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1、广东工业大学博士学位论文基于视觉的机器人足球系统研究姓名：张祺申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：杨宜民2003.5.7摘要摘要侈智能体系统( M A S ) 是当前人工智能研究的热点问题，是分布式人工智能( D A I ) 中的重要分支。M A S 理论主要研究由多个智能体组成的群体，在复杂模拟视频一 数字图像一 目标信息的转换过程。视觉子系统的结构和信息如图2 3 所示。图2 3 视觉予系统结构和信息F i g2 3V i s i o nS u b s y s t e mS t r u c t u r ea n dI n f o r m a t i o n视觉子系统的性能要
2、求：1 实时性在M i r o S o t 比赛中，机器人的运动速度高，最高可以达到I 8 米，秒。以3对3 比赛为例( 场地尺寸1 5 m 1 3 m ) ，在6 4 0 X 4 8 0 像素的数字图像中，机器人的最大像素位移达6 0 0 像素秒，机器人1 秒内就可以从本方球门运动到对方球门。机器人要在比赛中完成各种复杂的战术动作，视觉子系统就必须对机器人进行实时识别与跟踪，而且保持很高的实时性。目前，M i r o S o t 的视觉子系统可以做到对模拟视频信号的每一帧或一场进行处理，对于N T S C制式的模拟视频信号( 3 0 帧6 0 场) ，视觉子系统的最高工作频率为6 0 H z
3、 。从图2 2 可见，4 个子系统是闭环运行，视觉予系统是该闭环的检测环节，其余3 个子系统的工作频率均能达到6 0 H z 以上，因此整个系统的工作频率基本上由视觉子系统的工作频率决定。M i r o S o t 系统工作在6 0 H z 时，每个控制周期时间为1 6 7 m s ，在此时间内4 个子系统必须串行运行一遍，视觉子系统的识别和跟踪算法必须具有很高的运算速度。其次，视觉系统是基于彩色图像的。彩色图像的信息量比灰度图像大得多，由于彩色图像的R G B 值分布在三维空间中，给彩色分割带来很大的困难。虽然现有很多颜色聚类方法，但它们大多处理繁琐，运算开销巨大，不广东工业大学工学博士学位
4、论文能适应系统实时性的要求，因此必须采用处理简单的算法提高系统的实时性。2 准确性这里讲的准确性包括识别准确性和跟踪准确性。视觉子系统是整个系统的检测机构，决策子系统产生机器人运动控制指令的依据是视觉子系统输出的目标信息，因此目标信息必须有足够的精度，否则整个系统可能振荡或失控。由于输入图像是具有一定分辨率的图像，单个像素就存在2 m m 误差( 以分辨率6 4 0 x 4 8 0 为例) ，所以图像处理和辨识过程必须保持较高精度以避免误差扩大。由于摄像头镜头的缺陷及其它因素，图像存在畸变，在目标定位时应该考虑到畸变的存在并进行相应的校正。另外，由于需要跟踪的目标较多，例如在5 对5 比赛中的
5、目标多达1 1 个，目标间的颜色差异随可选颜色的减少而减少，加上环境光照的干扰，容易出现跟踪错误，视觉子系统必须提高跟踪的准确性，减少跟踪错误的出现，并能对其进行纠正。3 适应性每次比赛的光照等应用环境均可能不同，所以系统必须具备快速初始化能力以适应比赛需要：比赛现场的光照等环境可能存在例如光照不均等缺陷，视觉子系统必须能够适应恶劣的应用环境；现场还可能出现诸如人员遮档、闪光灯之类的光色干扰，为使系统可靠工作，视觉子系统还需有较强的鲁棒性。视觉子系统要求的高实时性决定了不能采用复杂的算法，但又要保证识别和跟踪的准确性和适应性，这就是本子系统研究重点解决的问题。视觉子系统的研究在第3 、4 、5
