機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用Water Team秘密技術(shù)王雪雁黃媛北京信息科技大學(xué)，北京，100192摘要:本文介紹RoboCup中型組機(jī)器人的硬件控制、程序決策、圖像采集處理、多機(jī)器人協(xié)作等，特別對其中的重點(diǎn)技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)描述。關(guān)鍵詞: RoboCup中型組， 足球機(jī)器人1引言所示。為了提高電磁鐵的驅(qū)動力.我們設(shè)計(jì)了一套升壓電路.將北京信息科技大學(xué)Water Team (水隊(duì))建立于2005年，由北24V的基本供電拉升到380V，儲存在一一個電容陣列中。我們試圖通京信息科技大學(xué)機(jī)電I程學(xué)院與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)組建，主要任務(wù)過設(shè)置電容放電順序?qū)㈦娔茏畲蟪潭鹊剞D(zhuǎn)化為擊球的機(jī)械能。經(jīng)過是在“大學(xué)生中培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才，提高學(xué)生實(shí)踐能力。實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)的研究方向主要是:機(jī)器人視覺、構(gòu)件的軟件體系結(jié)構(gòu)、路徑規(guī)劃、定位、通信形式和控制模型。Water Team從建立至今，連續(xù)參加了7屆RoboCup國內(nèi)國際公開賽。其中，在2008和2009 Robocup國內(nèi)賽中獲得兩次亞軍.今年奪得國際、國內(nèi)的兩個冠軍!球調(diào)專理行2硬件控制體系水隊(duì)( Water )的原創(chuàng)機(jī)型從2004年開始設(shè)計(jì)，每年都在改圖2吸球機(jī)構(gòu)進(jìn)。2006年， 第一臺兩輪機(jī)器人誕生。2007年， 我們對兩輪機(jī)器人調(diào)整， 目前我們的機(jī)器人擊球最進(jìn)行了大規(guī)模升級，改進(jìn)了機(jī)器人的視覺部分和電機(jī)驅(qū)動器部分，大飛行高度在2.4米左右，最大騰提升了圖像效果和機(jī)器入的速度。2008年， 第- -臺原創(chuàng)三輪全向空距離為12米左右，而且可以根。足球機(jī)器人誕生。該原創(chuàng)機(jī)型具有極高的機(jī)動性和便攜性。據(jù)在場地上的不同位置調(diào)整射門好視覺的效果是能夠提供機(jī)器人在賽場上精確的定位，從而的力量。保證它的射門精度。持球器的控球能力是電機(jī)提高轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵因吸琳構(gòu)(圖)是我們今年剛圖3吸球機(jī)構(gòu)工作原理素。今年我們對機(jī)器人視覺、電機(jī)驅(qū)動器和持球器三個部分的升級，大幅度地提高了機(jī)器人的射廠]精度、控球能力和運(yùn)動速度。這是我們此賽取得好成績的主6月24日，新加坡，國際2010機(jī)器人世界杯(RoboCup)中型組決賽，中國北京信息科技大學(xué)"Water" (水隊(duì)) 5:4擊敗荷蘭埃因霍溫大學(xué)"Tech要原因之一-。另外，在新改進(jìn)的機(jī)體中，我們采用了電磁驅(qū)United" (科聯(lián)隊(duì)) ，榮獲機(jī)器人足球世界杯冠軍。動方式，運(yùn)用杠桿原理形成一個挑射的機(jī)構(gòu)。如圖1這是當(dāng)今機(jī)器人賽事上含金量最重的一塊金牌，基本上代表了機(jī)器人比賽中的最高科技水平。電磁鐵7月20日，鄂爾多斯賽場，水隊(duì)載譽(yù)而來，他們不負(fù)眾望，-路過關(guān)斬將，摘取了國內(nèi)機(jī)器人大賽RoboCup中型組比賽項(xiàng)目的桂冠。看著這樣一支勁旅，賽場旁的觀戰(zhàn)師生無一不豎著大拇指嘆服:厲害。面對優(yōu)異的成績，水隊(duì)師生們說; "Water不會 止步于冠軍，Water會d勇往直前，做得更好!正如老子所描述的水:‘居善地， 心善淵，與善仁，言善信，政善治，中國煤化工做到:居住要像水那樣安于卑下，存心要二親，言語要像水那樣真誠，為政要像水那MYHCNMH G不能，行為要像水那樣待機(jī)而動。