多目标实时搜索的足球机器人视觉系统设计Robocup系列研究之五

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多目标实时搜索的足球机器人视觉系统设计

———!"#"$%&系列研究之五

朱璐，李永新，陈盛，孙刚，李尚荣

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（中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽合肥

摘要：针对机器人足球比赛的需要)基于对多目标的实时跟踪搜索，提出一种在精度、稳定性、实用性等方面都符合要求的足球机器人视觉系统设计方案。关键词：机器人；足球机器人；视觉系统；实时跟踪搜索中图分类号：!"#$#

文献标志码：%

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’引言

足球机器人作为机器人技术中的一个分支，虽

(视觉系统结构

小型足球机器人比赛场地为’$""DDW’%""

然发展历史较短，但由于集中了多种学科的新技术于一体，同时具有很强的观赏娱乐性，越来越受到广泛的关注，成为迅速崛起的一门技术。对于小型足球机器人系统，通常由%个子系统构成，即实时多目标搜索的视觉子系统、基于人工智能的决策子系统、通信与控制系统、机器人小车系统。其中视觉系统需要实时地识别出比赛场景中的多个目标，是整个系统中主要的信息来源，因此设计一个精确稳定的视觉系统，将对整个足球机器人系统起到很重要的作用。

收稿日期：’""%*"!*"+

自动化与仪表

摄像头安装在场地中央上方约OD处，光照强DD，

度为X""Y!"""N06。比赛时，摄像头连续采集比赛场景图像信息并加以处理，将所需数据传给决策程序使用，这些数据主要包括双方机器人和球的位置、速度，本队机器人的号码、方向、角速度。

按照比赛规则，比赛双方分别使用黄色或蓝色，!Z%"DD的圆形色标作为球队的标志固定在机器人顶部。比赛用球为橙色的高尔夫球，直径约规则还允许各队自行设计其他颜色的色标，%ODD。

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用于识别本队机器人的方向和号码。因此，视觉系统需要识别的目标主要包括标识机器人身份的色标和球。

摄像头采集到的图像的坐标为图像坐标系，首先需要进行摄像机的定标，得到图像坐标系向世界坐标系转化的投影矩阵。然后对图像进行分割，找出需要识别的目标颜色块，再进行目标的识别，得到各颜色块的坐标，进一步求得决策程序所需要的机器人和球的中心坐标。对于运动中的机器人和球，需要实时地进行跟踪搜索，视觉系统整体框架如图!示。

图!视觉系统框架

"色标设计

对于对方的机器人，通过其顶部中心的队标可

以识别出其位置。每两帧图像间隔固定为"#$%（即&’侦图像每%），可认为这段时间内机器人做匀速运动，因此通过!"#$%便可求得机器人和球的速度。对于本队的机器人，不仅要识别其位置和速度，还要识别其号码、方向和角速度，这样，除了中心的队标外，还需要一些辅助色标。

采用图&所示的色标作为本队机器人的标志，

(个色标与中心的队标等距，构成一个等腰直角三

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角形。这样，通过在同一条直线上的(个色标!，#，(的位置可以确定机器人的方向角。其位置与方向精度可达亚像素级，同时，每个辅助色标有&种颜色供选用，则最多可以确定)个不同的机器人，满足了比赛时对机器人号码识别的要求。

#—认标（蓝色）；!，&，(—辅助色标

（红色）图#机器人顶部色标

$摄像头定标

图像中各点的位置与实际空间中对应点的位

置有关，但并不完全相同。它们之间的相互关系由摄像机成像的几何模型决定，该模型的参数即摄像机参数。决策程序所需要的是在世界坐标系中的信息，因此，必须通过试验对摄像机进行定标，求出图像坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵。通过几何关系的简化，通常可以用线性模型来定标。选取如图(示场地中由比赛规则精确定位的&&个点作为特征点，对摄像机进行定标。

图"

