机器人足球的传感系统

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1、科文学院08电信杨文鑫088326131足球机器人的传感系统随着机器人足球技术的迅速发展，其规模愈来愈大。 跟踪空间的扩大、跟 踪目标的增多给视觉系统带来了单个图像采集设备难以覆盖整个场地和更高的 实时性要求等新的挑战。为适应图像采集设备从单个到个多的改变，满足系统 的实时性要求，提高跟踪能力，基于航迹关联的跟踪算法的基础上进一步提出基 于多传感器多目标跟踪的机器人足球视觉跟踪方法。一、多传感多跟踪传感器（一）多传感器多目标跟踪算法信息融合是一种多层次的、多角度的信息处理过程，实现完整、及时的态势评 估和威胁估计。多目标跟踪（MTT）是为了维持对多个目标当前状态的估计而对所 接收到的量测信息进

2、行处理的过程。机器人足球比赛技术的研究可以在一定程度 上借鉴信息融合系统已有的研究成果。结合FIRA LLM比赛的实际情况，在相互 独立的两跟踪模块内完成对各自采集设备输入实时图像的预处理，跟踪空间内目 标的航迹关联、滤波后再对各传感器信息进行融合得到所有目标单一的航迹（二）航迹关联在以目标的预测位置为中心的动态窗口搜索下一时刻目标的点迹位置，按下列规 则进行航迹关联，关联成功后给每个目标的航迹一个编号予以标记：1）若落入动态窗口的点迹只有一个，则目标航迹就与这个点迹配对。2）若落入动态窗口的点迹不止一个，则可能存在多个目标或杂波，对所有的 可能情况先合成该目标位置和速度向量，然后按最临近准则

3、进行速度关联，将目 标航迹与预测位置统计距离最小的点迹配对。3）若动态窗口内没有目标点迹，则目标可能已丢失，用预测位置作为估计； 若相继数个点迹丢失，则航迹被终止（三）航迹融合以2个图像采集设备的机器人足球视觉系统为例，各个图像采集设备的集区 域存在重叠。当目标位于重叠区域时，目标的航迹在两独立的跟踪模块识别结 果中出现，此时应进行航迹融合。航迹融合后得到场上所有目标单一的航迹（四）重复航迹的判断进行航迹融合之前需要判断同一周期内各跟踪模块得到的航迹是否是属于 同一目标的航迹，若是，则进行航迹融合。若两航迹同时满足下列条件则认为 它们是属于同一目标的重复航迹：1）都位于跟踪公共区域。2）航迹编

4、号相同且两点迹的距离差小于给定阈值，或航迹编号不相同但两点 迹的距离小于给定阈值且阈值半径覆盖区域内没有其他的目标航迹。若航迹编号 相同但两点迹的距离不小于给定阈值，或是航迹编号不相同但两点迹的距离小于 给定阈值且阈值半径覆盖区域内没有其他的目标航迹，则认为有一跟踪模块给出的航迹编号有误，应通知其予以修正。二、DSP和单片机的底层运动控制系统提供两种处理器的运动控制方案(可选)：基于单片机的底层控制系统：采用C8051单片机作为底层控制芯片。它具 有高速8051微控制器内核。基于DSP的底层控制系统：采用TI公司TMS320F28X系列32位定点处理芯 片。提高控制系统反应的快速性，增强系统的

5、可扩展性，我们设计了基于DSP 的底层控制系统：DSP系统与单片机系统相比具有以下优点：(1 )高性能静态CMOS ( Static CMOS )技术，150MHz (时钟周期6.67ns )低功耗(核心电压1.8V, I/O 口电压3.3V), Flash编程电压3.3V(2)高性能的32位中央处理器(TMS320C28x)(3 )外部中断扩展(PIE )模块，可支持96个外部中断(4) 马达控制外围设备：两个事件管理器(EVA、EVB)(5) 支持C语言等高级语言编程，方便开发和调试高级智能控制算法；支持Matl ab Simulink实时控制仿真和控制系统快速原型设计三、足球机器人的无线