，這就是水隊(duì)。圈1擊球器原理簡團(tuán)2010年7月30日《機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用》 11中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽專家評述 冠視點(diǎn)收獲與建議 實(shí)體技術(shù)探討仿真技術(shù)研究等待每個球員程序的連接。當(dāng)場上球員連接到教練程序時，教練筆記本電腦7程序自動在內(nèi)部的結(jié)構(gòu)體中為該球員注冊身份。在決策模型上，我們構(gòu)建了一個環(huán)境類，在該類實(shí)例中包含了數(shù)個結(jié)構(gòu)體，分別記錄場上各球員返回的信息。其信息包括每位球員對自身的定位、球門的方向、球的位置、每個球員周圍的障擊球器力量驅(qū)動電力驅(qū)動控制礙物等等。當(dāng)這些數(shù)據(jù)出現(xiàn)更新時，環(huán)境類自動調(diào)用自身的決策函dine對外0數(shù)，從當(dāng)前信息中計(jì)算出各球員應(yīng)該執(zhí)行的任務(wù)。cortia單體機(jī)器人程序的設(shè)計(jì)基于行為的控制思想，編碼方式遵循特球基傳感器面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)風(fēng)格，通過各種抽象對象的組合來組織代碼，條理mechansenSpinde dreCSornsonodbal清晰，便于理解。主精資動急停開關(guān)Spincte dhre B整個架構(gòu)可分為四個層次(如圖6所示) :Sloo switch主地驅(qū)動A硬件通信層是一些直接與硬件設(shè)備通信的對象，這里包括- -個Spinde dherA與機(jī)器人主體的數(shù)據(jù)交流的串口通信對象。視頻捕捉因?yàn)閷νㄐ潘俾蕠?硬件控制流程圖要求很高，通過USB連接,所以其設(shè)備對象與機(jī)器人主體獨(dú)立分開。設(shè)計(jì)的所機(jī)構(gòu)，下面重點(diǎn)介紹下。指令協(xié)議解析層是機(jī)器人控制架構(gòu)的核心，指令協(xié)議對象將簡單地說，吸球機(jī)構(gòu)的工作原理是靠滑動摩擦力來“吸住"進(jìn)行機(jī)器人實(shí)體控制指令的編制、對下位機(jī)返回的傳感器數(shù)據(jù)和機(jī)球的。當(dāng)球向前滾動時，兩個吸球機(jī)構(gòu)，上兩個黑色的小輪子的轉(zhuǎn)動器人狀態(tài)數(shù)據(jù)的解析轉(zhuǎn)換。決策邏輯行為層是-些抽象行為的對象，這些對象通對協(xié)義對象的傳感器數(shù)進(jìn)行局部的行為規(guī)劃，操作協(xié)議對象向機(jī)器人底層發(fā)送控制指令。值得注意的是，這- -層雖然并存了很多對象，但是同一時刻只環(huán)境模型能允許一個行為對象與協(xié)議對象連接,避免了出現(xiàn)行為混亂的情形。機(jī)器人的各種行為切換通過改變與協(xié)議層連接的行為對象來實(shí)現(xiàn)，這種切換操作可以由當(dāng)前活動行為進(jìn)行，也可由決策層對象來進(jìn)行。通信接口決策層是機(jī)器人本地的最高層，仲裁決策對象通過本地傳感器數(shù)據(jù)、機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)以及遠(yuǎn)程端教練程序發(fā)來的指令數(shù)據(jù)進(jìn)行各種行為的組織，既可以直接操作協(xié)議層對象發(fā)送機(jī)器人具體行為(N號)指令，也能通過行為對象的切換控制機(jī)器人的行為狀態(tài)。例如，比賽中大場地下常遇到的巡航避障任務(wù):第一步,遠(yuǎn)圈5決策通信圈程端發(fā)送目標(biāo)位置數(shù)據(jù)到本地決策層，決策層將第- -個航 點(diǎn)傳遞給方向如圖3所示。這樣足球會受到相切于其上表面向后下方的兩個巡航行為對象，并將其與協(xié)議層對象連接，巡航行為對象驅(qū)使機(jī)器滑動摩擦力，這兩個力與地面的支持力合成后，合力是水平向后的人向航點(diǎn)行駛。到達(dá)第一-航點(diǎn)時， 第-一個巡航行為結(jié)束，巡航行為-個力。