比赛场地及选取的特征点

摄像机使用广角镜头，图像边缘会产生较大的径向畸变，需要通过求畸变系数进一步校正。

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目标识别

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特征选取

通常可以通过目标的大小、形状、颜色等特征

来识别。对于足球机器人，需要识别的色标和球，大小相近，都呈圆形，故以颜色特征为主进行识别。各识别对象的大小、形状都已知，可用来排除干扰。

!"$颜色空间

采集卡直接得到的图像是用各像素点的红、

绿、蓝分量来表示的，即!"#颜色空间（如图$）。用!"#分量表示颜色，

在操作上非常方便，但稳定性并不好。对于同一目标，当环境亮度发生变化，三个分量的值都会发生较大的变化，系统的阈值很难选取准确。由于识别主要根据目标的色调，与亮度关系很小，所以采用色度!、饱和度"、亮度#来表示像素颜色，即%&’颜色空间。这样，目标的色调和亮度相互独立，系统的稳定性得到提高。

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!"#颜色空间

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%’&颜色空间

图%&’(和)*+颜色空间

!"#与%&’颜色空间模型如图$所示。%&’是

一个柱坐标系，为了得到%&’坐标，

可以首先构造直角坐标系#$,$-，仍以!"#空间的原点为原点，#轴方向为从黑色指向白色，$,为绿色指向蓝色。空间任一点与$,的夹角作为%，点到#轴的距离为"，则!"#到%&’的转化可以表示

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进而可得!()345)6（$-7$,）

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阈值设置

对颜色不同的各目标，使用阈值法进行判别。

自动化与仪表

!""#$!%

两个目标的颜色直方图分布，一般有两种情况，如

图9所示。对于图9)，两目标的颜色分布没有相重叠的区域，在两目标颜色边界)和)*!)之间任意取一个值即可作为判别两目标的阈值，并且理论上误判率为0。对于图9+，两目标的颜色分布边缘有重叠区域，误判不可避免。这时需要在谷底的)和

)8!)之间，利用统计的方法，按照误判率最小原

则，求出一个合适的值作为阈值。

图!颜色分布直方图

-实时搜索与预测

-"#

实时跟踪搜索

图像的信息量很大，如果每帧图像都进行全局

搜索，就不可能达到实时的效果，因此系统在运行

中对目标进行跟踪搜索。正常情况下，目标的位置是连续变化的，速度也是在一定范围内的。因此，通过上一帧图像中目标的位置、最大速度和两帧的时间间隔，可以得到下一帧图像中目标可能出现的范围，并在此范围内进行新的搜索。目标在图像所中占面积很小，大大减小了搜索数量，可以达到实时的目的。

当有意外情况发生，如机器人或球被裁判拿开，跟踪搜索的方法可能出现丢失目标的现象。这时需要做全局搜索，因搜索的对象仅为丢失的目标，目标数量很少，所需运算仍然大大少于整体的全局搜索，同样可以做到实时。

-"$卡尔曼滤波预测

决策程序有时不仅需要当前信息，还需要对将

来的场景进行预测，可以通过卡尔曼滤波实现，整体上是一个识别1修正1预测的循环过程。对于双方机器人，其速度始终受到各自决策程序的控制，无

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文章编号：,%%,W$$99Z&%%9[%&W%%’&W%’

手持式数字扭矩测量仪的设计

辛晓宁，汪

滢，黄明忠，吕

岩

辽宁沈阳""#"$%&!沈阳化工学院，

摘要：手持式数字扭矩测量仪广泛应用于汽车行业及其他精密安装行业，具有测量、峰值保持、越线报警、显示功能的扭矩扳子。简要介绍了其性能指标和功能特点，详细阐述了软硬件的开发过程。

关键词：扭矩测量；传感器；低功耗中图分类号：!"#$%&’

文献标志码：(

!引言

国家质量检测部门颁布的!"#$%%&检定标准

性能指标、技术难点及软硬件设计方法作一介绍。

规定：汽车铆固部件必须由可测量扭矩大小的扳子安装。为此研制了手持式数字扭矩测量仪，以下就其

收稿日期：&%%’.%7.,$

"统性能及技术指标

手持式数字扭矩测量仪为’()*电池供电系

作者简介：辛晓宁Z,$)R—[，男，副教授，硕士学位，中国科学院沈阳自动化研究所在读博士。

法建立简单实用的运动学模型，因此对机器人的轨迹进行预测实用意义不大。对于足球，当没有机器人与它发生接触，可以认为它只受到地面摩擦力的作用，运动学分析大大简化，有必要进行运动轨迹的预测。在!和!+,时刻，小球状态可以表示为

