足球机器人的研究现状及发展

1足球机器人的研究现状及发展摘要:足球可谓是全球最受欢迎的运动。随着机器人技术的不断进步，让机器人也会踢足球不再是天方夜谭。当前的足球机器人虽然不能完全像人一样比赛，但在足球的基本功如快速移动、传球、射门、甚至相互配合方面已取得了令人惊叹的成就。机器人足球系统的研究涉及非常广泛的领域，包括机械电子学、机器人学、传感器信息融合、智能控制、通讯、计算机视觉、计算机图形学、人工智能等等，吸引了世界各国的广大科学研究人员和工程技术人员的积极参与。为了促进足球机器人技术的发展，FIRA国际机器人足球联合会和ROBOTCUP国际机器人足球世界杯赛等机器人足球赛事组织先后成立。本文将简要阐述足球机器人的基本原理，介绍世界各国对足球机器人系统的最新研究成果，并展望足球机器人的前景。关键词：足球机器人、智能、子系统、结构一、足球机器人系统简介足球智能机器人系统是多个机器人活动在一个实时、噪声以及对抗性的复杂环境下，通过协作、配合朝一个共同的目标行动。它包括：智能机器人系统、智能体数据结构设计多智能系统、实时图像处理与模式识别、移动机器人技术、机器的传动与控制、传感器与数据融合和无线通讯等等。中型组足球机器人比赛是近几年国内外新兴一个组别，它要求多个机器人在完全自主的状态下完成控球，传球，配合，射门等动作，相当于一个分布式多智能体控制系统。其中需要解决的关键问题包括，图像采集以及信号处理，路径规划，无线通讯，控制决策，多传感器信息融合等技术。足球机器人系统大致由四个子系统构成：实时多目标跟踪的视觉子系统,基于人工智能的决策子系统，无线通讯子系统，机器人小车子系统。2二、足球机器人硬件结构分析以小型足球机器人为例，其硬件根据功能划分,主要由6部分组成:行走机构、击球机构、带球机构、电路部分(决策,控制和通信等电路)、电源装置及辅助部分(小车底盘,外罩)。2.1行走机构小型足球机器人小车通常有两轮式、三轮式或履带式。两轮式通常在底板前后位置加减磨片,三轮式有一个轮子作为转向轮。一般轮子转向与行走的方向一致。近年来出现了较为先进的拟人型足球机器人，用两条腿行动。2.2击球机构实现在合适位置时,对球产生瞬时撞击的射门动作。这样的机构要求不需要击球时,机构回收,有锁定装置,到击球时能在规定时间内完成击球并迅速收回。目前采用的机构主要由电机,蜗杆蜗轮,扇形齿轮,齿条击杆和压簧组成。其原理是:不击球时,电机不转,蜗杆蜗轮由于自锁性,保持击杆处于回收状态,当需要击球时,控制信号让电机转动,带动蜗杆蜗轮转动,和蜗轮共轴的扇形齿轮与齿条脱离啮合,与齿条固连的击杆受弹簧力作用而击球,当扇形齿轮转过一定的角度时,扇形齿轮与齿条又进入啮合,齿条击杆被拉回,到后极限位置时,弹簧处于接近最大压缩状态,位置检测开关发出信号,使电机停转,依靠蜗杆蜗轮的自锁,保持电机停止转动时,击杆保持在回收状态。2.3带球机构实现小车在前进,转弯和后退3种状态下带球。带球功能要达到很理想的程3度比较困难,原因是比赛规则要求球体积的80%裸露在外,而且有连续持球的时间限制;运动中带球有速度匹配的问题;因此不能采用抱球的机构。带球的原理是:用2个具有一定弹性的滚轮与小球发生滚动式接触,靠接触摩擦力产生的转矩,使球滚动前进。2.4电路部分设计上主要考虑元器件尽可能的对称布置,开关放置位置便于操作,连接器位置要考虑连线长度,插拔方便。电路板形状,安装孔位置等。2.5电源装置首先考虑电源类型,然后是电源位置,固定等,由于机器人比赛耗电量大,使用频率高,一般选用充电电池组成的电池组,并使用2组,以保证有足够的能量打完比赛。2.6辅助部分底盘是各个模块连接的平台,彼此不能有空间位置上的干涉,要有足够的强度,同时又要减轻重量。一般材料选用较轻的硬铝,这样大大减轻了底盘质量。外罩是用来封闭小车内部结构,保护内部元器件,承受一定的撞击,为了更换电池等操作的方便,我们将外罩设计成分体式,下外罩要能承受一定冲击,上外罩则不能屏蔽信号的发送与接受,用轻质材料,同时结构上要考虑传感器的布置,电源总开关的位置和外罩的固定。