6、通信系统球机器人系统在硬件设备方面包括机器人小车、摄像装置、计算机主机和无 线发射装置；从功能上分，它包括机器人小车、视觉、决策和无线通信四个子系 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。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。发送端的硬件设计发送端主要用PIC16F877单片机实现编码和对发射机的控制，计算机通过串 行口发送数据，经过PIC16F877编码后再通过PTR3000无线通信模块将

7、数据发送 出去。TR3000无线数据收发模块是一种半双工收发器，采用NORDIC公司的NRF903 无线收发芯片，工作频率采用国际通用的数传频段ISM,频段915MHz,工作频率 可以在902MHz928MHz可变。采用GMSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控 制。灵敏度高，达到-100dBm，最大发射功率+10dBm,工作电压为2.7V3.3V。 它最多有169个频道，可满足需要多频道的场合，最高数据速率可达76.8kbps。 因而完全可以满足小型组机器人通信的数传速率与距离的需要。本系统中PIC16F877就是采用20MHz的时钟信号，能够满足即时收发数据以 及编码的需要。整个系统中包含

8、两种电源，无线通信模块的电源为3.3V，而 MAX232又需要+5电源。信号线的连接也要考虑两种电平的匹配问题，在必要的 地方要加上电平转换电路。首先单片机要接收来自计算机端的数据，计算机串口输出的信号经过MAX232 由232电平转换为TTL电平。但是由于单片机采用3.3V电平，因而MAX232输出 的信号需经过电平转换才能输入单片机，电平转换可以采用TI公司提供的典型 电平匹配电路（见图3）,也可采用74LVCXX系列逻辑门来转换。单片机通过自带的异步串行口输出数据到PTR3000通信模块。由于NRF903 芯片接收和发送数据共用一个引脚，因而需要其他电路来解复用。最简单的方法 就是在单片

9、机的TX引脚先接一个10kO的隔离电阻，再与RX和PTR3000的DATA 引脚相连。但是这种方法有两个缺点，它会造成发送的数据串入到单片机的接收 引脚中，另外发送信号的驱动能力受到了极大的限制。因此，本系统采用了 74HC244三态缓冲器作为隔离（见图4中虚线框内所示），并且通过单片机的RB4 控制收发状态，因而在半双工方式下发送信号与接收信号可以互不干扰地传送。对于通信模块工作状态的控制主要包含表1所列的这几个信号，通过单片机 的普通I/O 口即可控制。表1 PTR3000工作工作模式配置表PTR3000工作模式STBYPWR-DWNTXENCS正常工作:接收0000正常工作:发射0010

10、掉电模式01XX待机模式10XX1.2发送端的软件设计当系统复位时，单片机首先要对PTR3000无线通信模块和16C550的寄存器进 行编程初始化。PTR3000的初始化编程是通过同步串行信号进行的，总共有三个 信号 CFG_CLK.CS 和 CFG_DATA,分别连接到单片机 RC3、RB7、RC5 引脚。PIC16F877 单片机本身就有同步串行口功能模块，但是由于PTR3000的同步串行数据位为 14位，并非整数字节，而且14位数据必须一次初始化完成，因此实际通过普通 的I/O 口编程来实现这14位的同步串行信号更方便一些。在整个初始化期间CS 信号必须一直为高电平。这14位初始化字的定

11、义见表2。在初始化同步串行信 号输出时最高有效位在先。在对PTR3000编程前先其状态为接收状态以免在其他 频率造成无线干扰，编程完成后就可以将状态改为发射状态了。表2 PTR3000初始化控制字各位定义Bit参数名称符号参数位数01频段FB必须为了 10(表示为选择频段915 士 13MHz)229频点CHf=902.1696+CH 0.1536 (MHz)10 11输出功率POUT发射功率铝-8dBm+6dBm POUT212 13时钟分频输 出Fup00=Fup=fxtal01=Fup=fxtal/210=Fup=fxtal/411=Fup=fxtal/82协议的设计2.1物理层的编码设

