算法研究[J].中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào)，2002， 12(7)：1291-1295.

[5]方帥，胡英，徐心和.集控式機(jī)器人視覺(jué)子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，24(11)：1029-1032.

[6]李彤斐，楊馬英.足球機(jī)器人視覺(jué)目標(biāo)識(shí)別的PCA-SIFT算法[J]. 江南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013(12)：601-606.

[7]曾達(dá)幸.中型組足球機(jī)器人的視覺(jué)識(shí)別與視覺(jué)定位研究[D]. 秦皇島：燕山大學(xué)，2004.

[8]王鳳蘭，洪炳镕，曙光.基于HSI顏色分布連續(xù)性特征的區(qū)域合并方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2003，35(9)：1086-1088.

[9]Qiushui Yu,Zhiyong An， Ruining Yang， et al.Colour Tag Design of Robot Soccer Based on Computational Verb Theory[C]// Proceedings of 9th International Conference on Electronic Measurement and Instruments. Beijing：IEEE, 2009,4,433-437.

[10]Liu Haibo， Li Weiwei， Dong Yujie. Algorithm for Real-Time Image Processing in the Robot Soccer[J]. Applied Mechanics and Materials, 2012,143： 737-741.

[11]馬爽. 基于視覺(jué)的足球仿人形機(jī)器人彩色目標(biāo)及關(guān)鍵點(diǎn)的識(shí)別[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué), 2011.

[12]尹仕斌，任永杰，邾繼貴，等. 機(jī)器人視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)中的工具中心點(diǎn)快速修復(fù)技術(shù)[J]. 機(jī)器人，2013，35(6)：736-743.

[13]周明明.微型足球機(jī)器人視覺(jué)信息處理技術(shù)的研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2004.

[14]湯磊，王強(qiáng). 基于K-均值聚類的足球機(jī)器人的新型圖像分割方法[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，26 (5)：11-14.