三、足球机器人子系统概括的说，机器人小车应能准确地接收上位机指令，并根据指令要求迅速完成决策子系统的意图（带球，射门，拦截等战术动作）。小车的典型结构如图3-1所示，小车主要由微控制器、电机和电机驱动、速度检测、通讯单元和电源五个部分构成。4图3-1足球机器人小车的典型结构3.1微控制器要实现高智能，高性能的CPU是必需的。当前国内和国际的机器人队选用的CPU主要有以下5种：89C51或89C52、80C196KC、80C296SA、TMS320F240和H8/3062F。为了满足足球机器人比赛的要求，机器人小车的运动性能显得尤为重要。机器人小车应具备高度的机动性和灵活性，能够快速实现前进后退，转角，停车等基本动作。采用DSP芯片--TMS320F240是一个不错的选择。TMS320F240可以实时地完成许多移动机器人的复杂控制算法(如模糊控制)，另外，DSP的运算速度是单片机无法比拟的，即使在很复杂的控制中，采样周期也可以取得很小，控制效果更接近连续控制。3.2电机和电机驱动MiroSot系列的足球机器人小车大多采用双轮双电机驱动的方式。现在国际上绝大多数的机器人小车采用高性能的直流伺服电动机，但也有少数队采用步进电动机，如韩国的Maskoro，它们的守门员和两个进攻队员采用不同的机械和电机结构。守门员用的是步进电动机--NK243，车体尺寸较大，而其它队员采用直流电动机，车体尺寸较小。与步进机相比，直流机具有更小的体积和更少的功率消耗。脉冲宽度调制（PWM）主要应用在直流伺服控制系统中，随着电力电子技术的发展，PWM技术也日趋成熟和完善。PWM驱动装置是利用晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通”与“断开”时间的长短，通过改变伺服电动机电枢上的电压“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。3.3速度检测单元整个足球机器人小车子系统是一个转速负反馈闭环调速系统，主要由速度PID控制器、PWM产生环节、功率驱动和速度反馈四个部分组成。3.4通讯单元根据MiroSot比赛规则的要求，上位机与机器人小车之间必须采用无线通讯的形式。在一般的的足球机器人系统中，上位机与机器人小车之间采用单向串行通讯的方式，主机的控制指令数据通过计算机的串行口送至单片机，单片机将5接收的数据进行频率和格式的转换，再送给无线通讯模块，经过调制后发射出去，机器小车的车载通信模块接收并解调然后传送给车载微处理器（TMS320F240）。3.5电源单元机器人小车是无线移动小车，因此需要有车载电源。其能量应至少保证半场比赛的需要（5分钟）。通常都是选择可充电的电池。采用的一块8.4V的Ni-MH电池组为两个直流电动机和车载电路板供电。通常电机和电路对电压的要求不同。车载电路采用5V电压供电，电流一般不大，几十个毫安，而电机的供电电压和电流则要求范围较宽，消耗的电流较大。四、足球机器人视觉子系统就基于视觉的足球机器人来说，视觉子系统是其“大脑”──决策子系统的唯一信息来源。它的主要任务是实时采集比赛场地的图像，然后自动处理、分析和理解图像，因此而获得场上运动物体(比赛双方的机器人小车，小球)的位置、运动方向、速度等信息，并将这些信息提供给决策子系统进行分析、决策使用。视觉子系统作为整个足球机器人系统的检测机构，是它的“眼睛”。足球机器人视觉子系统所处理的是比赛场地的彩色图像，球场背景为黑色，球门等标志线条为白色，“足球”为橘红色小球，比赛双方的小车均用不同的颜色(每种颜色全场唯一)进行标识。视觉子系统主要是通过分析这样的彩色图像来向决策子系统提供信息的。彩色图像是由很多彩色象素组成，象素是图像中的可区分的最小单元。一帧分辨率为640×480的彩色图像包含300KB(千字节)个象素。每个彩色象素是用三个八位二进制数(三个字节)表示，分别对应象素红、绿、蓝三基色的亮度。