12、计物理层的编码设计要根据所采用的物理器件和物理信道的特性来决定。本系 统采用PTR3000无线通信模块在接收模块中为了获得0直流电平就需要在所传输 的数据中逻辑“0”和逻辑“1”的数量相等。只有满足上述条件接收部分才会获 得很高的接收正确率。长时间空闲也会导致接收部分的0直流电平漂移，因为长 时间的空闲实际上一直发送的是逻辑“1”由于PTR3000的这些特性，很自然就想到采用曼彻斯特编码(Manchester) (也称为数字双向码(Digital Biphase)或分相码(Biphase,Split-phase)。它采用一个周期的方波表示“1”，而且它的反向波形表示“0”。由于方波的正 负周期

13、各占一半，因而信号中不存在直流分量。在异步串行通信中有一个起始位 “0”，因此将停止位“1”长度也设为一位，这样在一个字节共10位信号中也 就不存在直流分量了。只是加了曼彻 斯特编码之后原来一个字节的数据现在要 两个字节才能传送。有一些数字节，不会在进行曼彻斯特编码之后的数据串口出现，但是在一个字节 中也具有0直流分量的特性，也有很高的接收正确率。这类数据字节如：0xF0、 0x0F、0xCC、0x33等。从码型看来其中0xF0码型定时性能是最好的(其码型见 图5)，它很容易使异步接收器达到同步并且不会发生错误。由于0xF0的这种 特性就可以用它做同步码元，在空闲的时间内通信系统就通过一直发送

14、同步码 元，使接收端保持同步，而且也可以保持接收模块的0直流电平状态。2.2纠错编码设计为了在有一定外界干扰的情况下，保证主要与机器人之间的无线通信依然稳 定可靠，必须采取一定的抗干扰措施，这可以采用纠错编码来实现。可以选择纠 错编码方案有（14, 8）分组码、（7, 4 ）分组码和循环码，需要使用两字节的 长度发送一字节的有效信息；（5，2）分组码和循环码，交错码、（21，8）分 组码和缩短循环码、（21，9）BCH码、（21，12）BCH码，需要使用三字节的长 度发送一字节的有效信息。2.3帧格式设计一般数据帧包括帧头、机器人标识、数据、数据校验、保留字节等内容，通 常按照下面的格式排列：

15、帧头机器人标识数据保留字数据校验为了保证帧能够准确接收，帧头的设计至关重要。一般帧头需要两个或两个 以上的字节，并且应该选择数据中出现几率较低的数值和组合。在这个系统中可 以采用一般数据中根本不会出现的数据字节如0xF0、0xCC作为数据帧头。而其 它类型的帧（如开球或暂停等命令帧），则可以选择在0xF0之后加上其它的字 0x33、0xC3、0x3C、0x0F等构成。这种帧头组合在一般的数据中是不会出现的， 因而可保证帧同步不会出错。场上的每个机器人通过数据帧中的机器人标识来识 别属于自己的数据，由于场上只有5个机器人，因而机器人标识只占用一个字节。四、足球机器人视觉传感系统通过对比赛规则的解读可以发现，对于球和场地基板的设计是该项比赛中最 具特色内容，它对机器人的核心设计-传感器以及比赛的方式产生了决定性的 影响。发出红外光的足球意味着机器人必须有红外传感器来对其进行检测。红外线波长 介于可见光和无线电波之间，大约0 .76nm- 1 0 0 0 nm，而光电传感器 其所用到的波长选择在近红外区，即0 .76-930nm。常用的红外线接收 元件为光电二极管和光电三极管。它们可以将接收到的光变化转变的电流变化。比