（模式识别与智能系统专业论文）f180足球机器人视觉系统研究与设计.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 f 一1 8 0 足球机器人视觉系统研究与设计 摘要 足球机器人是当前机器人领域的一个研究热点。它融合了信息、自动化、通讯、机 电一体化和人工智能等关键技术，同时为相关领域内的理论研究提供了一个良好的实验 和测试平台。 足球机器人视觉系统是整个足球机器人系统中不可或缺的一部分。视觉系统担负着 获得所有比赛信息的任务，是整个足球机器人系统正常运作的基础。视觉系统的性能直 接影响着系统的整体性能。高实时性和一定的识别精度是对视觉系统设计的基本要求。 视觉系统的工作过程就是在保证实时性能和识别精度要求的前提下的视觉图像处理过 程。这个过程主要包括了颜色信息的处理、目标的搜索与标定方法、目标位姿参数的计 算等方面。 本文探讨了开发r o b o c u pf 一1 8 0 足球机器人系统的意义与可行性，并对f i r a 微型 组与r o b o c u p f 18 0 机器人足球比赛进行了比较。在对足球机器人视觉系统深入分析的 基础上，根据足球机器人的特点，参考我所现有的f i r a 足球机器人视觉系统，由h s i 模型辅助建立r g b 颜色查找表进行目标分割；在参考了一些强队的队标设计基础上， 实现了自己的队标设计与识别定位。此外，针对f 1 8 0 比赛系统的双摄像头采集设计了 多线程异步并行采集的系统结构。最后，为了解决图像形变严重的问题，采用t s a i 两步 法，实现了通过摄像机线性与非线性模型，对场地进行标定与校正。 关键词：f 1 8 0 机器人足球；颜色查找表；目标分割；摄像机模型；场地标定。 一i i 查i ! 垄兰翌主兰堡垒苎 垒! ! ! ! 竺! _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o f f - 1 8 0s o c c e rr o b o tv i s i o ns y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr o b o tt e c h n i q u e s o c c e rr o b o th a sb e c o m eo n eo ft h e h o tf o c u s e s i nt h i sf i e l d i tc o m b i n e st h et e c h n i q u e sf r o mi n f o r m a t i o n ，a u t o m a t i o n ，c o m m u n i c a t i o na n da i a n dp r o v i d e sa p l a t f o r mt ot e s ta l lt h e s es k i l l s v i s i o ns y s t e mi sv i t a lf o rs o c c e rr o b o t s y s t e m i t i s r e s p o n s i b l ef o rs e n s i n gt h e e n v i r o n m e n ta n di d e n t i f y i n ga l lt h eu s e f u li n f o r m a t i o na st h eg u a r a n t e eb yw h i c hs y s t e mc a n r u nn o r m a l l y 1 1 1 ep e r f o r m a n c eo fv i s i o ns y s t e mi n f l u e n c e st h ew h o l es o c c e rr o b o ts y s t e m d i r e c t l y h o wt og e tp r e c i s er e s u l t si nc e r t a i nt i m ei st h ec r i t e r i at oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c e o fv i s i o ns y s t e m t h et a s ko fv i s i o ns y s t e mi sp r o c e s s i n gi m a g e si nr e a lt i m ea n dw i t h i na s k e d p r e c i s i o n i ti n c l u d e st h ep r o c e d u r ei nc o l o rs p a c et r a n s f o r m ，o b j e c t ss e a r c h i n g ，c a m e r a c a l i b r a t i o na n dt a r g e t sl o c a l i z a t i o n i nt h i st h e s i s ，t h es i g n i f i c a