陳雯柏， 吳細寶， 許曉飛

(北京信息科技大學(xué) 自動化學(xué)院, 北京 100192)

·實習(xí)與實訓(xùn)·

基于機器人足球平臺的工程訓(xùn)練研究

陳雯柏， 吳細寶， 許曉飛

(北京信息科技大學(xué) 自動化學(xué)院, 北京 100192)

為提高工科自動化類相關(guān)專業(yè)學(xué)生的工程“綜合、實踐”能力，基于工程型人才的素質(zhì)與能力要求，提出以機器人足球競賽為平臺的多學(xué)科工程綜合與創(chuàng)新實踐教學(xué)方案。首先介紹了機器人足球競賽的相關(guān)背景，然后從本科階段工科教育模擬“解決復(fù)雜工程問題”的角度，構(gòu)建了符合“構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行”理念的基于機器人足球比賽系統(tǒng)的工程訓(xùn)練方案，最后對系統(tǒng)方案中關(guān)鍵技術(shù)與訓(xùn)練內(nèi)容進行了詳細分析與討論。機器人足球工程訓(xùn)練活動的開展，有利于本科學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新實踐能力的提高。

機器人足球； 創(chuàng)新實踐； 工程訓(xùn)練； 工程科技人才培養(yǎng)

0 引 言

為推進工程教育改革，促進教育界與工業(yè)界之聯(lián)系，2006年教育部正式啟動了工程教育專業(yè)認證試點工作[1-2]。2008年5月，“中國CDIO工程教育模式研究與實踐”課題組，開始組織開展CDIO工程教育模式的研究與探索。2010年6月，教育部啟動“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”重大改革。2012年，“中國工程教育認證協(xié)會”獲得教育部支持，按照華盛頓協(xié)議要求，開展工程教育認證工作[3-4]。相關(guān)改革工作正是解決學(xué)生的工程實際訓(xùn)練較少的實際問題，提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量[5-8]。

機器人足球賽涉及傳感、通訊、人工智能、機器人學(xué)等諸多領(lǐng)域前沿技術(shù)，是高技術(shù)的對抗賽[9-10]。本文基于工程型人才的素質(zhì)與能力要求，從模擬“解決復(fù)雜工程問題”的角度，設(shè)計并構(gòu)建了符合“構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行”理念的基于機器人足球比賽系統(tǒng)的多學(xué)科工程綜合與創(chuàng)新實踐教學(xué)方案。

1 工程型人才培養(yǎng)

1.1 工程型人才的素質(zhì)與能力要求

華盛頓協(xié)議對工程類本科生的能力要求主要有以下幾方面[7]：①在系統(tǒng)、工藝和機器的設(shè)計、操作和改進過程中，能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程技術(shù)知識。②發(fā)現(xiàn)并解決復(fù)雜工程問題。③了解并解決環(huán)境、經(jīng)濟和社會與工程相關(guān)的問題。④具有有效溝通能力。⑤能夠接受終身學(xué)習(xí)并促進職業(yè)發(fā)展。⑥遵守工程職業(yè)道德。⑦能夠在當今社會中發(fā)揮作用。2013年在韓國舉行的國際工程大會上，我國加入《華盛頓協(xié)議》。2015年，中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會發(fā)布了《工程教育專業(yè)認證標準》對學(xué)生提出的基本要求[8]。

1.2 工程訓(xùn)練

1.2.1 “復(fù)雜工程問題”特征

參照《華盛頓協(xié)議》要求，詳細界定“復(fù)雜工程問題”必須具備下述特征①，同時具備下述特征②～⑦的部分或全部[8,11-12]：①基于深入原理。必須運用深入的工程原理經(jīng)過分析才可能得到解決。②協(xié)同攻關(guān)。需求涉及多方面的技術(shù)與工程因素，并可能相互有一定沖突。③建模求解。需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性。④需新方法和現(xiàn)代工具不是僅靠常用方法就可以完全解決的。⑤不確定與創(chuàng)新思維。問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)標準和規(guī)范中。⑥利益沖突。問題相關(guān)各方利益不完全一致。⑦綜合性。具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。

