金亦挺，張宇健

(浙江工業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310000)

0 引言

電子信息類課程本身難度較大，加上硬件設(shè)備和操作場景的限制，影響到了學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，給實踐教學(xué)提出了較大的挑戰(zhàn)[1]。大學(xué)生除了要學(xué)會解決復(fù)雜工程問題，還要具備團(tuán)隊溝通和協(xié)作創(chuàng)新的能力，所以如何設(shè)計既有較強(qiáng)的應(yīng)用背景又能增強(qiáng)學(xué)生動手能力的綜合實訓(xùn)平臺，已經(jīng)是一個重要的課題[2-3]。

目前機(jī)器人在各個領(lǐng)域的應(yīng)用中需求越來越大，國家對于機(jī)器人的研發(fā)和投入也逐漸加大[4]。要加快機(jī)器人的研發(fā)，實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和突破，最好從高校抓起。目前，機(jī)器人已經(jīng)是高校大部分智能綜合實訓(xùn)平臺的核心部件[5-6]。其中足球機(jī)器人更是一個非常好的載體[7-8]，因為它集合了圖像處理、自動決策[9]、路徑規(guī)劃[10]以及自主避障等功能于一身，并涉及到計算機(jī)、電子電路、自動化等多門學(xué)科知識?，F(xiàn)在基于足球機(jī)器人的比賽日益增多，比如近年來火熱發(fā)展的RoboCup足球機(jī)器人比賽等[11,12]。

綜合上述分析，本文進(jìn)行了小型足球機(jī)器人綜合實訓(xùn)平臺設(shè)計，該平臺結(jié)合了計算機(jī)、機(jī)電、機(jī)械等專業(yè)知識，并將圖像處理、信號傳輸、機(jī)電控制等知識點(diǎn)融入其中。

1 足球機(jī)器人實訓(xùn)平臺整體設(shè)計

小型足球機(jī)器人綜合實訓(xùn)平臺主要由如下五部分組成：機(jī)器人本體系統(tǒng)，視覺識別系統(tǒng)，決策調(diào)度系統(tǒng)，無線通信系統(tǒng)以及場地運(yùn)行系統(tǒng)，平臺的整體框架如圖1所示。

圖1 平臺整體框架圖

⑴機(jī)器人本體系統(tǒng)就是足球機(jī)器人本身，是整體系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本文選擇的足球機(jī)器人安裝了四個全向輪，同時配有控球、擊球機(jī)構(gòu)，通過控球桿與球面的摩擦力，帶動小球反向轉(zhuǎn)動而不脫離機(jī)器人，擊球則是利用電磁線圈產(chǎn)生的電磁場吸引擊球機(jī)構(gòu)向前移動從而將球擊出。

⑵視覺識別系統(tǒng)相當(dāng)于是足球機(jī)器人的眼睛，這也是它獲取數(shù)據(jù)的主要來源，我們在場地上方布置兩個攝像頭來采集信息，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭曈X服務(wù)器上的采集卡中，由視覺處理軟件對兩個攝像頭獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、分析、識別，最后將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)經(jīng)Q策調(diào)度系統(tǒng)。

⑶決策調(diào)度系統(tǒng)相當(dāng)于是足球機(jī)器人的大腦，在接收視覺識別系統(tǒng)傳來的信息后，從中獲取到場上足球機(jī)器人的信息，球的位置、運(yùn)動方向以及整體場地情況，決策調(diào)度系統(tǒng)隨即做出對應(yīng)的決策指令。

⑷無線通信系統(tǒng)相當(dāng)于是足球機(jī)器人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過交換機(jī)將視覺機(jī)、決策機(jī)、裁判盒組成局域網(wǎng)，決策機(jī)通過無線發(fā)射機(jī)與機(jī)器人進(jìn)行雙向通訊。

⑸ 場地運(yùn)行系統(tǒng)則提供了一個長寬為10.4m*7.4m 的場地，兩個球門，以及其他配套設(shè)施，滿足機(jī)器人運(yùn)行的必要環(huán)境。

