Water Team秘密技術(shù)

機器人技術(shù)與應用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中型組機器人的硬件控制、程序決策、圖像采集處理、多機器人協(xié)作等，特別對其中的重點(diǎn)技術(shù)細節進(jìn)行詳細描述。關(guān)鍵詞: RoboCup中型組， 足球機器人1引言所示。為了提高電磁鐵的驅動(dòng)力.我們設計了一套升壓電路.將北京信息科技大學(xué)Water Team (水隊)建立于2005年，由北24V的基本供電拉升到380V，儲存在一一個(gè)電容陣列中。我們試圖通京信息科技大學(xué)機電I程學(xué)院與機器人實(shí)驗室團隊組建，主要任務(wù)過(guò)設置電容放電順序將電能最大程度地轉化為擊球的機械能。經(jīng)過(guò)是在“大學(xué)生中培養科技創(chuàng )新人才，提高學(xué)生實(shí)踐能力。實(shí)驗室團隊的研究方向主要是:機器人視覺(jué)、構件的軟件體系結構、路徑規劃、定位、通信形式和控制模型。Water Team從建立至今，連續參加了7屆RoboCup國內國際公開(kāi)賽。其中，在2008和2009 Robocup國內賽中獲得兩次亞軍.今年奪得國際、國內的兩個(gè)冠軍!球調專(zhuān)理行2硬件控制體系水隊( Water )的原創(chuàng )機型從2004年開(kāi)始設計，每年都在改圖2吸球機構進(jìn)。2006年， 第一臺兩輪機器人誕生。2007年， 我們對兩輪機器人調整， 目前我們的機器人擊球最進(jìn)行了大規模升級，改進(jìn)了機器人的視覺(jué)部分和電機驅動(dòng)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。足球機器人誕生。該原創(chuàng )機型具有極高的機動(dòng)性和便攜性。據在場(chǎng)地上的不同位置調整射門(mén)好視覺(jué)的效果是能夠提供機器人在賽場(chǎng)上精確的定位，從而的力量。保證它的射門(mén)精度。持球器的控球能力是電機提高轉速的關(guān)鍵因吸琳構(圖)是我們今年剛圖3吸球機構工作原理素。今年我們對機器人視覺(jué)、電機驅動(dòng)器和持球器三個(gè)部分的升級，大幅度地提高了機器人的射廠(chǎng)]精度、控球能力和運動(dòng)速度。這是我們此賽取得好成績(jì)的主6月24日，新加坡，國際2010機器人世界杯(RoboCup)中型組決賽，中國北京信息科技大學(xué)"Water" (水隊) 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)的機體中，我們采用了電磁驅United" (科聯(lián)隊) ，榮獲機器人足球世界杯冠軍。動(dòng)方式，運用杠桿原理形成一個(gè)挑射的機構。如圖1這是當今機器人賽事上含金量最重的一塊金牌，基本上代表了機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(chǎng)，水隊載譽(yù)而來(lái)，他們不負眾望，-路過(guò)關(guān)斬將，摘取了國內機器人大賽RoboCup中型組比賽項目的桂冠?？粗?zhù)這樣一支勁旅，賽場(chǎng)旁的觀(guān)戰師生無(wú)一不豎著(zhù)大拇指嘆服:厲害。面對優(yōu)異的成績(jì)，水隊師生們說(shuō); "Water不會(huì ) 止步于冠軍，Water會(huì )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(yǔ)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而動(dòng)。，這就是水隊。圈1擊球器原理簡(jiǎn)團2010年7月30日《機器人技術(shù)與應用》 11中國機器人大賽暨RoboCup公開(kāi)賽專(zhuān)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(gè)球員程序的連接。