1.2.2 “解決復(fù)雜工程問題”與工程屬性“綜合、實踐、創(chuàng)新”的關(guān)系

工程教育專業(yè)認證的畢業(yè)要求是對原有“科學(xué)教育”烙印的課程體系提出了挑戰(zhàn)，融合理論課程與試驗課程以及實踐環(huán)節(jié)是必然趨勢。本科階段工科教育要求以模擬“解決復(fù)雜工程問題”為載體，根據(jù)成果反向設(shè)計理念，按照核心能力，以現(xiàn)代實際、成熟的復(fù)雜工程問題研發(fā)過程典型化為載體，轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)化、可操作的教學(xué)過程，其重點是“綜合、實踐”。“創(chuàng)新源于實踐”，培養(yǎng)工程“綜合、實踐”能力是本科階段畢業(yè)生具有創(chuàng)新意識的基礎(chǔ)。

2 機器人足球

1992年，加拿大大不列顛哥倫比亞大學(xué)An Mackworth教授首次提出機器人足球的概念，旨在通過機器人足球比賽，為人工智能和智能科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展提供一個具有挑戰(zhàn)性的課題。表1、表2分別列出了目前最為主流的兩大機器人世界杯比賽的機器人足球比賽項目信息。圖1所示為足球機器人比賽場景示意圖。

表1 FIRA比賽項目的設(shè)置

表2 RoboCup比賽項目的設(shè)置

圖1 足球機器人比賽場景示意圖

3 基于MiroSot機器人足球的工程綜合與創(chuàng)新實踐教學(xué)平臺

MiroSot比賽系統(tǒng)的硬件平臺具體可分為機器人小車、視覺、決策和無線通訊4個子系統(tǒng)[13-14]。

3.1 MiroSot創(chuàng)新實踐訓(xùn)練方案

機器人足球目標任務(wù)是通過視覺系統(tǒng)獲得小球坐標、小車編號、位姿等信息，通過決策系統(tǒng)得到小車動作任務(wù)，最后由通信系統(tǒng)發(fā)出小車控制指令。可見，機器人足球是涉及機械、模式識別、信號處理、電路設(shè)計等多方面理論技術(shù)的多學(xué)科綜合，是一個理想的解決復(fù)雜工程問題的訓(xùn)練平臺?；贛iroSot機器人足球比賽系統(tǒng)的工程綜合與創(chuàng)新實踐訓(xùn)練方案見圖2。

圖2 MiroSot工程綜合與創(chuàng)新實踐訓(xùn)練方案

由圖2可見，系統(tǒng)涉及了人工智能、機器人學(xué)、通信、傳感、精密機械等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)。訓(xùn)練方案基于“構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行”理念，從構(gòu)思、設(shè)計、實施到運行環(huán)環(huán)相扣，緊密聯(lián)系，充分做到了讓學(xué)生“學(xué)中做、學(xué)中思、做中學(xué)、做中思”。這種CDIO以構(gòu)思、設(shè)計、實施及運作全過程為載體培養(yǎng)的工程能力，不僅包含個人的學(xué)術(shù)知識，還包含終生學(xué)習(xí)能力、團隊交流能力和大系統(tǒng)掌控能力[15-16]。

3.2 MiroSot創(chuàng)新實踐訓(xùn)練方案的復(fù)雜工程性特征分析

(1) 必須運用深入的工程原理經(jīng)過分析才可能得到解決。根據(jù)機器人足球的目標任務(wù)，攝像頭需要獲取場上實時情況，決策系統(tǒng)需要分析得到機器人的運動指令，機器人需要通過追球、帶球，進而完成進球任務(wù)。

① 機械與電路方面。進球不僅與決策算法有關(guān)還與小車的性能有著很大的關(guān)系，在機械結(jié)構(gòu)以及小車動力系統(tǒng)上的改進有利于贏得比賽。信號的收發(fā)、機器人的運動控制都必須有電路為支撐。

