一種全景相機(jī)足球競(jìng)賽機(jī)器人

錢炳鋒，孫以澤，蔡咸健

(1 東華大學(xué),上海 201620； 2.上海電機(jī)學(xué)院,上海 201306; 3.上海未來(lái)伙伴機(jī)器人有限公司,上海 200030)

0 引 言

機(jī)器人足球是人工智能和智能機(jī)器人學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)具有標(biāo)志性和挑戰(zhàn)性的課題[1-2]，機(jī)器人足球世界杯(RoboCup)由Kitano等提出[3]，吸引了不少高校和科研單位響應(yīng)，全景相機(jī)足球競(jìng)賽機(jī)器人是相關(guān)研究成果。全景相機(jī)足球競(jìng)賽機(jī)器人采用全分布式和全自主控制，本體攜帶競(jìng)賽所需的各個(gè)子系統(tǒng)，其中包括全向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、全景視覺(jué)定位系統(tǒng)、盤球及射門系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)等，感知信息的采集、處理也都由機(jī)器人的便攜式計(jì)算機(jī)完成，每臺(tái)競(jìng)賽機(jī)器人的交互信息都統(tǒng)一匯總到主控PC端，經(jīng)策略模型處理后分發(fā)至每臺(tái)機(jī)器人上，完成機(jī)器人的閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制。本文將對(duì)競(jìng)賽機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、全景定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)、策略控制系統(tǒng)做重點(diǎn)介紹。

1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人本體

機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)器人的骨架，也是足球競(jìng)賽機(jī)器人控制的基礎(chǔ)。目前，大多競(jìng)賽隊(duì)伍采用三輪全向或者四輪全向運(yùn)動(dòng)底盤，其特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)在競(jìng)賽地形中任意角度或曲率的運(yùn)動(dòng)合成，較之雙輪式差速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，還具備響應(yīng)快速的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用三輪底盤；盤球機(jī)構(gòu)主要通過(guò)兩個(gè)盤球電機(jī)實(shí)現(xiàn)旋球式帶球；射門機(jī)構(gòu)一般分氣動(dòng)射門和電磁射門兩類，在能源一定的情況下，采用氣動(dòng)射門能有效減少電能的損耗，從而增加射門次數(shù)。本文采用氣動(dòng)射門機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。足球機(jī)器人本體如圖1所示。

圖1 足球機(jī)器人本體

1.2 全向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

全向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由安裝在底板上的3個(gè)全向輪組成，每個(gè)全向輪通過(guò)電機(jī)經(jīng)減速器輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，提供足夠的驅(qū)動(dòng)力。三個(gè)全向輪通過(guò)運(yùn)動(dòng)合成，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人以一定的速度在不同的地面運(yùn)動(dòng)。三個(gè)電機(jī)通過(guò) DSP 控制電機(jī),另一端直接與編碼器相連，通過(guò)編碼器進(jìn)行速度反饋，構(gòu)成伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。在每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪相應(yīng)位置處，安裝有防撞塊，以保護(hù)全向輪在機(jī)器人對(duì)抗中不被撞壞。圖2為三輪全向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖。

圖2 全向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

1.3 主動(dòng)盤球機(jī)構(gòu)

盤球輪在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)盤球電機(jī)通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)換器組件連接于滑塊上，滑塊可在直線導(dǎo)軌上上下移動(dòng)，拉力彈簧產(chǎn)生的拉力與滑塊及盤球電機(jī)組件的自重保持動(dòng)態(tài)平衡，直線導(dǎo)軌與立柱相連接，立柱安裝于底板上。通過(guò)對(duì)盤球電機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)，使得盤球輪胎與球之間保持適當(dāng)?shù)淖饔昧?，盤球輪胎對(duì)球的壓力與盤球電機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)場(chǎng)地的實(shí)際情況由使用者調(diào)節(jié)(如果球在盤球輪胎驅(qū)動(dòng)下自行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在機(jī)器人帶球運(yùn)動(dòng)中以不持球?yàn)閴毫m中)，電機(jī)與盤球輪胎之間通過(guò)連接軸套和螺釘固定。氣動(dòng)裝置和氣缸連接，通過(guò)電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)合控制。相關(guān)機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主動(dòng)盤球機(jī)構(gòu)

足球受力分析如圖4所示。盤球機(jī)構(gòu)與足球受力分析如下：P為盤球輪施加給球的正向壓力，f為盤球輪對(duì)球的摩擦力，F(xiàn)為地面摩擦力，N為地面支撐力，θ為盤球輪與足球接觸點(diǎn)與球心的連線和水平面的夾角，G為足球所受重力，R為足球半徑。

圖4 足球受力分析

在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，足球應(yīng)在P，f，F(xiàn)，N，G的作用力下保持平衡，有如下力學(xué)平衡關(guān)系：