n c ea n df e a s i b i l i t yi sd i s c u s s e df o rd e v e l o p i n gar o b o c u p f 一18 0s m a l ls i z es o c c e rs y s t e mi no u rr e s e a r c hi n s t i t u t e t l ed i f f e r e n c eb e t w e e nf i r am i c r o s o c c e rr o b o tg a m ea n dr o b o c u pf - 1 8 0s m a l ls i z es o c c e rg a m ei sa n a l y z e d o nt h eb a s i so f d e e pr e s e a r c hi nt h ev i s i o ns y s t e ma n dt h ec h a r a c t e r so fs o c c e rr o b o t ，a no b j e c ts e g m e n t a t i o n m e t h o di sg i v e no u tb yu s i n gr g bc o l o rl u tw i t hh s im o d e la sa na s s i s t a n tf a c t o r t h ec o l o r p a t c hu s e dt oi d e n t i f ya n dl o c a t eo u rr o b o t si ss e tu p ，b e s i d e s ，am u l t i t h r e a d i n ga s y n c h r o n o u s p a r a l l e ls y s t e ms t r u c t u r ei sd e s i g n e do na c c o u n to fd o u b l ec a m e r a su s e d a tt h ee n do ft h i s t h e s i s ，t h ec a l i b r a t i o no ff i e l di sr e a l i z e db yc o m p u t i n gt h el i n e a ra n dn o n l i n e a rm o d e lo f c a m e r a t h ed i s t o r t i o no ff i e l di m a g ei sc o r r e c t e da tt h es a n l et i m e k e yw o r d s ：r o b o c u pf - 1 8 0s m a l ls i z el e a g u e ，c o l o rl o o ku pt a b l e ，o b j e c ts e g m e n t a t i o n ， c a m e r am o d e l ，f i e l dc a l i b r a t i o n i i i 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名： 弦7 i 欠基， 签字日期： 2 矽易z - f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定；即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：导师签名 签字日期：签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章概论 第一章概论 1 1 机器人足球比赛简介及意义 机器人足球是由加拿大大不列颠哥伦比亚大学教授a l a nm a c k w o r t h 在1 9 9 2 年一次 国际人工智能会议上的论文o ns e e i n gr o b o t s 中首次提出的，研究目标是经过五十 年左右的研究，使机器人足球队能战胜人类足球冠军队。他的目的是通过机器人足球比 赛，为人工智能和智能机器人学科的发展提供一个具有标志性和挑战性的课题。此想法 一经提出，便得到了各国科学家的普遍赞同和积极响应，国际上许多著名的研究机构和 组织都开展研究，将其付诸实现并不断推动其发展。 目前，国际上有组织的机器人足球比赛分为两大系列f i 科1 1 和r o b o c u p 2 1 。 f i r a 是国际机器人足球联合会的缩写，它的起源与发展和韩国科学( 技术) 院( k a i s t ) 密不可分。f i r a 每年举办一次机器人足球世界杯赛( f i r ar o b o t - - s o c c e rw o r l dc u p ) ， 简称f i r ar w c 。一九九六年首届比赛时成立了国际机器人足球联盟( f i r a ) ，具体组织 比赛，并决定世界杯机器人足球赛每年在不同的国家举行一次。 