當場(chǎng)上球員連接到教練程序時(shí)，教練筆記本電腦7程序自動(dòng)在內部的結構體中為該球員注冊身份。在決策模型上，我們構建了一個(gè)環(huán)境類(lèi)，在該類(lèi)實(shí)例中包含了數個(gè)結構體，分別記錄場(chǎng)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(mén)的方向、球的位置、每個(gè)球員周?chē)恼蠐羟蚱髁α框寗?dòng)電力驅動(dòng)控制礙物等等。當這些數據出現更新時(shí)，環(huán)境類(lèi)自動(dòng)調用自身的決策函dine對外0數，從當前信息中計算出各球員應該執行的任務(wù)。cortia單體機器人程序的設計基于行為的控制思想，編碼方式遵循特球基傳感器面向對象的設計風(fēng)格，通過(guò)各種抽象對象的組合來(lái)組織代碼，條理mechansenSpinde dreCSornsonodbal清晰，便于理解。主精資動(dòng)急停開(kāi)關(guān)Spincte dhre B整個(gè)架構可分為四個(gè)層次(如圖6所示) :Sloo switch主地驅動(dòng)A硬件通信層是一些直接與硬件設備通信的對象，這里包括- -個(gè)Spinde dherA與機器人主體的數據交流的串口通信對象。視頻捕捉因為對通信速率圍4硬件控制流程圖要求很高，通過(guò)USB連接,所以其設備對象與機器人主體獨立分開(kāi)。設計的所機構，下面重點(diǎn)介紹下。指令協(xié)議解析層是機器人控制架構的核心，指令協(xié)議對象將簡(jiǎn)單地說(shuō)，吸球機構的工作原理是靠滑動(dòng)摩擦力來(lái)“吸住"進(jìn)行機器人實(shí)體控制指令的編制、對下位機返回的傳感器數據和機球的。當球向前滾動(dòng)時(shí)，兩個(gè)吸球機構，上兩個(gè)黑色的小輪子的轉動(dòng)器人狀態(tài)數據的解析轉換。決策邏輯行為層是-些抽象行為的對象，這些對象通對協(xié)義對象的傳感器數進(jìn)行局部的行為規劃，操作協(xié)議對象向機器人底層發(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(shí)刻只環(huán)境模型能允許一個(gè)行為對象與協(xié)議對象連接,避免了出現行為混亂的情形。機器人的各種行為切換通過(guò)改變與協(xié)議層連接的行為對象來(lái)實(shí)現，這種切換操作可以由當前活動(dòng)行為進(jìn)行，也可由決策層對象來(lái)進(jìn)行。通信接口決策層是機器人本地的最高層，仲裁決策對象通過(guò)本地傳感器數據、機器人運行狀態(tài)以及遠程端教練程序發(fā)來(lái)的指令數據進(jìn)行各種行為的組織，既可以直接操作協(xié)議層對象發(fā)送機器人具體行為(N號)指令，也能通過(guò)行為對象的切換控制機器人的行為狀態(tài)。例如，比賽中大場(chǎng)地下常遇到的巡航避障任務(wù):第一步,遠圈5決策通信圈程端發(fā)送目標位置數據到本地決策層，決策層將第- -個(gè)航 點(diǎn)傳遞給方向如圖3所示。這樣足球會(huì )受到相切于其上表面向后下方的兩個(gè)巡航行為對象，并將其與協(xié)議層對象連接，巡航行為對象驅使機器滑動(dòng)摩擦力，這兩個(gè)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。到達第一-航點(diǎn)時(shí)， 第-一個(gè)巡航行為結束，巡航行為-個(gè)力。另外，兩個(gè)輪子的轉動(dòng)也能帶動(dòng)球的轉動(dòng)，這樣在機器高對象向決策層請示第二二航點(diǎn)數據，進(jìn)行第二個(gè)巡航行為，如此直到速帶球進(jìn)攻的時(shí)候，既能保證持球不被對方隊員所搶?zhuān)材鼙ＷC在所有航點(diǎn)遍歷結束。在巡航過(guò)程中，若出現障碼物阻擋的情況，則帶球過(guò)程中球是自然滾動(dòng)狀態(tài)，不會(huì )犯規。