6、 章中详细说明。2 3 决策子系统简介决策子系统是本论文研究的另一个重点。决策子系统的任务是根据视觉子系统送到的目标信息，经过决策后，产生机器人运动控制指令。决策子系统的输入是目标信息，输出是机器人运动控制指令，它是一个非结构化的知识型系统。一般认为，决策子系统由决策模型和机器人行为控制2 部分组成1 2 3 1 1 3 5 1 。决策1 6第2 章基于视觉的机器人足球比赛系统模型主要完成攻防态势判断、队形确定、角色和任务分配；机器人行为控制则包括动态避碰和运动控制，如图2 4 所示图2 4 决策子系统的一股结构F i g 2 4D e c i s i o n - m a k i n gS u
7、 b s y s t e mG e n e r a lS t u r e t u r e决策子系统是一个知识型输入输出系统，它是一个软件，所以决策子系统的结构和机制不是唯一的，但决策子系统应该能够满足下列要求：1 实时性这个要求与视觉子系统的要求类似，系统的工作频率确定后，决策子系统的工作频率与之相同。因此，决策子系统的结构和算法应当尽量简化。2 灵活性足球比赛是一种竞争性、对抗性很强的运动，机器人足球比赛也不例外。比赛场上的形势瞬息万变，决策予系统必须能够准确判断攻防态势，灵活实现比赛阵型变化和战术配合，同时机器人的运动必须流畅。如何实现决策子系统要求的实时性和灵活性，是本子系统研究重点解决
8、的问题。决策子系统的研究在第6 、7 、8 章中详细说明。广东工业丈学工学博士学位论文2 4 无线通信子系统的结构、功能与设计1 无线通信子系统的结构和功能决策子系统产生的机器人运动控制指令通过无线通信子系统发送到足球机器人上。从结构上，完整的通信系统可以分为4 部分：计算机主机中的通信程序、无线数据发射器、无线数据接收器、足球机器人控制器中的通信程序，其中主机中的通信程序嵌入在决策子系统中：无线数据接收器和机器人控制器的通信程序安装在足球机器人上。通常我们认为无线通信予系统由无线数据发射器和无线数据接收器2 部分组成，如图2 5 所示。无线数据发射器通过无线载波把机器人运动控制指令数据从天线
9、发射出去，无线数据接收器从天线接收到信号后，解调获得机器人运动控制指令数据。? 。i无线通信子系统i主机中的 通信程序无线数据 发射器无线数据 接收器机器人 控制器的 通信程序图2 5 无线通信子系统的结构F i g 2 5W i r e l e s sC o m m u n i e a i t i o nS u b s y s t e mS t r u c t u r e图2 6 是实际的无线通信子系统框图。决策子系统发出的机器人运动控制指令是每个机器人的左右轮速度指令。计算机主机中的通信程序通过串口以R s 一2 3 2 方式向无线数据发射器发送机器人左右轮速度指令，无线数据发射器将通信数
10、据发送给足球机器人上的无线数据接收器，足球机器人解码获得左右轮速度设定值，送入电动机控制部分驱动左右轮电动机。计算机 主机图2 6 无线通信子系统框图F i g 2 6W i r e l e s sC o m m u n i c a t i o nS u b s y S t e mB l o c kD i a g r a m1 8第2 章基于视觉的机器人足球比赛系统2 无线通信子系统的设计( 1 ) 无线通信方式、协议和基带宽决策子系统对足球机器人的通信是单向的，采用广播式无线通信方式：每个控制周期无线数据发射器发射一帧数据给本方所有机器人，各机器人根据自身编号设定读取数据帧的不同字段，获得自
11、己的运动控制指令。本系统的足球机器人采用两轮差动方式驱动。因此，机器人的运动控制指令就是该机器人的左右轮速度设定值。在5 对5 比赛中，本方机器人的数目为5 个，设定左右轮速度设定值的范围为一1 2 7 + 1 2 7 ，即1 个字节，可制定无线通信数据帧格式如下：字段1字段2字段3前导字节6 0 个5 个机器人左右轮速度设发送结束标志数据定值共l O 个字节2 个字节表2 1 无线通信数据帧格式T a b l e2 1W i r e l e s sC o m m u n i c a t i o nD a t aF r a m eF o r m a t其中字段1 的前导字节是采用的抗干扰和数据