f i r a 比赛项目主要有：n a r o s o t ( 超微机器人足球赛) s - m i r o s o t ( 单微机器人足球赛) m i r o s o t ( 微型机器人足球赛) r o b o s o t ( 小型机器人足球赛) k h e p e r a s o t ( 自主式机器人足球赛) h u r o s o t ( 拟人式机器人足球赛) s i m u r o s o t ( 仿真机器人) r o b o c u p 的原意为机器人世界杯( r o b o tw o r l dc u p ) 。1 9 9 7 年正式成立，总部设在 日本东京，正式注册瑞士伯尔尼。r o b o c u p 自1 9 9 7 年起每年举办一次机器人足球世界杯 赛( t h er o b o tw o r l dc u p ) 。在1 9 9 9 年的世界杯赛上，s o n y 公司推出了四条腿的机器狗 足球赛，表现出日本在这一领域居于领先地位。并将机器狗作为娱乐型机器人推向市场， 风靡一时。 r o b o c u p 的比赛项目主要有：s i m u l a t i o nl e a g u e ( 电脑仿真比赛) s m a l l s i z el e a g u e ( f - 1 8 0 ) ( 小型足球机器人赛) m i d d l e - - s i z el e a g u e ( f 2 0 0 0 ) ( 中型自主足球机器人赛) f o u r - l e g g e dr o b o tl e a g u e ( 四足机器人足球赛) h u m a n o i dl e a g u e ( 类人机器人足球赛) 东北大学硕士学位论文 第一章概论 图1 1 电脑仿真比赛 f i g j 1s i m u l a t i o nl e a g u e 图1 2 小型足球机器人赛 f 培1 ，2s m a l l - - s i z el e a g u e 图1 3 中型自主足球机器人赛 f i g 】3m i d d l e - - - s i z el e a g u e 倒1 4 四足机器人足球赛图1 5 类人机器人足球赛 r i g 1 4f o u r - l a g g e dr o b o tl e a g u e f i g 1 5h u m a n o i dl e a g u e 机器人足球是人工智能领域与机器人领域的基础研究课题，是一个极富挑战性的高 技术密集型项目，从一个侧面反映了研制单位在信息与自动化领域基础研究和高技术发 展的水平。它涉及的主要研究领域有：小车机械、机器人学、机电一体化、单片机、数 据融合、精密仪器、实对数字信号处理、图象处理与图象识别、知识工程与专家系统、 决策、轨迹规划、自组织与自学习理论、多智能体协调、以及无线通讯等等。要实现在 2 0 5 0 年进行人机大战，必须要使机器人具备人的体态、体感、体能、技能、智能、以及 感知能力，因此除了以上研究领域外，还涉及生态、材料、能源、传感技术等学科。 不难看出，需要创新的内容非常多，所涉及的研究领域也非常得多，并且不仅仅要 求在这些领域内要取得巨大的突破，还要求在各个学科之间要进行交叉与集成。机器人 足球同时又提供了一个标准任务，使得研究人员能够利用各种技术，获得更好的解决方 案，从而又反过来促进各个领域的发展。这也就是开展机器人足球研究的深远意义，也 是机器人足球研究的魅力所在。 机器人足球除了在科学研究方面具有深远的意义，它也是一个很好的教学平台。通 过它可以使学生将理论与实践紧密地结合起来，提高学生的动手能力、创造能力、协作 能力和综合能力。目前国家所提倡的素质教育中，能力培养是核心。机器人足球提供了 一个对学生的能力进行培养的大舞台。 索尼公司1 9 9 9 年利用机器人足球研究中的成果推出的宠物机器狗a i b o ，每只卖2 5 0 0 美元，虽然价格不菲，但在日本和美国市场上都非常畅销。当时，索尼公司的机器狗在 一2 一 东北大学硕士学位论丈 第一章概论 日本限额销售的3 0 0 0 只在2 0 分钟内就全部卖光。而在美国市场上，2 0 0 0 只在四天内也 全部卖光。索尼公司的负责人称：这个需求比预料的要大得多，这将会是一个大市场， 并称将来娱乐机器人产业将超过整个p c 产业。中国是一个玩具大国，但是中国玩具所 包含的科技含量很低。当机器人足球在展览和电视上亮相后，许多群众和厂家都希望能 将这一系统开发成游戏机或娱乐装_ ! 再! ，引入家庭或娱乐场所，可见在中国娱乐机器人、 民用机器人具备广阔的市场前景。 1 2 机器人足球比赛国内外水平现状 国内最早在硬件方面的研究基本上都属于f i r a 系列，最早着手开发的是东北大学， 其他还有哈尔滨工业大学、国防科大、浙江大学、中南大学等等。r o b o c u p 系列以清华 大学和中国科技大学成绩最为突出，清华大学获得过多年的r o b o c u p 仿真组的世界冠军， 中国科大“蓝鹰”队通过对4 条索尼a i b o 狗的精心训练，曾杀入了世界杯四腿组比赛 的八强，同样由科大组织的蓝鹰队在f - 1 8 0 小型组项目上也一直处于国内领先地位。 随着足球机器人比赛项目在国内引起了越来越多的高校重视与参与，各方面技术也 得到了不断的创新和提高，各个项目不断涌现出新兴的强队。 