于123/!3协议的网络数据传输方法进行数据交换。发送数据时，两个系统一方作为服务器端，另一方作为客户端，只需各增加一个线程，不影响系统的运行速度。同时，作为两个相对独立的系统，既可以在同一个计算机上也可以在用网络联接的不同计算机之间进行传输，运行方便可靠。

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式中：!&为两帧图像的时间间隔；"为摩擦系数。由此可推出!#’时刻球的坐标为

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式中，#!’-’

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$结束语

这足球机器人视觉系统设计方案，可以实时地

对多目标进行识别，系统的稳定性、识别精度等均能得以保证，符合机器人足球比赛的要求。

参考文献：

4,54&54’5495

马颂德，张正友(计算机视觉———计算理论与算法基础［6］(北京：科学出版社，,$$7(

崔屹(数字图象处理技术与应用［6］电子工业出版社，(北京：

’

,$$8(

边肇祺，张学工(模式识别［6］清华大学出版社，(北京：&%%%(

:;<=>?@:AB=C1@*>BDED6，FAEG=DBD;HIAJ>E>JI>KGAGHDKLD;［O］［2］(3;D=>>PHKJEDL!Q#"&%%%(&%%%(HKG>;A=GHM>;DNDGE

#数据传输

视觉系统对图像分析处理得到的数据，最终要

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交给决策系统使用。作为两个独立的系统，使用基

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多目标实时搜索的足球机器人视觉系统设计--Robocup系列研究之五

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

朱璐， 李永新， 陈盛， 孙刚， 李尚荣

中国科学技术大学,精密机械与精密仪器系,安徽,合肥,230027自动化与仪表

AUTOMATION & INSTRUMENTATION2004，19(2)0次

1.马颂德.张正友 计算机视觉-计算理论与算法基础 19982.崔屹 数字图象处理技术与应用 19973.边肇祺.张学工 模式识别 2000

4.Bruce J.Balch T.Veloso M Fast color image segmentation for interactive robots 2000

5.Thomas Charles Karpati.Rafaello D'Andrea.Lee Jin-Woo Real time visual perception forautonomous roboticsoccer agents 1999

1.会议论文 徐心和.高大志 从足球机器人到娱乐机器人 2000

足球机器人的兴起仅仅几年,便引起各国学者的普遍关注.这一方面由于它将机器人联姻到世界第一大优育运动,另一方面由于它是机器人与人工智能学科的基础研究课题,是推动学科发展的研究平台.本文还从机器人产业化的角度简要介绍了足球机器人的技术内涵、社会需求及发展娱乐机器人的广阔市场前景,以求引起有关方面的重视.

2.学位论文 余倩 基于全局视觉的类人型足球机器人系统构建 2009

足球机器人作为人工智能与机器人学科实验研究的载体已受到国内外学者的普遍关注，其研究目标是到2050年类人型足球机器人队能战胜当时的人类足球冠军队。类人机器人是机器人中一个重要分支，机器人研究者一直把类人机器人的研究作为机器人研究的最高境界。近几年来，国际上对类人足球机器人的研究取得了迅速的发展。本文基于全局视觉构建了类人型足球机器人系统，系统主要包括四部分：视觉子系统、决策子系统、无线通讯子系统以及类人机器人子系统。其中，决策子系统可看作系统控制器，类人机器人子系统可看作执行机构或控制对象，视觉子系统可看作系统的检测环节，而无线通讯子系统则为决策子系统和类人机器人子系统中间的信息桥梁。本文主要从以上四个子方面构建系统并解决机器人行走过程中晃动难以定位和机器人步态规划的难题。

基于全局视觉设计视觉系统。通过基于颜色的目标识别算法对目标机器人和球进行识别定位，采用小波分析对图像消噪。针对机器人行走中晃动难以精确定位的特点，提出基于边缘检测的机器人精确定位方案。通过将场地分区排除较大范围内的晃动，通过边缘检测得到机器人倾斜角度并校正机器人小范围倾斜。 基于模糊评判算法设计决策系统。提出基于环境感知/队形确定/角色分配/动作选择的四层决策推理模型，并针对足球机器人比赛环境的实时性、动态性，以及场上情况多种多样，难以建立归一化模型的特点，提出基于模糊决策算法的决策方法。球队的队形以及机器人队员的角色都能根据现场情况，进行动态切换，从而完成特征状态空间到动作空间的映射。