總的來說，足球機(jī)器人實訓(xùn)平臺的整體框架是：先由場地運(yùn)行系統(tǒng)為整體系統(tǒng)運(yùn)行提供基礎(chǔ)環(huán)境，接著視覺識別系統(tǒng)采集機(jī)器人和球的位置及運(yùn)動狀態(tài)信息，經(jīng)分析和處理后傳送給決策調(diào)度系統(tǒng)，決策調(diào)度系統(tǒng)對接收到的信息進(jìn)行推理決策后，將決策指令通過無線通信系統(tǒng)傳輸給機(jī)器人本體系統(tǒng)，機(jī)器人收到指令后，執(zhí)行相應(yīng)的策略。其中決策調(diào)度系統(tǒng)是連接視覺識別系統(tǒng)和機(jī)器人本體系統(tǒng)的關(guān)鍵，機(jī)器人的所有戰(zhàn)術(shù)策略都是由決策調(diào)度系統(tǒng)發(fā)起，對于這么一個復(fù)雜的系統(tǒng)，如何讓各個子系統(tǒng)各司其職，并且協(xié)調(diào)統(tǒng)一的去完成任務(wù)，就是讓學(xué)生去學(xué)習(xí)和挑戰(zhàn)的地方。

2 足球機(jī)器人實訓(xùn)平臺具體設(shè)計

2.1 機(jī)器人本體系統(tǒng)

機(jī)器人本體系統(tǒng)是足球機(jī)器人實訓(xùn)平臺的主體機(jī)構(gòu)，因為機(jī)器人在足球比賽中需要快速反應(yīng)，并且要具備極高的移動靈活性，所以實訓(xùn)平臺選擇了RoboCup小型足球機(jī)器人[13]，如圖2所示。

圖2 RoboCup足球機(jī)器人

RoboCup 小型足球機(jī)器人有四個全向輪，保證了機(jī)器人移動的穩(wěn)定性，也保證了機(jī)器人在平面上的全向移動、原地旋轉(zhuǎn)，它主要分為三個部分：機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣結(jié)構(gòu)和程序結(jié)構(gòu)。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分涉及運(yùn)動機(jī)構(gòu)的相互配合，來完成機(jī)器人基本功能與框架，電氣結(jié)構(gòu)部分通過電路實現(xiàn)對各個機(jī)械結(jié)構(gòu)的信息采集及傳輸，程序結(jié)構(gòu)部分是在機(jī)械與電氣的基礎(chǔ)上完成底層控制算法，機(jī)器人本體系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)器人本體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 視覺識別系統(tǒng)

機(jī)器人視覺識別系統(tǒng)是整個系統(tǒng)獲取外界信息的主要部件，它由攝像頭，圖像采集卡和軟件三部分構(gòu)成。視覺識別系統(tǒng)的主要任務(wù)是：利用視覺識別算法獲取到機(jī)器人和小球的位置及其運(yùn)動信息，然后將信息處理后的結(jié)果提交給決策調(diào)度系統(tǒng)。足球機(jī)器人頂部中間位置貼有藍(lán)色或黃色色標(biāo)，用來區(qū)分不同隊伍車輛，在同一隊伍內(nèi)，采用不同的粉色和綠色組合，來代表同一隊的不同車號，視覺識別系統(tǒng)的任務(wù)之一就是通過識別機(jī)器人頂部的色標(biāo)來判斷機(jī)器人所屬隊伍及其車號，如圖4所示。

圖4 色標(biāo)與車號對應(yīng)圖

在視覺識別系統(tǒng)中，我們可以引入圖像處理、物體識別等知識，設(shè)計與之相關(guān)的實驗，引導(dǎo)學(xué)生思考計算機(jī)是如何對圖像進(jìn)行分析和識別的。

2.3 決策調(diào)度系統(tǒng)