2 0 0 5 年，我国国内的机器人足球的主要有两场赛事：一是7 月4 日在成都西华大学 举行的第六届全国机器人足球锦标赛，同时也是国际机器人足球联盟( f i r a ) 2 0 0 5 年世 界杯机器人足球赛中国选拔赛；另一个是7 月2 8 日在江苏省常州市举行的新科导航杯 2 0 0 5 中国机器人大赛口j 。值得注意的是，在f i r a 半自主微型组，河海大学、重庆大学 实力有了很大的提高；全自主的强队则有上海交通大学、常州机电职业技术学院、哈尔 滨工业大学；而中国科技大学蓝鹰在r o b o c u p 小型组中，仍是具有绝对优势的强队，此 外浙江大学的求是队也具有较高的水平，这两个队伍是国内值得我们研究学习的两个强 队。 此外，在国际上，2 0 0 3 年7 月于意大利举行的第七届r o b o c u p 世界杯，共有2 4 支 球队参加了角逐，美国康奈尔大学获得冠军，他们此前多次获得过这个项目的冠军，其 他著名的强队还有来自澳大利亚墨尔本大学、德国柏林大学、新加坡南洋理工等学校的 队伍。 2 0 0 4 年6 月，第八届r o b o c u p 世界杯在葡萄牙里斯本举行1 4 】，获得f - 1 8 0 小型组冠 军的是德国柏林大学f uf i g h t e r s 队，亚军为澳大利亚昆士兰州大学r o b o r o o s ，季军为 新加坡南洋理工大学的幸运星( l u c k ys t a r ) 队。中国科技大学w r i g h te a g l e 队参赛 东北大学硕士学位论文 第一章概论 在d 区并列第二，由于进球数少而未能出线。 2 0 0 5 年第九届r o b a c u p 于七月在日本的大阪举行邹，f 一1 8 0 小型组的前三名为德国 柏林大学，美国康奈尔大学的b i gr e d 以及新加坡南洋理工大学的场地巡逻兵( f i e l d r a n g e r s ) 。中科大与浙大参加了比赛，但是都未能小组出线。 2 0 0 6 年，第十届r o b o c u p 将于德国不来梅( b r e m e n ) 举行【6 】，我们应该更多地了解国 内外队伍的发展现状，获取尽可能多的信息，争取尽快跟上前沿技术。 1 3f 一1 8 0 与f i r a 小型组的异同之处 我们东北大学人工智能与机器人研究所研制的f i r a 微型足球机器人，自1 9 9 9 年在 巴西的机器人足球世界杯赛获得项冠军后，一直走在国内的领先行列。自主型足球机 器人经过了所内老师与两届硕士研究生的努力，已经参加过两次国内比赛，并且崭露头 角。然而在r o b o c u p f 一1 8 0 小型组项目上，至今没有形成一个完整而成熟的队伍，还处 于n , j h , j 起步阶段。 由于r o b o c u p 的f - 1 8 0 小型组与f i r a 微型组具有一些相似之处，这就给我们研制 r o h o c u p 小型组足球机器人系统提供了一些有利的条件。比如二者同是集中视觉的半自 主足球机器人系统：同是采用黄蓝二色作为区别双方的队标；小车车体大小接近等等。 然而，同时二者还具有一定的差异，决定了它们在技术上的要求也有一定的区别，具体 列举如下 7 1 ： 1 、场地的区别。 r o b o c u pf 一1 8 0 场地比f i r a 微型组要大，表面为绿色地毯，而f i r a 为黑色地板。 由于f - 1 8 0 的场地大，即使只是每队五个机器人的对抗赛，也比f i r a 微型组十一个 机器人的比赛场地要大，因此摄像头需要悬挂得更高，才能够将整个场地都拍摄到；同 时，比赛需要两个摄像头分别拍摄赛场的两个半场，因此带来了双摄像头的多线程同步 采集问题；摄像头的广角更大，导致径向畸变增大，给图像处理增a n t 一定的难度。 r o b o c u pf - 1 8 0 场地摩擦系数比f i r a 要大，车体更高，小球却没有变化，导致小球 比较容易被车体挡住，视觉不易看到，同时带球行走更有难度。 r e b o c u pf - 1 8 0 球门更高更宽，在球门上方有一条细线作为球们上界，同时允许将 小球弹起从守门员上方弹入球门内，加大了守门员的防守难度，增n t 进攻方法的灵活 性。 2 、机器人队员的区别。 查韭垄兰翌主兰堡笙查 堡二兰坠 r o b o c u pf 一1 8 0 机器人外形要求在直径1 8 0 m m ，高1 5 0 m m 的圆柱内，实际中多为弧形。 而f i r a 的机器人更小，更矮，且为立方体状。 两种型号的机器人队标也不同。r o b o c u pf 一1 8 0 队标明确要求为圆形，f i r a 的微型 组则只对颜色和面积大小有所要求，不限形状，目前多采用矩形或三角形。 在机器人的驱动机构上，r o b o c u pf - 1 8 0 机器人以3 到4 个万向轮为主流，运动方 向更灵活；f i r a 多为两轮驱动，速度更快。显然，万向轮的制作与控制更为复杂对技术 要求更高。 此夕卜，在持球机构的配置上f i r a 的要求比较严格，不允许有持球的机构；而r o b o c u p f 一1 8 0 不仅由于球与地毯摩擦力较大，持球机构必需，同时需要配备弹射机构，可以将 小球弹入空中，进行传球、射门。