另外，兩個輪子的轉(zhuǎn)動也能帶動球的轉(zhuǎn)動，這樣在機(jī)器高對象向決策層請示第二二航點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行第二個巡航行為，如此直到速帶球進(jìn)攻的時候，既能保證持球不被對方隊(duì)員所搶，也能保證在所有航點(diǎn)遍歷結(jié)束。在巡航過程中，若出現(xiàn)障碼物阻擋的情況，則帶球過程中球是自然滾動狀態(tài)，不會犯規(guī)。巡航行為對象暫時將控制權(quán)交給避障行為對象，切換到避暗行為狀另外，我們在吸球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中也考慮到了各種參數(shù)的態(tài)，繞開障礙物之后，壁障行為對象再將控制權(quán)交還巡航對象，繼可變性。當(dāng)吸球機(jī)構(gòu)固定在機(jī)器上時，我們可以通過它上面的兩個續(xù)巡航行為。較長的調(diào)節(jié)螺母來調(diào)節(jié)其在水平和豎直方向的位置，以便兩個小黑另外，行為層的操作不是固起的，會因?yàn)樾袨榈膭澐侄兴煌?。輪和球處于恰?dāng)?shù)奈恢茫瑥亩骨颢@得適當(dāng)?shù)淖饔昧?。圖2中的平衡彈簧也是一根可調(diào)節(jié)變形量的彈簧，其作用是用來平衡球?qū)ξ?圖像采集處理體系機(jī)構(gòu)向上和向后的作用力。在全景視覺平臺中，我們采用了全景反射鏡的方案，它能夠整個硬件控制流程如圖4所示。采集到大半徑的圖像。中國煤化工的攝像頭焦距不同，我們3程序決策體系將全Y片CNMHG.基本能解決前述兩個問.在通信方式上，為讓不同機(jī)型的機(jī)器混合參賽，我們采用C/題。S架構(gòu)，使用TCP/IP協(xié)議(圖5)。場外的教練程序作為Server,今年我們配套的攝像頭是接口的，配合軟件上的DirectShow12。 《機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用》 第4期“萬萬數(shù)據(jù)”機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用基于這種畸變圖像上的形狀識別，我們還在研究中。但是在調(diào)試過程中，我們已經(jīng)找到一些模糊的、 比較粗糙的界定目標(biāo)物的辦法，能夠在- -定程度上起到排除相似顏色干擾的效果，即通過建立色塊大小與距中點(diǎn)距離關(guān)系的-一個哈希表。當(dāng)獲取-一個疑似目標(biāo)色塊時，我們]通過色域質(zhì)心到中點(diǎn)的距離，在哈希表中找到對應(yīng)的控制操作傳感都數(shù)解色域尺寸值，再與實(shí)際色域尺寸進(jìn)行比對，通過一個經(jīng)驗(yàn)公式求取相似評估值。當(dāng)對每個疑似目標(biāo)進(jìn)行了相同的處理之后，對所有疑視所數(shù)營化似目標(biāo)的評估值進(jìn)行排序，取評估值最大的疑似對象作為目標(biāo)。通過實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證，這種方式可「地n通訊計(jì)物檢制時富串口等)以大大提高在多個相似顏個色干擾下對特定目標(biāo)識別的準(zhǔn)確性。世用楓型角色抽掌屋5多機(jī)器人協(xié)作機(jī)器人通信黑板團(tuán)6軟件決策流程圖在多機(jī)器人行為中.框架，能獲得640x 480.60幀/秒的視頻我們采用的是全局規(guī)劃和流，可以很好地滿足比賽的需要。同個體自主行為相結(jié)合的方圈9多機(jī)架構(gòu)時，鏡頭光圈和焦距是可調(diào)的，這為適式。場外的教練程序會對應(yīng)不同的光強(qiáng)環(huán)境做好了準(zhǔn)備(見圖7場上形勢變化和裁判盒指令做出反應(yīng)，在事先輸人的方案庫中搜索所示)。應(yīng)對當(dāng)前局面最適合的方案。目前我們的通信架構(gòu)經(jīng)過初步的測對于全景圖像中的色塊處理，流程試，已經(jīng)穩(wěn)定(圖9)。方案庫里的方案數(shù)量，已可以應(yīng)付-場比如圖8所示。攝像頭獲取的圖像經(jīng)過轉(zhuǎn)賽正常進(jìn)行的大部分情況。對其他各種突發(fā)情況的處理方案，還在換到HSI空間后，我們根據(jù)事先標(biāo)定好繼續(xù)豐富中。的HSIParam結(jié)構(gòu)體對圖像進(jìn)行二值化處圈7全景鏡聯(lián)合定位。根據(jù)比賽規(guī)則變化趨勢,比賽場上的顏色標(biāo)記將理。由于比賽中光線和顏色的變化，經(jīng)會逐漸取消，為了適合明年無球門顏色的規(guī)則變化，我們正在嘗試常會出現(xiàn)相似顏色的噪聲干擾。