基于足球比赛的机器人体系结构分析

2013-07-14张建峰禹谢华陈天送黄俊文陈卫明陈美茸

赤峰学院学报·自然科学版 2013年17期

关键词：足球比赛通讯子系统

张建峰，禹谢华，陈天送，黄俊文，陈卫明，陈美茸

（福建师范大学闽南科技学院，福建泉州362332）

基于足球比赛的机器人体系结构分析

张建峰，禹谢华，陈天送，黄俊文，陈卫明，陈美茸

（福建师范大学闽南科技学院，福建泉州362332）

文章对基于足球比赛的机器人的各个系统构架以及运作流程进行了深入的分析和研究，并对现有的部分设计提出了具体的看法和改进意见，最后指出了机器人足球比赛的下一步研究方向.

机器人；足球比赛；机器人足球；体系结构

如今，随着科学技术的发展，足球机器人已经成为广大科学技术人员的研究热点，并在未来很长一段时期内都将成为广大科研人员们关注的焦点.足球机器人虽小，却五脏俱全，它涉及到计算机技术、通讯技术、传感器技术、控制技术以及人工智能等众多学科领域的关键技术，是一个复杂而又能够体现各个领域综合能力的研究项目.随着FIRA国际机器人足球联合会（Federation of International Robot-soccer Association）和ROBOCUP（Robot World Cup）国际机器人足球世界杯赛事组织的先后成立，对足球机器人技术的发展起到了重大的促进作用.文章以下将对基于足球比赛的机器人的各个系统构架以及运作流程进行深入的研究和探讨.

1 基于足球比赛的机器人体系结构分析

整体上来说，足球机器人一般可分为四个部分，分别是：视觉系统、决策系统、通讯系统和机器人体系统.在这四个系统的研究上就能展现科学技术各个领域的发展情况.如，视觉系统展现的是计算机图形学技术、模数转换技术等；决策系统展现的是智能控制技术、信息处理技术等；通讯系统展现的是传感技术、通讯技术等；机器人体系统展现的是机械电子学技术、机器人学技术等.总的说来，足球机器人的体系构架如图1.1所示.

2 基于足球比赛的机器人体系各功能模块详解

2.1 足球机器人的眼睛：视觉子系统

图1.1 足球机器人的体系构架

视觉子系统是整个系统的信号检测机构，一般可由摄像头、图形采集卡等硬件设备和图象处理软件组成.视觉系统的功能是根据颜色捕获图象和计算位置，实时采集、处理比赛场景，并将辩识数据（双方机器人及球的位姿）提供给决策系统进行分析决策之用.

根据RoboCup中型组的比赛规则，机器人的高度不能高于80cm物体.但实际情况是，在智能中型足球机器人比赛中，常常会有挑起的球高于机器人身高（或摄像头）的情况.在机器人视觉子系统的设计中，通常采用的是全景视觉系统.而全景视觉系统在目标的识别上有一个非常致命的缺陷，即无法识别高于机器人位置的目标，并且带有严重的图像畸变.因此，本研究考虑在全景视觉系统的基础上添加前向视觉系统为辅助的策略，结构如图1.2所示.针对这种情况，我们考虑在足球机器人上加入一个前向视觉系统作为辅助就能在很大程度上弥补了全景视觉系统的缺陷.

图1.2 视觉子系统

视觉子系统对于图像进行处理的整个工作流程，可以分为在线处理和离线处理两种方式：1）在离线方式中，进行复杂图像处理和图像分析，获得目标图像的知识库；2）在在线方式中，利用离线方式获得的目标图像知识库，采用简单的图像处理和识别计算，得到图像中物体的位置和运动信息.具体操作流程图如图1.3所示.

图1.3 视觉子系统的工作流程

2.2 足球机器人的大脑：决策子系统

在机器人足球比赛的整个系统中，决策子系统是整个系统的核心部分，有着承上启下的作用.这一部分上接视觉子系统，下接通信子系统.视觉子系统得到一系列关于赛场上的图像信息数据以及本身的位置等数据，并将其作为输入量发送进入决策子系统.决策子系统将得到的这些信息数据进行计算处理，最终通过无线通信子系统向机器人体子系统发出一系列的指令.而处理器的性能优劣更是会直接影响到比赛的胜负，因此本研究考虑采用DSP处理器，决策子系统工作流程图如图1.4所示.

图1.4 决策子系统

2.3 足球机器人的交流：通信子系统

足球机器人的通信系统一般可分为内部通信和外部通信，内部通信指的是包括传感器模块与机器人体计算机之间的串口通信，运动系统中电动机控制器与机器人体计算机的串口通信等.而外部通信则指的是机器人与机器人之间的通信，彼此交流位置信息、是否持球、是否优先截球、阻拦敌方等.外部通信采用无线通讯方式.主机的控制指令通过计算机的串行口送至通讯板，经过调制后发送出去.机器人的通讯接收器接收信号并解调，然后传送给机器人体微处理器.由于足球机器人的空间有限，本研究考虑采用单向通讯方式.为了提高通讯的质量和速度，就必须精心设计通讯电路及通讯协议.通讯子系统工作示意图如图1.5所示

图1.5 通信子系统工作示意图

2.4 足球机器人的身体：机器人体子系统

对于机器人体子系统，本研究着重分析了其移动方式，带球方式和踢球方式.

2.4.1 移动方式

对于现在足球机器人的发展，全向移动方式将越来越受比赛员的喜爱，因为具有全向移动运动能力的运动系统使机器人可以直接向任意方向做直线运动，相比于差动运动方式，它具有在做直线运动前不需要旋转运动，并且能满足一边做直线运动一边旋转的要求，能够极大的提高足球机器人的灵活性.

2.4.2带球方式

采用两个电机分别驱动两个小轮进行转动.靠两个小轮与足球之间的摩擦力带住足球，两个小轮的速度可以不同，为差动工作，这种带球装置可以将足球带的相对更稳.当然，额外的这两个动机装置也给机身增加了一些空间，还包括电池的加速消耗.如图1.6所示.

图1.6 通信子系统工作示意图

2.4.3 气缸式踢球机构

是以气缸为执行元件的气动踢球系统.通过阀控制向气缸通气的时间或气压，来实现气缸活塞运动中的速度控制.其控制精度较好能达到比赛的要求.虽然有机器人需携带占用一定的空间、预先充气的储气罐的缺点，但在实际使用中，一个充到1.6MPa压力的1.5升储气罐的气足够完成一场比赛，且1.5升的体积并不占用很多空间，因此，类似上述的缺点还是比较容易克服的.

3 结束语

综上所述，文章详细阐述了基于足球比赛的机器人各个系统的构造分析，对现有的部分设计提出了具体的改进意见，并在每个系统介绍中配有相应的解析图，以供科研人员研究之用.当然，本研究中还存在着某些不足，如在灵活性方面考虑欠佳等，而这一点对于足球机器人在比赛中的发挥性能的高低也是具有非常重要的作用的，尚待进一步改进和完善.在接下来的发展中，足球机器人在各个方面都将迎接更具有挑战性的考验.我们的研究方向也会将重点放在如何能在保证原有各系统工作实时性甚至有所提高的基础上加大数据量的处理，以及提高图像畸变处理和快速转换模数信号的视觉系统，保证所得数据的精度同时又要尽量避免给足球机器人本身结构带来负担等方面.总而言之，就是努力向着在简化足球机器人体结构的同时能提高足球机器人的整体性能方面做进一步的研究和论证.

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