而且r o b o c u pf - 1 8 0 使用滚轮带球，做任意方向的运 动，可以短时间内灵活带球。 3 、裁判的区别。 r o b o c u pf - 1 8 0 除了与f i r a 一样需要人做裁判，还需要裁判盒。人作为主裁判判罚 后，由副裁判操纵裁判盒，发送判罚指令给比赛双方的计算机，由计算机自动接收、分 析、决策、行动，完全不许双方人工的参与，更具有自动能力。 二者的竞赛规则区别不是很大，都要求禁区内不可过多球员，不可带球时间过长， 球的一定体积要在机器人外等。 值得注意的是r o b o c u pf - 1 8 0 将恶意碰撞视为一种犯规，以保护机器人。 4 、摄像头的区别。 目前，r o b o c u pf - 1 8 0 队伍多使用数字摄像机，直接采集数字图像，不需要采集卡。 f i r a 则大多为模拟摄像头。采用数字摄像机的好处在于，提高了成像的清晰度以及采集 频率；编写图像处理算法虽然不如使用采集卡有现成的函数可以应用，但是为写算法的 人提供了更多更灵活的发挥空间，更容易控制算法的繁简程度以及时间资源消耗。 由以上四点可见，总体来说r o b o c u pf - 1 8 0 比赛更为灵活，更接近人类的比赛模式， 同时在各个方面也对技术水平要求更高，具有一定的研究价值；同时由于二者具有一定 的相似之处，使得我所在短时闻内使用较少的人力物力，开发出具有比赛能力的r o b o c u p f - 1 8 0 系统具有可行性。 1 4 论文结构和主要工作 本文在了解了f i r a 微型组的足球机器人系统以及r o b o c u pf 1 8 0 小型组机器入足 东北大学硕士学位论文 第一章概论 r o b o c u pf - 1 8 0 机器人外形要求在直径1 8 0 r a m ，高1 5 ( r a m 的圆柱内，实际中多为弧形。 而f i r a 的机器人更小，更矮，且为立方体状。 两种型号的机器人队标也不同。r o b o c u pf1 8 g 队标明确要求为圆形，f i r a 的微型 组则只对颜色和面积大小有所要求，不限形状，目前多采用矩形或三角形。 在机器人的驱动机构上，r o b o c u pf _ 1 8 0 机器人以3 到4 个万向轮为主流，运动方 向更灵活；f i r a 多为曲轮驱动，速度更快。显然，万向轮的制作与控制更为复杂对技术 要求更高。 此外，在持球机构的配置上f i r a 的要求比较严格，不允许有持球的机构；而r o b o c u p f - 1 8 0 不仅由于球与地毯摩擦力较大，持球机构必需，同时需要配备弹射机构，可以将 小球弹入空中，进行传球、射门。而且r o b c c u p 卜1 8 0 使用滚轮带球，做任意方向的运 动，可以短时间内灵活带球。 3 、裁判的区别。 r o b o c u pf - 1 8 0 除了与f i r a 一样需要人做裁判，还需要裁判盒。人作为主裁判判罚 后，由副裁判操纵裁判盒，笈送判罚指令给比赛双方的计算机，由计算机自动接收、分 析、决策、行动，完全不许双方人工的参与，更具有自动能力。 二者的竞赛规则区别不是很大，都要求禁区内不可过多球员，不可带球时间过长， 球的一定体积要在机器人外等。 值得注意的是r o b o c u p 卜1 8 0 将恶意碰撞视为一种犯规，以保护机器人。 4 、摄像头的区别。 目前，r o b o c u pf - 1 8 0 队伍多使用数字摄像机，直接采集数字图像，不需要采集卡。 f i r a 则大多为模拟摄像头。采用数字摄像机的好处在于，提高了成像的清晰度以及采集 频率：编写图像处理算法虽然不如使用采集卡有现成的函数可以应用，但是为写算法的 人提供了更多更灵活的发挥空间，更容易控制算法的繁简程度以及删间资源消耗。 由以上四点可见，总体来说r o b o c u pf - 1 8 0 比赛更为灵活，更接近人类的比赛模式， 同时往各个方面也对技术水平要求更高，具有一定的研究价值；同时由于二者具有定 的相似之处，使得我所在短时闻内使用较少的人力物力，开发出具有比赛能力的r o b o c u p f 1 8 0 系统具有可行性。 1 4 论文结构和主要工作 本文在了解了f i r a 微型组的足球机器人系统以及r o b o c u pf - 1 r 0 小型组机器人足 本文在了解了f i r a 微型组的足球机器人系统以及r o b o c u pf - 1 8 0 小型组机器人足 东北大学硕士学位论文第一章概论 球国内外强队信息的基础上，与他人合作搭建了自己的f 一1 8 0 足球机器人系统，主要讨 论了系统中的总控与视觉部分。 第二章主要讲解了f - i 8 0 机器人足球的比赛规则及集控式足球机器人系统的组成， 并对各个子系统的功能做了清晰的表述。整体结构以模块功能为标准进行了更加细致的 划分。同时，采取多线程并行结构，并行运行各个子系统，缩短了系统周期。 第三章主要讲解了足球机器人全局视觉子系统的硬件构成、软件模块构成以及工作 流程。其中介绍了具体的硬件参数、图像采集方式以及图像采集的多线程控制方法。 