② 位姿識別方面。小車編號及位姿識別、對方小車位姿識別以及小球位置的識別，精準的位姿識別是比賽的前提。

③ 控制與決策方面。為實現(xiàn)指定的目標，運用路徑規(guī)劃得到小車的運動控制指令，路徑規(guī)劃必須清楚認識場地實時組合特征才能設(shè)計合理的控制方案。決策算法在精準識別的基礎(chǔ)上，分析場上態(tài)勢得到各個小車動作目標。

④ 使用現(xiàn)代工具方面。機器人足球競賽是一個跨學(xué)科的工程設(shè)計競賽，需要團隊掌握多種電路設(shè)計、圖像處理、程序開發(fā)等多種現(xiàn)代工具。

(2) 需要涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突。

① 綜合性。比賽系統(tǒng)涉及模式識別、信號處理、路徑規(guī)劃、電路設(shè)計等多方面的理論技術(shù)，具體需要考慮比賽場地光學(xué)環(huán)境競對識別算法的影響、穩(wěn)定性、適應(yīng)性等多方面的技術(shù)、工程和其它因素。

② 沖突性。精準識別與系統(tǒng)實時性，運動速度和穩(wěn)定性等問題均有一定沖突。

(3) 需要建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現(xiàn)創(chuàng)造性。小車位姿識別的過程中，也有明顯的建模問題，模式識別問題等；系統(tǒng)決策也是在建模的基礎(chǔ)上完成的；運動控制過程本身就是一個基于模型的控制過程。

(4) 不是僅靠常用方法就可以解決的。在識別過程中，由于場地光線的影響沒有通用的圖像預(yù)處理參數(shù)能夠適應(yīng)所有情況，必須在比賽前大量采樣場地數(shù)據(jù)才能降低誤識別率。好的決策算法能夠大大提高系統(tǒng)效率，是贏得比賽的關(guān)鍵因素。但決策算法是在分析場上態(tài)勢，根據(jù)人的先驗知識得到的，并沒有通用的解決辦法。

(5) 問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)標準和規(guī)范中。線性系統(tǒng)是理想條件下的控制問題。而對于機器人小車的控制，存在各種類型的非線性。圖像處理需要解決如何適應(yīng)環(huán)境光線變化等問題。這些都需要能夠靈活應(yīng)用相關(guān)基本知識原理，閱讀大量學(xué)術(shù)文獻予以考慮。

(6) 具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。機器人小車系統(tǒng)是控制單元、速度檢測單元、電機驅(qū)動單元等不同單元的關(guān)聯(lián)綜合，各個單元的協(xié)調(diào)配合是精確控制小車的前提，需要在系統(tǒng)設(shè)計時全面考慮相互關(guān)聯(lián)的子問題。

4 MiroSot創(chuàng)新實踐訓(xùn)練內(nèi)容

4.1 運動系統(tǒng)設(shè)計

如圖3所示，MiroSot足球機器人小車采用兩輪差動式運動控制結(jié)構(gòu)，幾何尺寸為7.5 cm×7.5 cm×7.5 cm，電機采用Series 2224U006SR，質(zhì)量小于550 g。在MiroSot系統(tǒng)中，機器人的基本動作主要包括跑位到定點、轉(zhuǎn)到定角、原地轉(zhuǎn)動等。從控制的角度來看就是不斷減小機器人當前位置、角度與目標位置、角度的差值，從而使機器人快速地完成任務(wù)。

圖3 MiroSot足球機器人

運動系統(tǒng)的設(shè)計包括CPU控制單元、電機速度檢測單元與電機驅(qū)動單元等模塊，完成的運動系統(tǒng)控制電路板如圖4所示。

圖4 控制板平面布置圖

4.2 通信系統(tǒng)設(shè)計

通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，主機通信程序向無線數(shù)據(jù)發(fā)射器給出機器人左右輪速度指令，無線數(shù)據(jù)接收器解碼獲得左右輪速度等機器人運動控制數(shù)據(jù)。通信系統(tǒng)采用廣播方式，每個控制周期內(nèi)發(fā)射一幀數(shù)據(jù)，各機器人根據(jù)自身編號讀取數(shù)據(jù)幀的不同字段，獲得運動指令。