巡航行為對象暫時(shí)將控制權交給避障行為對象，切換到避暗行為狀另外，我們在吸球機構設計的過(guò)程中也考慮到了各種參數的態(tài)，繞開(kāi)障礙物之后，壁障行為對象再將控制權交還巡航對象，繼可變性。當吸球機構固定在機器上時(shí)，我們可以通過(guò)它上面的兩個(gè)續巡航行為。較長(cháng)的調節螺母來(lái)調節其在水平和豎直方向的位置，以便兩個(gè)小黑另外，行為層的操作不是固起的，會(huì )因為行為的劃分而有所不同。輪和球處于恰當的位置，從而使球獲得適當的作用力。圖2中的平衡彈簧也是一根可調節變形量的彈簧，其作用是用來(lái)平衡球對吸球4圖像采集處理體系機構向上和向后的作用力。在全景視覺(jué)平臺中，我們采用了全景反射鏡的方案，它能夠整個(gè)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(gè)問(wèn).在通信方式上，為讓不同機型的機器混合參賽，我們采用C/題。S架構，使用TCP/IP協(xié)議(圖5)。場(chǎng)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。 《機器人技術(shù)與應用》 第4期“萬(wàn)萬(wàn)數據”機器人技術(shù)與應用基于這種畸變圖像上的形狀識別，我們還在研究中。但是在調試過(guò)程中，我們已經(jīng)找到一些模糊的、 比較粗糙的界定目標物的辦法，能夠在- -定程度上起到排除相似顏色干擾的效果，即通過(guò)建立色塊大小與距中點(diǎn)距離關(guān)系的-一個(gè)哈希表。當獲取-一個(gè)疑似目標色塊時(shí)，我們]通過(guò)色域質(zhì)心到中點(diǎn)的距離，在哈希表中找到對應的控制操作傳感都數解色域尺寸值，再與實(shí)際色域尺寸進(jìn)行比對，通過(guò)一個(gè)經(jīng)驗公式求取相似評估值。當對每個(gè)疑似目標進(jìn)行了相同的處理之后，對所有疑視所數營(yíng)化似目標的評估值進(jìn)行排序，取評估值最大的疑似對象作為目標。通過(guò)實(shí)戰驗證，這種方式可「地n通訊計物檢制時(shí)富串口等)以大大提高在多個(gè)相似顏個(gè)色干擾下對特定目標識別的準確性。世用楓型角色抽掌屋5多機器人協(xié)作機器人通信黑板團6軟件決策流程圖在多機器人行為中.框架，能獲得640x 480.60幀/秒的視頻我們采用的是全局規劃和流，可以很好地滿(mǎn)足比賽的需要。同個(gè)體自主行為相結合的方圈9多機架構時(shí)，鏡頭光圈和焦距是可調的，這為適式。場(chǎng)外的教練程序會(huì )對應不同的光強環(huán)境做好了準備(見(jiàn)圖7場(chǎng)上形勢變化和裁判盒指令做出反應，在事先輸人的方案庫中搜索所示)。應對當前局面最適合的方案。目前我們的通信架構經(jīng)過(guò)初步的測對于全景圖像中的色塊處理，流程試，已經(jīng)穩定(圖9)。方案庫里的方案數量，已可以應付-場(chǎng)比如圖8所示。攝像頭獲取的圖像經(jīng)過(guò)轉賽正常進(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，我們根據事先標定好繼續豐富中。的HSIParam結構體對圖像進(jìn)行二值化處圈7全景鏡聯(lián)合定位。根據比賽規則變化趨勢,比賽場(chǎng)上的顏色標記將理。由于比賽中光線(xiàn)和顏色的變化，經(jīng)會(huì )逐漸取消，為了適合明年無(wú)球門(mén)顏色的規則變化，我們正在嘗試常會(huì )出現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國像數據圈10聯(lián)合定位示意圍e90費無(wú)羅盤(pán)情況下的視覺(jué)聯(lián)合定位方法(圖10)。在無(wú)球[ ]顏色的場(chǎng)地上，我們通過(guò)用射線(xiàn)掃描到的白線(xiàn)點(diǎn)與標準場(chǎng)線(xiàn)的比對，可以獲得機器人在場(chǎng)上的參考位置。