第四章主要讨论了足球机器人视觉中所用到的图像处理问题，其中包括颜色模型、 颜色查找表、区域增长以及色标的设计与识别。 第五章探讨了足球机器人视觉图像畸变的解决方法，从摄像机成像原理出发，建立 摄像机模型，推出从场地坐标到像素坐标的变换公式，其中包括了摄像机的线性模型与 径向畸变模型。在将一系列已知点带入模型求出参数的最小二乘解之后，即可实时应用 这一公式，快速求出目标的世界坐标。 第六章总结了本文所做的工作，指出了工作中存在的一些不足和不成熟之处，并据 此提出了对未来工作的展望。 一6 一 东北大学硕士学位论文第二章f - 1 8 0 机器人足球比赛系统概述 第二章f 一1 8 0 机器人足球比赛系统概述 2 1f 一1 8 0 最新规则简介 2 0 0 3 年，r o b o c u p 组织对f - 1 8 0 的比赛规则进行了修改，场地变得更大，并且可以 使用两个同步摄像头。这一新的规则文档可以在r o b o c u p 的官方网站上下载，为p d f 格 式。此外，每年比赛的组办方都会建设一个自己的网站，重新公布当年的比赛规则文档， 因此目前还有2 0 0 4 、2 0 0 5 两个版本，2 0 0 6 版还没有公布。2 0 0 4 版和2 0 0 5 版基本上与 2 0 0 3 没有太大差异。这里参考2 0 0 5 版【”，对比赛规则进行概括与总结： 1 、比赛场地为矩形，包括边界线长4 9 0 0 m m 宽3 4 0 0 m m ，表面为绿色地毯，下面的地 板水平，平坦坚硬。场地四周有3 0 0 m m 的边界。边界外有墙，防止机器人跑到外面。所 有的场地线都是白色1 0 t a r a 宽。半场线将场地分成两半，中间一个直径1 0 0 0 m m 的圆形。 赛场上画一中心位于两个门柱的中点、半径5 0 0 m m 的半圆弧作为禁区，以圆弧和球门线 所围起的区域为防守区域。禁区内有一个罚球点，距离两门柱间的中点4 5 0 m m ，并与两 个门柱等距。该点由一个1 0 r a m 直径的白色圆形标志。球门放在每个底线边界的中心， 由两个1 5 0 m m 竖直边墙、后面1 5 0 m m 竖直的墙连接组成。球门里面涂成一个蓝色一个黄 色，墙上边为白色。球门的上方有一条透明或者半透明的横线，且必须足够结实来使球 偏转。球门的两个边墙相距7 0 0 m m ，球门1 8 0 m m 深。球门横线的底边到场地表面距离 1 5 0 m m 。球门内部的表面和场地上其它地方一样。球门厚度和场地线一样都是1 0 m m 。装 备横梁在场地上4 米高。比赛场地的照明为5 0 0l u x 或更亮。从2 0 0 4 年起，不再使用 特殊的照明设备来提供这一条件。如果有赛队使用局部视觉( 机器人带着自己的摄像 头) ，赛会要提供1 0 0 r n n 的白墙，在边界外的3 0 0 m m 范围内防止干扰视觉系统。 图2 1f - 1 8 0 小型组比赛场地示意图 f i g 2 1t h ef i e l do f f 1 8 0s m a l ls i z el e a g u e 一1一 查! ! 垄堂堡主兰堡垒查 苎三主! ：! 塑垫墨垒垦堕堕鲞墨垫垫垄 2 、比赛使用的小球为标准的黄色高尔夫球，如果球坏了必须先停止比赛，把各用球 放在原来变坏的地方，重新开始。 3 、每队5 个机器人，包括一位事先指派的守门员。比赛中断才可换人，次数不限制。 机器人必须不会伤害自己、别的机器人以及人类，机器人的轮子必须对场地没影响。机 器人体积位于直径1 8 0 r a m ，高1 5 0 m r n 的圆柱内，队标为黄蓝色直径5 0 m m 的圆形标志，放 在顶端中间。黑色和白色可随意使用，也可以使用浅绿，浅粉和青色。持球机构可以给 球施加反向的旋转力，但必须与场地平面正交垂直。用全局视觉系统或者分布式视觉系 统都可，可以使用一个或多个摄像机，但不可以突出于场地横梁下端1 5 0 r a m 。无线通讯 没有具体要求。 4 、机器设备完全自主，除非半场或结束，比赛中不可给设备加入任何信息。比赛的 裁判有主裁判一人，副裁判一人，主裁判发出判罚命令后由副裁判操纵裁判盒，由裁判 盒发出串e l 通讯信号给比赛双方。关于裁判盒的具体资料可以于比赛前在官方网站上下 载。 5 、比赛上下半场各1 0 分钟，除非裁判与参赛两队达成一致。任何改变比赛时间的 协定( 比如由于时间紧迫，将上下半场时间降低至各7 分钟) 必须在比赛开始前决定。 在比赛中间半场间隔不能超过l o 分钟。竞赛规则必须规定清楚半场间隔的时间。只有 在两队和裁判的同意下= = j 能改变半场间隔时间。比赛初始每队均被分派四次暂停。每队 所有暂停时间加起来不能超过l o 分钟。比如在三次各1 分钟的暂停后剩下的暂停时间 最多为7 分钟。由于发生替换队员、评估对于小车的损坏、将损坏小车移出场地修理等 原因浪费时间，可以补充损耗时间。 6 、比赛中没有越位。与对手发生激烈碰撞、阻挡对手、故意持球( 除非是守门员在 自己的防守区域) 、第二个防守队员同时进入防守区域影响比赛、第二个进攻队员同时 进入对方防守区域，以上五种情况将判罚直接任意球。五个机器人中的任意一个在自己 的禁区内犯规，将给对方一个点球。