圖5 無線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

4.3 視覺系統(tǒng)設(shè)計

足球機器人視覺系統(tǒng)主要有圖像獲取、預(yù)處理和圖像處理3部分，如圖6所示。

圖6 視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖像處理包括圖像分割和目標識別，它是整個視覺系統(tǒng)的核心。足球機器人視覺系統(tǒng)通過識別機器人頂部不同色標(由隊標、隊員標組成)來實現(xiàn)雙方機器人與球的識別。識別過程包括：目標采樣與顏色分析、圖像分割等步驟[13-14]。識別出己方隊員后進一步進行處理得到各機器人的編號以及位姿信息。色標與各足球機器人一一對應(yīng)，用來區(qū)分不同足球機器人；位姿識別通過計算隊標與初始設(shè)定坐標軸之間的夾角來實現(xiàn)。

MiroSot視覺處理算法流程如圖7所示。

圖7 視覺算法流程圖

4.4 決策系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)雙方機器人位姿信息、球的信息，決策系統(tǒng)需要分析攻防態(tài)勢，然后進行任務(wù)分解、角色分配，給出機器人的運動參數(shù)。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)可分為協(xié)調(diào)層、運動規(guī)劃層與基本動作層。協(xié)調(diào)層著眼于機器人之間的協(xié)調(diào)組織，運動規(guī)劃層重在將協(xié)調(diào)層意圖分解為各個機器人的目標。決策系統(tǒng)需要考慮球的位置、運動方向及機器人的位置、姿態(tài)4個關(guān)鍵因素。

5 結(jié) 語

機器人足球的工程訓(xùn)練方案符合“構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行”理念。項目的完成需要多名學(xué)生組成跨學(xué)科的團隊并進行協(xié)作，需要同學(xué)們就最終目標的達成進行有效溝通和交流。如參加國際比賽，還要求在跨文化背景下進行溝通和交流。學(xué)生通過競賽享受到自主學(xué)習(xí)的快樂，具有持之以恒為學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力。基于機器人足球的工程訓(xùn)練方案的開展有利于應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，有利于本科學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新實踐能力的提高。

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Engineering Training Based on Robot Soccer

CHENWenbai,WUXibao,XUXiaofei

(School of Automation, Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192, China)

In order to improve practice ability and compound quality of students majored in automation，a multidisciplinary engineering comprehensive and innovative teaching scheme based on robot soccer competition platform is proposed. Firstly, the background of robot soccer competition is introduced, then engineering training plan which matches the concept of CDIO based on robot soccer competition system is built to improve the ability of “solving complex engineering problems” for undergraduates. Finally, The key technologies and the training Content in the scheme are analyzed and discussed in detail. Practice shows that the robot soccer training activities are benefit to improve undergraduate students' engineering innovation and practice ability.

robot soccer; innovative practice; engineering training; engineering talents training

2016-05-20

北京市教師教學(xué)促進-雙培計劃虛擬教學(xué)團隊建設(shè)PXM2016_014224_000048；北京市屬高等學(xué)校青年拔尖人才培育計劃CIT&TCD201404125；北京信息科技大學(xué)2014年教學(xué)改革立項項目2014JG08

陳雯柏(1975-),男，四川廣安人，博士，副教授，中國人工智能學(xué)會理事、機器人文化藝術(shù)專業(yè)委員會副主任委員、青年工作委員會副主任委員，，北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院副院長，從事人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、智能機器人方面的教學(xué)與科研。

Tel.:010-82427155；E-mail:chenwb@bistu.edu.cn

G 642.4

A

1006-7167(2017)05-0228-04