12、对齐措施，字段2 为有效数据。当每秒发送6 0 帧数据时，无线通信的基带传输速率= 6 0 7 2 8 = 3 4 5 kb i t s 。( 2 ) 计算机主机与无线数据发射器的通信方式计算机主机与无线数据发射器间采用有线通信方式，不需要大量的前导字节，制定通信数据帧格式如下字段l字段2字段3发送开始标志数据0 0 H5 个机器人左右轮速度设发送结束标志数据0 0 H定值共1 0 个字节表2 2 计算机主机与无线数据发射器的通信数据帧格式T a b l e2 2C o m m u e i a t i o nD a t aF r a m eF o r m a tB e t w e e nH o
13、 s ta n dW i r e l e s sD a t aS e n d e r当每秒发送6 0 帧数据时，基带传输速率- - - - 6 0 1 2 X 8 = 5 7 6 kb i t s 。计算机主机与无线数据发射器之间，选用R S 一2 3 2 串行通信足够。现选用计算机主机的串行端口C O M l ，设定串行端口的速率为1 9 2kb i t s 。广东2 1 2 业大学工学博士学位论文( 3 ) 无线数据通信模块F I R A 推荐M i r o S o t 足球机器人比赛系统使用的载波频率为4 1 8 M h z 和4 3 3 M h 。根据这个频率要求，选用由英国R a d
14、 i o m e t r i x 公司生产的，具有收发功能的通讯模块B I M 一4 1 8 和B I M 一4 3 3 。这两种模块除频率不同外，其余参数和特性相同，基带传输速率可达4 0 kb i t s 。其基带速率比我们计算的无线通信系统的最大基带传输速率稍大，可以满足数据传输的要求，而且不至过于浪费基带宽度。2 5 足球机器人的结构、功能与硬件方案1 足球机器人的结构和功能足球机器人是一个无线遥控的机器人小车，是没有智能的执行单元。我们可以把足球机器人分为机械和电气两部分。机械部分的主要功能是机械传动和运动驱动；电气部分的功能是接收运动控制指令数据和电气传动。2 足球机器人的硬件方案
15、( 1 ) 足球机器人的机械结构和外观F I R A 对M i r o S o t 足球机器人的尺寸和色标作限制，尺寸不能超过75 c m 7 5 c m 7 5 c m ，除此之外不作规定。足球机器人的驱动可以采用多种形式：如履带式、三轮式、两轮式等。我们采用了两轮差动方式，除左右两个主动轮外，还设计了支撑轮保证机器人的平衡，这个方案可以获得较好的灵活性和驱动性能。设计完毕的足球机器人的外观如图2 8 所示，从下到上可以分为三层：车体，电路板，顶盖。机器人的车体采用铝合金一体化结构，全对称设计：车体两边居中安装主动车轮，分别由两个直流电动机驱动；车体前后设计有控球槽，能够推着球运动；底部前后
16、边缘装有支撑轮；车体中央是电池盒。足球机器人车体上方安装控制电路板，其上装有顶盖。顶盖的用途是粘贴色标和保护电路板。在这种设计方案中，决策子系统输出的就是己方所有足球机器人的左右轮速度设定值。一：篓! 塞董三堡耋墼堡量垒堡鍪些窒重丝图2 7 足球机器人外观F i g 2 7S o c c e rR o b o tA p p e a r a n c e( 2 ) 电路硬件结构和原理足球机器人硬件结构如图2 8 所示。图2 8 足球机器人硬件结构图F i g 2 8S o c c e rR o b o tH a r d w a r eS t r u c t u r e足球机器人硬件电路主要有以下部分组成：无线通讯模块、8 0 C 1 9 6 K C 微处理器及其储存器、P W M 脉冲分配模块、P W M 驱动模块、直流电动机及编码器、脉冲计数及方向识别模块、供电模块、电池。它的工作过程如下：( a ) 无线通信数据送到8