決策調(diào)度系統(tǒng)的主要工作是在接收到視覺識別系統(tǒng)傳來的場地信息后，通過判斷場上形勢，決策出最佳策略來指導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行后續(xù)動作。即在得到己方機(jī)器人、對方機(jī)器人、球的位置和運(yùn)動信息后，采用匹配最近鄰算法[14]進(jìn)行相應(yīng)的路徑規(guī)劃，并做出最佳決策調(diào)度策略，然后將制定好的策略任務(wù)通過無線通訊系統(tǒng)發(fā)送給各個機(jī)器人。

綜合實訓(xùn)平臺的決策調(diào)度框架采用基于有限狀態(tài)機(jī)的多機(jī)器人協(xié)作分層決策框架[15]，即B-PAS(Baysbased Play Agent and Skill)，由Play 層、Agent 層和Skill 層組成，分別負(fù)責(zé)單個機(jī)器人的運(yùn)動控制、角色匹配和任務(wù)分配以及單個機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃，決策調(diào)度框架如圖5所示。

圖5 決策調(diào)度框架圖

綜合實訓(xùn)平臺還提供了一個Linux 系統(tǒng)的足球仿真系統(tǒng)，學(xué)生可以通過此平臺編寫相應(yīng)的策略代碼，戰(zhàn)術(shù)腳本，通過仿真系統(tǒng)可以迅速進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試，仿真系統(tǒng)執(zhí)行代碼策略并通過無線發(fā)射器對足球機(jī)器人進(jìn)行控制，可以實時的進(jìn)行調(diào)試，使得代碼的編寫和改進(jìn)更加便捷快速。另外本文在綜合實訓(xùn)平臺日常實驗和參與各種賽事經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)出幾種進(jìn)攻防守策略，如角球進(jìn)攻策略，中場預(yù)測防守策略以及后場盯人防守策略，具體如下。

⑴角球進(jìn)攻策略

由于角球進(jìn)攻情況多樣，為了應(yīng)付各種情況，我們將角球進(jìn)攻策略一分為三。策略一：當(dāng)?shù)捉锹穹鼨C(jī)器人前方?jīng)]有機(jī)器人防守時，發(fā)球機(jī)器人會選擇一個挑球動作，當(dāng)球滾到埋伏機(jī)器人前方時，會采取直接射門方式，由于守門機(jī)器人會優(yōu)先朝向發(fā)球機(jī)器人，因此埋伏進(jìn)攻的機(jī)器人有很大概率進(jìn)球。策略二：當(dāng)1 號機(jī)器人前有機(jī)器人防守，無法采取直接射門方式，我們安排另一個2 號機(jī)器人埋伏在中線，當(dāng)發(fā)球機(jī)器人發(fā)出球后，1 號機(jī)器人會撤退，帶出敵方防守機(jī)器人，2 號機(jī)器人將加速向前，跑向原1 號機(jī)器人位置上射門。策略三：若以上兩個策略都被限制時，發(fā)球機(jī)器人會選擇傳球給中路，中路機(jī)器人接應(yīng)并伺機(jī)選擇機(jī)會進(jìn)攻。在大量實驗測試中，執(zhí)行這種多策略角球進(jìn)攻方法，角球進(jìn)球率能大大提高。

⑵中場預(yù)測防守策略

對于中場防守，我們采取的更多是保守策略，由于中場的敵方機(jī)器人威脅性不大，因此我們采取的方式主要是在后場防守，防止敵方的猛攻。然而，當(dāng)有一個敵方機(jī)器人越過離中線50cm處時，我方會有一個機(jī)器人上前盯防，其余機(jī)器人堵在球與球門的連線上，防止敵方機(jī)器人射門，經(jīng)實際驗證，此策略能有效降低敵方中場直接射門成功率，如圖6所示。