采用蓝牙通信技术设计通信子系统。蓝牙发射器首先通过RS232串口通讯从主机接收各个机器人运动控制指令数据，然后按照预定的传输协议进行调制，然后将数据发射出去。机器人接收到信号后，按照XM100传输协议解调后获得机器人运动控制指令，最后通过电机控制模块驱动电机转动。

对机器人进行步态规划，设计机器人动作库。选用韩国minirobot公司的ROBONOVA-Ⅰ型类人机器人作为队员。分析ROBONAVA-Ⅰ类人足球机器人的结构，介绍其所使用的软件开发语言robo-Basic编程语言及编程环境。在构建的数学模型基础上，对ROBONAVA-Ⅰ类人足球机器人的步态规划进行研究。基于ZMP详细设计机器人前向行走，得到关节转角轨迹，并对机器人的动作库设计进行设计。

最后应用本系统参加了FIRA第十三界足球机器人世界杯取得了AndroSot3vs3的亚军，证明了系统的可行性，可靠性。

3.期刊论文 柳在鑫.王进戈.王强.张均副.向中凡.LIU Zai-xin.WANG Jin-ge.WANG Qiang.ZHANG Jun-fu.XIANG Zhong-fan 基于微型足球机器人系统的研究 -西华大学学报（自然科学版）2009,28(4)

微型足球机器人系统是近几年发展起来的一个多智能体系统,它为人工智能理论和算法的研究提供了一个实验平台.本文分析了目前国内外微型足球机器人系统的研究现状和研究目的,论述了微型足球机器人系统的整体结构及其所包含的视觉、决策、通信和机器人小车等4个子系统,并结合研究经验介绍了微型足球机器人系统所涉及到的八大关键技术,最后提出了足球机器人的发展规划.

4.期刊论文 孙刚.李永新.皮骄阳.李尚荣.陈盛.朱璐 Robocup小型足球机器人的运动分析与控制--Robocup系列研究之三

-自动化与仪表2003,18(6)

足球机器人运动控制要求灵活、快速、准确.通过对足球机器人的结构及车轮分析,对足球机器人的轨迹控制进行运动学分析,在运动学分析的基础上提出一种比较好的控制方法,从而实现足球机器人的轨迹控制.试验结果表明足球机器人轨迹控制达到设计要求.

5.学位论文 许元 RoboCup类人仿真足球机器人研究——SEU-RedSun仿真足球机器人队伍设计与实现 2008

本文主要描述了类人仿真足球机器人队伍-SEU-RedSun的设计与实现。SEU-RedSun仿真足球机器人能在RoboCup国际比赛3D仿真组的标准比赛平台上进行足球比赛。RoboCup标准仿真平台提供了分布式的、实时动态的多机器人环境来进行足球比赛,其设计充分体现了控制、通讯、传感和人体机能等方面的实际限制,使仿真球队程序易于转化为硬件机器人的控制软件。

本文设计并实现了SEU-RedSun类人仿真足球机器人,主要完成：

·灵活的、可扩展的框架结构：通过对控制体系结构进行合理的分层,将反应式结构与上层规划有机结合在一起,按照响应速度要求划分为反应、执行、思考三个层次,作为三个线程分别实现。

·完整、精确的世界模型：实现描述仿真足球比赛环境的内部状态及更新内部状态的算法,并能根据内部状态来预测未来的环境状态。

·基于目标的行为产生：以目标为导向实现机器人的行为,使用行为树组织和管理机器人的行为,通过离线设计和在线生成的方法来实现类人机器人的行为。 ·高效的策略和决策：针对现状实现了简单实用的策略和决策,并提出基于区域的理性传球决策。

除此之外,本文还对RoboCup标准的仿真平台作研究和分析,实现了高性能的调试工具,这对SEU-RedSun类人仿真足球机器人的研究和开发起到至关重要的作用

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。

目前,SEU-RedSun类人仿真足球机器人已参加过三次国际性比赛：获得2007RoboCup伊朗公开赛冠军、2007 RoboCup机器人世界杯季军和2007全国机器人足球大赛暨RoboCup中国公开赛的冠军。

6.期刊论文 孙刚.李永新.李尚荣.陈盛.朱璐.陈浩耀 Robocup小型足球机器人的控制系统研究--Robocup系列研究之一 -自动化与仪表2003,18(3)

足球机器人运动控制要求灵活、快速、准确.通过足球机器人的总体结构分析,提出一种多处理器的三级控制方法,解决了决策与姿态控制同时占用处理器时间的问题,提高了机器人决策能力和运动姿态控制能力,同时给出了底层控制的硬件和软件设计方法,试验结果表明足球机器人控制系统达到设计要求.