∑X=-F-fsinθ+Pcosθ=0

∑Y=-Psinθ-fcosθ-G+N=0

∑M=(f-F)R=0

2 足球機(jī)器人電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)是足球機(jī)器人的控制核心，主要分便攜式主控和DSP運(yùn)動(dòng)控制兩部分。DSP運(yùn)動(dòng)控制板，可以處理實(shí)時(shí)性要求高的電機(jī)閉環(huán)控制以及電子羅盤、紅外測(cè)距、編碼計(jì)數(shù)等傳感單元，將信息通過(guò)485通訊線和便攜式主控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。便攜式主控計(jì)算機(jī)通過(guò)信息融合并對(duì)上層圖像數(shù)據(jù)處理，利用決策模塊實(shí)現(xiàn)每臺(tái)足球競(jìng)賽機(jī)器人的策略控制，實(shí)現(xiàn)各機(jī)器人之間的場(chǎng)位配合。電控系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 足球機(jī)器人電控系統(tǒng)框圖

3 視覺(jué)標(biāo)定系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)在競(jìng)賽過(guò)程中全場(chǎng)實(shí)時(shí)定位，采用折反射式全向視覺(jué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)被廣泛用于機(jī)器人視覺(jué)定位導(dǎo)航中[4-5]。折反射式全向視覺(jué)系統(tǒng)可以通過(guò)鏡面將場(chǎng)地全景輸入到計(jì)算機(jī)中，它的組成主要是工業(yè)攝像機(jī)和360°的水平視角的全向反射鏡面。鏡面的曲率設(shè)計(jì)可以覆蓋10 m范圍內(nèi)環(huán)境的圖像序列讀取，滿足競(jìng)賽要求。

全向視覺(jué)在使用前需要對(duì)距離進(jìn)行標(biāo)定，假定攝像機(jī)主軸和全向反射鏡面中心軸相重合，且鏡面具有各向同性[6]。它的標(biāo)定方法：選擇一塊由黑白相間的色塊組成條形標(biāo)定板，在尾端加上橙色色標(biāo)，根據(jù)系統(tǒng)所使用的全向反射鏡面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和標(biāo)定的精度要求設(shè)定各色塊寬度[7]，使所得成像寬度適中，如圖6所示。其中圖6(a)為圖像標(biāo)定板，圖6(b)為全景圖像的邊緣提取結(jié)果，圖6(c)為標(biāo)定數(shù)據(jù)。

標(biāo)定結(jié)果保存在DisRecord.txt文本中，左邊一列是像素點(diǎn)，右邊一列是對(duì)應(yīng)的距離。隨著距離的增加，像素點(diǎn)的差值應(yīng)該逐漸減小，如果發(fā)現(xiàn)標(biāo)定完的像素點(diǎn)的差值是逐漸增大的話，說(shuō)明標(biāo)定的過(guò)程中可能出現(xiàn)了錯(cuò)誤，需要重新標(biāo)定。

(a) 圖像標(biāo)定板 (b) 邊緣提取結(jié)果 (c) 標(biāo)定數(shù)據(jù)

圖像采集的關(guān)鍵是視覺(jué)系統(tǒng)的目標(biāo)識(shí)別對(duì)當(dāng)前光線具有較強(qiáng)的魯棒性。選擇場(chǎng)地在室內(nèi)環(huán)境，通過(guò)把不同參數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定好，自動(dòng)調(diào)節(jié)攝像機(jī)的圖像采集參數(shù)，使輸出圖像能夠在不同的光線條件下仍然可能描述真實(shí)的場(chǎng)景。

從成像模型和對(duì)應(yīng)參數(shù)ε的取值范圍可以分析得出，表1中的視覺(jué)系統(tǒng)和上述統(tǒng)一球面投影機(jī)理相適合。由此不難發(fā)現(xiàn)，相關(guān)研究是適用于其他相機(jī)模型的標(biāo)定問(wèn)題的。

表1 全向視覺(jué)系統(tǒng)的參數(shù)性質(zhì)

4 圖像處理流程

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別系統(tǒng)框圖如圖7所示。利用折返式全景相機(jī)采集序列圖像，并通過(guò)上位機(jī)編程實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景中對(duì)運(yùn)動(dòng)球體、邊界、門欄的檢測(cè)與識(shí)別。由機(jī)器人的便攜式計(jì)算機(jī)，將全景相機(jī)采集回的序列圖像進(jìn)行預(yù)處理，并對(duì)運(yùn)動(dòng)的球體及機(jī)器人目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。由于球體和機(jī)器人均有明顯的顏色特征標(biāo)識(shí)，采用基于特征提取的目標(biāo)識(shí)別可以完成對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的跟蹤[9]。

圖7 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別系統(tǒng)框圖

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，RoboCup所用機(jī)器人比賽的智能化程度不斷提高，對(duì)抗速度也是逐年提高，在機(jī)械、電控、軟件策略上穩(wěn)定性越來(lái)越好。如Tech United隊(duì)已經(jīng)做到射門角度可以調(diào)節(jié)，NuBot隊(duì)提出的基于圖像[10]的相機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)模型，已經(jīng)運(yùn)用到實(shí)際的比賽中。而競(jìng)賽機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)正越來(lái)越多的用到人們的生活當(dāng)中，隨著人工智能發(fā)展規(guī)劃于2017年正式由國(guó)家提出，其涉及的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、機(jī)器視覺(jué)、算法實(shí)現(xiàn)將可以應(yīng)用到更多的技術(shù)領(lǐng)域。