于是我們對二值化后的圖像進(jìn)行腐蝕，然后膨脹，去除孤立的噪聲干擾點(diǎn)。至此，我f可以得到比較理想的二值化圖像，能夠進(jìn)行色塊的邊緣檢測和連通域分析。HSIParam國像數(shù)據(jù)圈10聯(lián)合定位示意圍e90費(fèi)無羅盤情況下的視覺聯(lián)合定位方法(圖10)。在無球[ ]顏色的場地上，我們通過用射線掃描到的白線點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)場線的比對，可以獲得機(jī)器人在場上的參考位置。由于標(biāo)準(zhǔn)場線的對稱性，通常會獲得的是四個以上參考位置，但是往往真相只Craon ProcenconcEonaetProc有一個，為了能獲得最接近真實(shí)的位置，我們提出了一種聯(lián)合定位哪8圈像處理流程技術(shù):通過隊(duì)友佩戴的色標(biāo)，場上每個機(jī)器人個體可以大致測量出臨近隊(duì)友的相對價置:所有隊(duì)品路該信自回饋到場外教練處進(jìn)行近通過對圖像中各目標(biāo)顏色進(jìn)行二值化和抗干擾處理之后，我似匹配中國煤化工每個個體的其體身份。們獲得了場上各目標(biāo)物的形狀。由于使用的全景攝像機(jī)得到的圖像YHCN M H Gt應(yīng)該是連續(xù)的，通過將帶有非線性的畸變，我們目前還無法用簡單的方法精確區(qū)分目標(biāo)物上次匹配結(jié)果作 為本次場線匹配的種子點(diǎn)的方法，可以保證正確和與目標(biāo)物帶有相同顏色的其他物體。(■下轉(zhuǎn)第25頁)2010年7月30日《機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用》 13機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用3.5技術(shù)挑戰(zhàn)賽策略分析吸引更多的院校來參加，共同促進(jìn)中國水中機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。在技術(shù)挑戰(zhàn)賽所包括的三個子項(xiàng)目(單魚頂球、雙魚對游、⑤修改某些項(xiàng)目的比賽規(guī)則，例如12米競速賽， 這次比賽出現(xiàn)多自由表演)中，我校的自由表演項(xiàng)目實(shí)力相對較弱，這次花了較多支隊(duì)伍并列第一 的情況,說明這個項(xiàng)目的規(guī)則還有必要進(jìn)行調(diào)整。的時間改進(jìn)。例如，在由10條魚分成兩組進(jìn)行多種花樣變換時，增加了技術(shù)難度，設(shè)計(jì)單魚繞中心旋轉(zhuǎn)，多魚協(xié)作游圓形等高難度動5展望作;在完成基本動作的前提下，還要考慮整體美觀和兩組魚的同步作為進(jìn)入機(jī)器人領(lǐng)域的起步階段我校選擇以仿真比賽的形配合問題。式，雖然取得了可喜的成績，但是我們不能驕傲，要認(rèn)清自己單魚頂球和雙魚對游屬于我校優(yōu)勢項(xiàng)目，在此次比賽中也同所處的位 置以及與其他院校存在的差距，今后還需要我們繼續(xù)樣保持優(yōu)勢。在繞球問題上繼續(xù)做了改進(jìn)，雙魚對游采用繞圓形的努力。方法，單魚頂球采用自由表演中繞中心旋轉(zhuǎn)的策略，均使時間進(jìn)一下一階段，我們準(zhǔn)備將明年的水中機(jī)器人大賽爭取到西南民步縮短。族大學(xué)來舉辦，以此擴(kuò)大該賽事在西南地區(qū)的影響;同時我校也準(zhǔn)備參加全局視覺機(jī)器魚比賽，將理論和實(shí)際結(jié)合起來，在實(shí)際中檢4對平臺和規(guī)則的建議驗(yàn)我們的仿真成果，進(jìn)行全局視覺機(jī)器魚比賽也可以快速提高我們在比較短的時間里，組織者能夠開發(fā)出一套完整、可用的比的技術(shù)，這也預(yù)示著我校全面向機(jī)器人領(lǐng)域進(jìn)發(fā)，以此不斷促進(jìn)學(xué)賽平臺，還是很值得敬佩的。不過，在我們備戰(zhàn)比賽和參加比賽的生的創(chuàng)新和動手能力。過程中，發(fā)現(xiàn)一些有待改進(jìn)的地方。①針對障礙競速賽、單魚頂球和雙魚對游等項(xiàng)目的計(jì)時問題，參考文獻(xiàn)可以將最小計(jì)時單位定為毫秒，這樣可以盡量減少并列的隊(duì)伍。[1]陳言俊,李果,陳宏達(dá),等.