由于標準場(chǎng)線(xiàn)的對稱(chēng)性，通常會(huì )獲得的是四個(gè)以上參考位置，但是往往真相只Craon ProcenconcEonaetProc有一個(gè)，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(guò)隊友佩戴的色標，場(chǎng)上每個(gè)機器人個(gè)體可以大致測量出臨近隊友的相對價(jià)置:所有隊品路該信自回饋到場(chǎng)外教練處進(jìn)行近通過(guò)對圖像中各目標顏色進(jìn)行二值化和抗干擾處理之后，我似匹配中國煤化工每個(gè)個(gè)體的其體身份。們獲得了場(chǎng)上各目標物的形狀。由于使用的全景攝像機得到的圖像YHCN M H Gt應該是連續的，通過(guò)將帶有非線(xiàn)性的畸變，我們目前還無(wú)法用簡(jiǎn)單的方法精確區分目標物上次匹配結果作 為本次場(chǎng)線(xiàn)匹配的種子點(diǎn)的方法，可以保證正確和與目標物帶有相同顏色的其他物體。(■下轉第25頁(yè))2010年7月30日《機器人技術(shù)與應用》 13機器人技術(shù)與應用3.5技術(shù)挑戰賽策略分析吸引更多的院校來(lái)參加，共同促進(jìn)中國水中機器人技術(shù)的發(fā)展。在技術(shù)挑戰賽所包括的三個(gè)子項目(單魚(yú)頂球、雙魚(yú)對游、⑤修改某些項目的比賽規則，例如12米競速賽， 這次比賽出現多自由表演)中，我校的自由表演項目實(shí)力相對較弱，這次花了較多支隊伍并列第一 的情況,說(shuō)明這個(gè)項目的規則還有必要進(jìn)行調整。的時(shí)間改進(jìn)。例如，在由10條魚(yú)分成兩組進(jìn)行多種花樣變換時(shí)，增加了技術(shù)難度，設計單魚(yú)繞中心旋轉，多魚(yú)協(xié)作游圓形等高難度動(dòng)5展望作;在完成基本動(dòng)作的前提下，還要考慮整體美觀(guān)和兩組魚(yú)的同步作為進(jìn)入機器人領(lǐng)域的起步階段我校選擇以仿真比賽的形配合問(wèn)題。式，雖然取得了可喜的成績(jì)，但是我們不能驕傲，要認清自己?jiǎn)昔~(yú)頂球和雙魚(yú)對游屬于我校優(yōu)勢項目，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樣保持優(yōu)勢。在繞球問(wèn)題上繼續做了改進(jìn)，雙魚(yú)對游采用繞圓形的努力。方法，單魚(yú)頂球采用自由表演中繞中心旋轉的策略，均使時(shí)間進(jìn)一下一階段，我們準備將明年的水中機器人大賽爭取到西南民步縮短。族大學(xué)來(lái)舉辦，以此擴大該賽事在西南地區的影響;同時(shí)我校也準備參加全局視覺(jué)機器魚(yú)比賽，將理論和實(shí)際結合起來(lái)，在實(shí)際中檢4對平臺和規則的建議驗我們的仿真成果，進(jìn)行全局視覺(jué)機器魚(yú)比賽也可以快速提高我們在比較短的時(shí)間里，組織者能夠開(kāi)發(fā)出一套完整、可用的比的技術(shù)，這也預示著(zhù)我校全面向機器人領(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(guò)，在我們備戰比賽和參加比賽的生的創(chuàng )新和動(dòng)手能力。過(guò)程中，發(fā)現一些有待改進(jìn)的地方。①針對障礙競速賽、單魚(yú)頂球和雙魚(yú)對游等項目的計時(shí)問(wèn)題，參考文獻可以將最小計時(shí)單位定為毫秒，這樣可以盡量減少并列的隊伍。[1]陳言俊,李果,陳宏達,等.仿生機器魚(yú)水球比賽策略系統的初步探②在場(chǎng)地追逐賽中，建議障礙物能隨機安放，這樣可以提高究 機器人技術(shù)與應用，209(4);29- -32.比賽的難度和挑戰性。[2]北京大學(xué)智能控制實(shí)驗室.