一般的图像采集设备可以达到每秒25(或30)帧，即每秒22(或27)兆字节信息。要想圆满完成各项任务，视觉子系统在高精度要求基础上，还要有真正实时性。基于彩色识别的视觉子系统的实现原理(工作过程)，可用图4-1演示说明。6图4-1基于彩色识别的视觉子系统的实现原理五、足球机器人决策子系统智能足球机器人的控制系统，也就是决策系统，包括数据预处理，机器人的路径规划等等，还需要控制程序的良好设计，使得机器人接收各处传来的信息，并及时完成信息的处理，自主决策与其它队友协调运动连贯顺利。决策系统是整个系统的核心部分，它主动完成知识提取并确定机器人的协同任务。目前对足球机器人系统决策策略的研究都是采用物理上甚至逻辑上完全集中式的协调方式，决策模型都是以计算机为载体的，所有的决策任务都是在计算机内完成，然后机器人进行执行。此外还包括电池、电源管理单元、可编程控制器单元、输入输出I/O单元、马达驱动单元、左轮马达与右轮马达及若干传感器；所述的电池连接电源管理单元并通过其向所述的可编程控制器单元、输入输出I/O单元供电，该电池还单独连接所述马达驱动单元，并通过其向所述左轮马达与右轮马达供电；所述的电源管理单元设有一保护电路。此种方法的优点在于，智能足球机器的控制系统的电路简化、马达响应速度更快、马达与可编程处理器分开供电，可编程、智能化、工作可靠。系统的电源由串联蓄电池提供，经过一块单输入多输出的DC-DC电压转换模块为整个系统提供所需电压。另外还应具有上位机系统，作为上位机它主要负责整个系统的控制决策，包括多传感器的信号融合，数字图像处理以及行动路径规划。超声波阵列配合全景视觉模块完成机器人的避障和运动识别功能。总之，决策系统在足球机器人的行为中扮演着重要的角色，相当于机器人的大脑中枢，控制着机器人的一切行动。7六、足球机器人通信子系统最后讨论的是机器人的通信系统，其中无线通信系统是衔接主机和底层机器人不可缺少的一环，它必须保证从主机端到机器人底层之间的数据传送是可靠的，从而使得机器人比较能够顺利流畅进行。由于机器人自身的负重能力有限，因此通过无线通信方式，借助外部计算机和工作站处理传感器信息成为一种可行高效的方法。无线通信系统的性能相当程度上直接影响着机器人的场上表现。机器人的通信需要解决对话管理、通信语言和通信协议等几个问题，还有发送端和接收端系统的硬件设计和实现及其软件设计。机器人的通信过程大致为首先通过计算机编码器进行编码，然后通过发射端进行无线电发射，机器人的接受端接收后进行解码以及决策。通信不仅通过无线方式，还可以依赖于机器人自带的视觉传感器，通过对场上情况的记录与分析，得到可行决策。由于比赛双方都有多个机器人同时在场地上跑动，要求无线通信有一定的抗干扰性。故对于无线通信系统的电路设计要求较高，设计过程必须考虑到信号之间的互相干扰，并在最大程度上减少这种干扰。除了计算机与机器人之间的通信，还可以运用机器人之间相互的通信，这种通信智能化程度更高，由于比赛时多个足球机器人的共同配合和协调完成的，故它们之间的“交流”也是非常重要的。随着科技的发展，以后的通信不再仅仅依靠无线电，还可以进行语音识别，通过声波等进行通信。虽然复杂性有所提高，但是简便灵活高效的通信方式必定成为主导。七、机器人足球比赛系统以MiroSot机器人足球比赛赛场为例，其全视图如图7-1所示。比赛由两支球队参加，足球机器人比赛在150cm×130cm场地上进行，双方各有三台小车参赛。由位于赛场上方约两米的地方的摄像头进行图像采集，捕获赛场图像信息并传送给主机，由主机对图像进行分析以辨识场上局势，并根据分析结果选择控制策略确定如何控制小车，再通过无线通讯将控制命令发送给各个小车，最后，由小车完成场地上的比赛任务。中间的下方是比赛场地，场中的机器人接收上位机发送过来的指令。一旦比赛开始，则双方的操作员就不能再进行干预了，双方足球机器按照一定的规则进行公平比赛，直到裁判员吹口哨暂停比赛。8图7-1MicroSot机器人足球比赛赛场微型机器人