持球队员在自己的禁区内犯规，将判给对方间接任 意球，例如：持球时间超过1 5 秒钟没有将球释放出自己的控制、将球释放而其它机器人 没有碰到球时再次持球、没有碰到其它任何机器人到中线时才释放球、在禁区内碰撞守 门员、运球超过5 0 0 r a m 。 2 2f 1 8 0 机器人系统结构 足球机器人系统在硬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 8 东北大学硕士学位论文 第二章f - 1 8 0 机器人足球比赛系统概述 装置；从功能上分，它包括机器人小车、总控、视觉、决策和无线通讯5 个子系统。 2 2 1 机器人小车子系统 f - 1 8 0 足球机器人的小车机构设计比较复杂，在小小的车体上需要实现众多的功能： 万向结构，非此不能比赛；带球机构，非此不能传球、停球；踢球机构，非此不能射门； 与控球有关的传感器，直流伺服电机控制与电池优化等等。由于尺寸小，希望实现的功 能又较多，设计上要使各个部分结构紧凑，可靠，又不会干涉，有一定的困难。 主要技术参数包括，定量指标： 最大形体尺寸：高1 5 0 眦n ，机器人能够放进直径为1 8 0 m m 的圆筒中；最大线速度( v ) 2 o m s ；最小加速度( a ) 1 2 o m s 2 ：球击出速度2 5 m s ，击杆行程1 0 到1 5 m m ，击杆 回收时间小于1 秒。 定性指标： 总体质量轻，重心低，结构尽可能对称，系统转动惯量小，运动系统灵活、可靠。 连接部件牢固、防松；整体刚性好，具备较好的防撞击性能；外形尺寸尽可能的小；结 构设计要考虑接插件连接方便、可靠；更换电池方便，运动中电池要防止松动；电源开 关、系统设置开关要放在便于操作位置；便于安装，拆卸，调试和维修。 主要的功能单元有： 1 行走机构：行走机构是机器人结构设计中的关键部分，目前小型足球机器人仍采 用轮式行走机构，通常有两轮式，三轮式或四轮式，主流采用全方位轮。早期在结构设 计中多采用双排组合式万向轮阍，如图2 2 所示，这种万向轮的缺点是转动不够平滑： 而近期国际国内强队则纷纷改为四个单排万向轮，如图2 3 所示，多个小密封圈可以实 现轮子平滑的滚动。底盘4 个单排轮设计的优点在于增加机器人的驱动力从而提高机器 人的加速度。单排轮可实现机器人的全向运动，此外还有提高摩擦系数从而提高机器人 加速度、减少占用空间等优点。 翻2 2 早期双排组合万向轮结构图 f i g 2 2s t r u c t u r eo f e a r l yd o u b l er o wo m n i d i r e c t i o n a lw h e e l 一9 燮兰塑主兰堡垒查 釜三主! ：! 翌垫墨堡垒些查墨垫垫垄 图2 3 四个单排万向轮实物图 f i g 2 ，3s t r u c t u r eo f f o u ro m n i d i r e c t i o n a lw h e e l s 行走机构除了上述关键的方案设计和轮子结构设计外，根据设计指标中的尺寸、速 度、加速度等要求，还要考虑选用电机，分配传动比，确定零部件尺寸，布置安装方式， 空间位置校核等具体设计计算。这里不再叙述。 图2 4 小车底盘实物图 f i g 2 4 b o t t o mp i c t u r eo f t h er o b o t 图2 5 小车单个万向轮实物图 f i g 2 5p i c t u r eo f ao m n i d i r e c t i o n a lw h e e l 2 击球机构：在快节奏和瞬息万变的足球机器人激烈比赛中，及时把握射门机会非 常重要，一旦掌握射门机会，在较远的位置能准确把球射入对方球门是目前足球机器人 比赛中取胜关键之一。因此击球机构在足球机器人中起着非常关键的作用。击球机构设 计主要考虑蓄能和瞬间释放机构，可以采用的方案有弹簧、电磁铁机构、气动机构等。 目前，本课题击球机构采用弹簧储能弹射的方式。经过测试可以准确快速地将球击出， 但球速有待测试。 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章f - 1 8 0 机器人足球比赛系统概述 图2 6 射门机构实物图图2 7 带球机构实物图 f i g 2 6k i c k e ro f t h er o b o t f i g 2 7d r i b b l i n gd e v i c eo f t h er o b o t 3 带球机构：带球如同球和机器入粘在一起，机器入在比赛过程中往往需要带球运 行，寻找最佳射门点或传球点，带球机构是足球机器人中又一个不可缺少的关键机构。 机器人能够实现在前进、转弯、后退等运行状态下带球是带球机构所要达到的目标。比 赛用球有4 6 克重，而比赛规则规定机器人身体遮盖球的部分不超过球表面积的2 0 ， 不能采用抱球的机构，在机器人与球之间仅有的一点接触面上使机器人能把球拿住并一 道运行对带球机构的设计具有一定的难度。带球机构设计的关键是带球机理与结构方案 的设计，设计思想为：机器人在前进、转弯、后退的运动中对球产生一个驱动力或力矩， 使球产生相应的运动，并使球始终保持与机器人在一起，因此运动过程中，需要两者速 度满足匹配关系。