全局視覺(jué)機器人水球比賽-水中機器人③在試驗過(guò)程中，我們發(fā)現，當加載策略完成一個(gè)項目的比競賽系列教材之三:北京大學(xué).賽后，如果再次進(jìn)行該項目的比賽，經(jīng)常需要重啟平臺，否則魚(yú)的(3)]王碩等 沈志忠,曹志強,等仿生機器魚(yú)的研究與開(kāi)發(fā).中國自動(dòng)化學(xué)游動(dòng)十分無(wú)規律。同時(shí)，在使用Microsoft Visual Studio進(jìn)行解決方會(huì ) 第20屆青年學(xué)術(shù)會(huì )議自動(dòng)化理論、技術(shù)與應用.中國科學(xué)院自動(dòng)化案生成時(shí)，必須把平臺關(guān)掉，等待生成后再打開(kāi)平臺進(jìn)行測試。希研究所.2005:204 209.望平臺將來(lái)有實(shí)時(shí)監控能力，以免每次重啟，造成不便。[4] 成巍.仿生水下機器人仿真與控制技術(shù)研究[D]哈爾濱工程大學(xué).④可以多增加一些項目，同時(shí)擴大該項賽事的宣傳和影響力，[5]劉貴春 多仿生機器魚(yú)協(xié)調控制的研究和設計[D]北方工業(yè)大學(xué).(■上接第13頁(yè))及時(shí)查找機器在比賽中出現問(wèn)題的原因，以備下場(chǎng)比賽不會(huì )再匹配之后機器人個(gè)體自主定位的魯棒性。在通常比賽中，大范圍出現相同的情況， 或者出現相同的問(wèn)題就能快速解決。另外，出現機器人故障的可能性極小，所以通過(guò)上面提到的聯(lián)合定位方別的隊伍在場(chǎng)上比賽的視頻是其真實(shí)實(shí)力、戰術(shù)和戰略等的真法，可以在絕大多數隊員定位正確的情況下，糾正定位錯誤的隊實(shí)表現，通過(guò)錄像記錄，我們更加了解對手，會(huì )根據對手的實(shí)員個(gè)體。力，在比賽中做出相應的戰術(shù)戰略調整，正如兵法所云“知彼根據這種方法，理論上在守門(mén)員未出擊或場(chǎng)上正確定位隊員知己， 百戰不殆”。超過(guò)三個(gè)的情況下，都可以避免由于匹配模板的對稱(chēng)性所造成的個(gè)對于Water Team的每-一名隊員來(lái)說(shuō)， 比賽勝利后的喜悅，是體自主定位錯誤。不能與比賽過(guò)程中的興奮、緊張和激動(dòng)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(gè)檢測，而機器人在賽場(chǎng)上進(jìn)行6比賽感想各種動(dòng)作時(shí)，就像我們自己在場(chǎng)上一-樣，甚至比自己在場(chǎng)上還緊Water Team從制造出自己的第-一臺機器人以來(lái)，參加過(guò)國內張;它們每進(jìn)一一個(gè)球，都好像是我們隊員自己踢進(jìn)的-樣，充滿(mǎn)興外比賽共七次。我們努力過(guò)，付出過(guò)，失敗過(guò)，成功過(guò)，然而無(wú)論奮和喜悅。比賽結果如何，不管是在比賽過(guò)程中，還是在獲得冠軍以后，我們Water Team不會(huì )止步于冠軍，我們會(huì )勇往直前，未來(lái)將做得從沒(méi)有停頓，一直在學(xué)習，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(chǎng)比賽都會(huì )認真準備，從比賽中發(fā)現問(wèn)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(wèn)題。例如，我們在自己隊比賽以及重要隊伍T(mén)eam!YHC N M H GCup中型組的最終目標還比賽的時(shí)候都有專(zhuān)人進(jìn)行錄像，而且也有專(zhuān)人對自己的每臺機有很遠-段路要走，我們需要和每支隊伍進(jìn)行交流，共同學(xué)習，共器在比賽過(guò)程中出現的各種意外情況進(jìn)行記錄。賽后，我們會(huì )同進(jìn)步， 共同完成最終的目標。2010年7月30日《機器人技術(shù)與應用》 25