圖6 中場預(yù)測防守圖

⑶后場盯人防守策略

當(dāng)敵方機(jī)器人進(jìn)入后場，這對于我方的威脅是最大的，因此我們采用直接盯人的方式進(jìn)行處理，只要有一個機(jī)器人出現(xiàn)在后場，就必有一個機(jī)器人出現(xiàn)盯防，其余機(jī)器人圍堵在球與球門的連線上，防止射門。這種后場壓迫式防守，對于對方的進(jìn)攻能起到很好的防守效果。

2.4 無線通訊系統(tǒng)

無線通信系統(tǒng)主要的工作就是將決策調(diào)度系統(tǒng)制定出來的策略準(zhǔn)確無誤的傳送給每個足球機(jī)器人，所以它的執(zhí)行效率也至關(guān)重要，保證它的穩(wěn)定性，機(jī)器人才能正確的執(zhí)行任務(wù)。本文設(shè)計的實訓(xùn)平臺的無線通訊系統(tǒng)采用發(fā)射機(jī)作為通訊硬件來給足球機(jī)器人傳達(dá)指令，采用1對N 的廣播方式，即使用一臺發(fā)射機(jī)以一定頻率給場上的N臺足球機(jī)器人同時傳送其對應(yīng)的策略，每個足球機(jī)器人本體上都裝有無線接收裝置來接收發(fā)射機(jī)傳送來的指令數(shù)據(jù)，然后實時的根據(jù)指令數(shù)據(jù)去做出即時的應(yīng)對操作。這樣的通訊系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)，功耗小，傳輸速度快等特點(diǎn)。同時，為了方便管理兩只球隊對抗時的場景，本實驗平臺提供了裁判盒機(jī)制，裁判盒通過局域網(wǎng)連接雙方球隊的主機(jī)，并根據(jù)規(guī)則執(zhí)行相應(yīng)的腳本策略，此外裁判盒還可以與視覺系統(tǒng)相連，自動判斷場上的犯規(guī)行為，裁判盒的加入，大大提升了比賽的流暢性，同時也增加了平臺的可玩性。

2.5 場地運(yùn)行系統(tǒng)

場地運(yùn)行系統(tǒng)是給足球機(jī)器人運(yùn)行提供必要的環(huán)境。本文設(shè)計的實訓(xùn)平臺場地大小為10.4m*7.4m，場地表面由綠色氈墊覆蓋，禁區(qū)置于球門前、與底線相接并位于底線中央的區(qū)域。球門分別放置在兩條底線的中央位置，它是由兩個0.16m 高的垂直側(cè)壁連接一個0.16m 高的垂直后壁組成，球門側(cè)壁間的距離為1m，球門深度為0.18m，球門墻壁的厚度為0.02m，球門的表面、邊緣及頂部均為白色，球門的內(nèi)表面應(yīng)該覆蓋泡沫等材料以吸收球的沖擊力和降低偏轉(zhuǎn)速度等，如圖7所示。

圖7 綜合實訓(xùn)平臺場地圖

3 結(jié)束語

本文將小型足球機(jī)器人引入綜合實訓(xùn)平臺中，并設(shè)計了圖像處理、物體識別、路徑規(guī)劃、策略分析等實驗。試用表明，該平臺能很好的促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)學(xué)生的動手能力，讓學(xué)生能將日常課堂學(xué)習(xí)到的專業(yè)知識綜合的結(jié)合起來，并且該綜合實訓(xùn)平臺在學(xué)院內(nèi)也已經(jīng)成立了小型足球機(jī)器人團(tuán)隊，參與國內(nèi)各項賽事中也取得了眾多的獎項。

最后，實訓(xùn)平臺在實際應(yīng)用過程中，還有待進(jìn)一步改進(jìn)，例如，如何提升機(jī)器人對球的落地點(diǎn)的預(yù)判能力，如何結(jié)合機(jī)器人現(xiàn)有運(yùn)動趨勢來更好的進(jìn)行路徑規(guī)劃，以及如何設(shè)計更多與計算機(jī)應(yīng)用場景相關(guān)的實驗，讓學(xué)生們能夠更好的發(fā)揮出他們的創(chuàng)新性等。