根据以上设计思路，我们设计了由电机、齿轮及带传动机构、滚轮、 支架等组成的带球机构。在机构设计中，关键是使球产生相对机器人运动结构，用一个 具有一定弹性的滚轮与小球发生滚动式接触，靠摩擦力产生的转矩带动球在地面产生朝 向机器人的滚动。这里设计的重点是弹性滚轮与球之间的摩擦力以及滚轮转速，最终作 用效果为球心的水平运动速度。 圈2 8 带球机构力学分析 f i g 2 8d y n a m i c sa n a l y s i so f d r i b b l i n gd e v i c e 东北大学硕士学位论文 第二章f - 1 8 0 机器人足球比赛系统概述 4 辅助部分：辅助部分设计主要考虑电路板布置合理，多传感器位置分布，开关位 置便于操作，连线插拔方便，电池更换方便，机器人质心尽可能位于对称轴线上等。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，设计时要求综合考虑，要有 足够的强度，同时又要减轻重量，为此把底盘上冗余部分全部去除，选用较轻的硬铝制 造。 2 2 2 总控子系统 总控子系统处于整个系统的最高层，负责系统初始化、创建数据交换缓冲区、任务 调度、时间分配、系统卸载、系统处理、结果显示等过程处理。它相当于一个程序容器 ( c o n t a i n e r ) ，内部包容了多个子系统。对于总控子系统来讲，其内部各子系统的地 位是平等的。它只是按照一定的顺序调用不同子系统，并使它们协调工作【9 】。 总控制系统主要有以下几个任务： 1 任务调度。就是精确控制其他各予过程的运行时序，并在多线程框架下控制各个 线程之间的同步和互斥。在实战模式下的系统运行顺序为：视觉过程一决策过程一通讯 过程一显示过程。 2 系统初始化。创建其他各个予系统并分别初始化。同时读取数据文件和配置文件， 并为系统处理结果的显示分配g d i ( 图形设备接口) 资源。 3 系统卸载。分别卸载各个子系统，储存数据文件和配置文件，并卸载g d i 资源。 由于足球机器人是一个实时的系统，系统的性能随着系统周期的缩短而提高，因此 我们需要尽量的缩短系统周期。目前在上位计算机上整个系统的周期包括4 部分，分别 是图像采集时间、图像处理时间、决策处理时间和命令发送时间。总控系统的功能之一 就是任务调度，即如何分配不同子系统的运行。系统总的结构可以分成串行和并行两种。 当系统采用串行结构时，各个组成部分所完成的任务要按时间顺序进行排列，某一部分 工作时，其他部分在等待。这种结构相对便宜，且容易编程，适用于实时性能要求不高 的场合。当系统采用并行结构时，并行的各个部分可以同时工作，对于实时性要求高的 场合，这种结构模式在系统设计中举足轻重1 0 】。 东北大学硕士学位论文 第二章f - 1 8 0 机器人足球比赛系统概逑 图2 9 集控式足球机器人系统结构示意图 f 塘2 ，9s t r u c t u r eo f c e n t r a l i z e ds o c c e rr o b o ts y s t e m 此外，和一般的足球机器人系统不同，本文所讨论的系统的视觉部分使用了两个摄 像头于两个采集卡，因此给总控的设计有增加了难度。具体解决方案将在后面第三章说 明。 2 2 - 3 视觉子系统 视觉子系统是机器人的眼睛。它由两个悬挂在球场上空4 米的摄像头及其相关软硬件 组成的，其主要任务是图像获取和图像处理，得到机器人和球的位置与角度信息并传递 给策略子系统。由于比赛过程中有关环境的信息主要通过视觉系统获取，因此视觉系统 的正常工作是保证整个比赛正常进行的前提。视觉系统的识别精度和识别速度则直接影 响到整个系统的实时性能。在足球机器人视觉信息的相关处理技术中，辨识的可靠性和 快速性是考察视觉信息处理技术的两大重要指标。论文在接下来的章节中将通过对足球 机器人视觉系统的深入分析，在视觉信息处理技术上展开研究，以提高微型足球机器人 视觉系统的实时性能和识别精度。 2 2 4 决策子系统 装在主机中的决策子系统根据视觉系统给出的数据，判断场上攻守态势，分配本方 机器人攻守任务，决定各机器人的运动轨迹，然后形成给各小车左右轮轮速的命令值。 2 2 5 无线通讯子系统 无线通讯子系统通过主机串行口拿到命令值，再由独立的发射装置与装在小车上的 东北大学硕士学位论文 第二章f - 1 8 0 机器人足球比赛系统概述 接收模块建立无线通讯联系，遥控场上各机器人的运动。在机器人足球比赛过程中，上 述4 个子系统以每秒二、三十次，甚至更高的速率连续运行，人不得干预。 2 3 多线程机制 由于采用了双摄像头双采集卡，而两个采集卡的采集需要同步进行，所以又引入了 多线程机制。多线程的一个重要问题就是要保证线程问的同步互斥，即要精确地保证不 同线程执行的先后顺序，同时不能让多个线程同时操作同一片内存。本文通过w i n d o w s 底层数据结构e v e n t 来实现线程问的同步。由于串口发送命令操作属于1 0 ( 系统输入输 出) 操作，因此采用i o 异步操作来实现命令发送的并行。关于图像采集和图像处理之间 的并行操作，在后面的3 _ 3 3 节有更详细介绍。 东北大学硕士学位论文第三章足球机器人全局视觉子系统设计 第三章足