仿生機(jī)器魚水球比賽策略系統(tǒng)的初步探②在場地追逐賽中，建議障礙物能隨機(jī)安放，這樣可以提高究 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，209(4);29- -32.比賽的難度和挑戰(zhàn)性。[2]北京大學(xué)智能控制實(shí)驗(yàn)室.全局視覺機(jī)器人水球比賽-水中機(jī)器人③在試驗(yàn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加載策略完成一個項(xiàng)目的比競賽系列教材之三:北京大學(xué).賽后，如果再次進(jìn)行該項(xiàng)目的比賽，經(jīng)常需要重啟平臺，否則魚的(3)]王碩等 沈志忠,曹志強(qiáng),等仿生機(jī)器魚的研究與開發(fā).中國自動化學(xué)游動十分無規(guī)律。同時，在使用Microsoft Visual Studio進(jìn)行解決方會 第20屆青年學(xué)術(shù)會議自動化理論、技術(shù)與應(yīng)用.中國科學(xué)院自動化案生成時，必須把平臺關(guān)掉，等待生成后再打開平臺進(jìn)行測試。希研究所.2005:204 209.望平臺將來有實(shí)時監(jiān)控能力，以免每次重啟，造成不便。[4] 成巍.仿生水下機(jī)器人仿真與控制技術(shù)研究[D]哈爾濱工程大學(xué).④可以多增加一些項(xiàng)目，同時擴(kuò)大該項(xiàng)賽事的宣傳和影響力，[5]劉貴春 多仿生機(jī)器魚協(xié)調(diào)控制的研究和設(shè)計(jì)[D]北方工業(yè)大學(xué).(■上接第13頁)及時查找機(jī)器在比賽中出現(xiàn)問題的原因，以備下場比賽不會再匹配之后機(jī)器人個體自主定位的魯棒性。在通常比賽中，大范圍出現(xiàn)相同的情況， 或者出現(xiàn)相同的問題就能快速解決。另外，出現(xiàn)機(jī)器人故障的可能性極小，所以通過上面提到的聯(lián)合定位方別的隊(duì)伍在場上比賽的視頻是其真實(shí)實(shí)力、戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略等的真法，可以在絕大多數(shù)隊(duì)員定位正確的情況下，糾正定位錯誤的隊(duì)實(shí)表現(xiàn)，通過錄像記錄，我們更加了解對手，會根據(jù)對手的實(shí)員個體。力，在比賽中做出相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略調(diào)整，正如兵法所云“知彼根據(jù)這種方法，理論上在守門員未出擊或場上正確定位隊(duì)員知己， 百戰(zhàn)不殆”。超過三個的情況下，都可以避免由于匹配模板的對稱性所造成的個對于Water Team的每-一名隊(duì)員來說， 比賽勝利后的喜悅，是體自主定位錯誤。不能與比賽過程中的興奮、緊張和激動等心情相比的。比賽的勝利與否，只是對我們前一段工作的一個檢測，而機(jī)器人在賽場上進(jìn)行6比賽感想各種動作時，就像我們自己在場上一-樣，甚至比自己在場上還緊Water Team從制造出自己的第-一臺機(jī)器人以來，參加過國內(nèi)張;它們每進(jìn)一一個球，都好像是我們隊(duì)員自己踢進(jìn)的-樣，充滿興外比賽共七次。我們努力過，付出過，失敗過，成功過，然而無論奮和喜悅。比賽結(jié)果如何，不管是在比賽過程中，還是在獲得冠軍以后，我們Water Team不會止步于冠軍，我們會勇往直前，未來將做得從沒有停頓，一直在學(xué)習(xí)，一直在進(jìn)步。更好!正如老子所描述的水那樣，“居善地， 心善淵，與善仁，言我們對每一-場比賽都會認(rèn)真準(zhǔn)備，從比賽中發(fā)現(xiàn)問題，然善信，中國煤化工n希望能做到這些。Waer后再想辦法解決問題。例如，我們在自己隊(duì)比賽以及重要隊(duì)伍Team!YHC N M H GCup中型組的最終目標(biāo)還比賽的時候都有專人進(jìn)行錄像，而且也有專人對自己的每臺機(jī)有很遠(yuǎn)-段路要走，我們需要和每支隊(duì)伍進(jìn)行交流，共同學(xué)習(xí)，共器在比賽過程中出現(xiàn)的各種意外情況進(jìn)行記錄。賽后，我們會同進(jìn)步， 共同完成最終的目標(biāo)。2010年7月30日《機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用》 25