7.会议论文 李月.符秀辉 基于VR预测显示的足球机器人遥操作仿真系统 2008

为了消除时间延迟对遥操作系统稳定性的影响,本文提出了基于虚拟现实的预测显示的遥操作足球机器人的控制仿真系统方案，研究了虚拟环境的建摸技术,建立了利用游戏杆操作的足球机器人的实体模型。结果表明：在机器人遥操作中,应用虚拟现实技术可以预测显示机器人的运动轨迹,实现对远端机器人进行预测控制。

8.学位论文 黄晶 拟人足球机器人运动学分析 2003

拟人机器人为机器人研究的最高境界,它是智能机器人理论和技术的集中体现,能够带动许多相关学科和技术的交叉发展和进步.自上个世纪90年代开始,双足机器人研究已从模仿人类腿部行走发展到全方位拟人研究阶段,相继诞生了"P3"、"ASIMO"、"SDR-4X"等机器人明星.RoboCup和FIRA两机构还组织了类人足球机器人比赛.这为拟人机器人的研究工作提供了一个新的途径和平台.国内开展拟人机器人研究工作起步较晚,拟人足球机器人的研究工作更是刚刚开始.因此有必要积极开展这方面的研究工作,以提高中国拟人足球机器人的整体水平.该课题的研究任务是:做好拟人足球机器人的基础性研究工作,构建起拟人机器人总体研究框架,为后续研究工作奠定基础.具体内容包括:1、综合分析国内外拟人机器人研究现状及发展趋势,确定该论文研究方向和内容.2、对所要研究的拟人足球机器人进行机构分析,对机器人机构进行整体规划.3、分析拟人足球机器人的运动状态,建立起拟人足球机器人运动学和动力学模型.提出一种有效的力矩控制方法.4、对动态步行问题进行深入分析,并对几种常用的动态步行控制方法进行分析对比,提出适合拟人足球机器人的动态步行控制方法.5、分析拟人足球机器人前向行走基本步态,规划各关节的运动轨迹,并用ZMP判据判断动态步行稳定性,并给出仿真结果.

9.会议论文 张小川.成卫.李勇.李祖枢 基于事例的足球机器人学习的研究 2003

足球机器人主要是应用训练、比赛中逐渐积累起来的经验知识来比赛，这样足球机器人相当一部分比赛知识足经验型的。本文论述了基于事例的足球机器人学习的具体方法和模型，并应用于机器人足球比赛中，实验证明该方法是可行的、有效的。

10.学位论文 王兰兰 集控式微型足球机器人的研究与设计 2005

机器人足球比赛是近年来在国际上迅速开展起来的高科技对抗活动.足球机器人涉及机器人学、计算机技术、数字通讯、图像处理、传感器数据融合和人工智能等多个领域,为多智能体系统、自主机器人等理论研究以及各种相关学科的研究提供了良好的试验平台,是理论密切联系实际极富生命力的成长点.足球机器人系统包括视觉、决策、通信和机器人小车四个子系统.通信子系统是决策子系统与机器人小车信息传递的桥梁,机器人小车是足球机器人系统的执行机构,足球机器人能否实现决策意图取决于通信系统的性能和机器人小车的性能.本文以MiroSot机器人足球比赛为背景,以集控式微型足球机器人为研究对象,构建主机与机器人之间有效的无线通信系统,设计出能有效实现主机策略意图进行踢球的机器人小车.全文主要工作如下:深入分析了足球机器人通信子系统的设计要求,分析了无线通信中存在的噪声干扰问题.以提高系统的抗干扰能力和通信效率为原则,重点讨论了无线通信模块的选择和通信协议的制定.为消除串口资源占用对系统的影响,提出了一种以PTR2000模块为核心器件的发射系统硬件结构的设计方案;在软件设计方面,制定了合理的通信协议,给出了一种简短可靠的校验方式;最后给出了软件程序的实现方法和程序流程图.根据对机器人小车的设计要求,系统地研究了足球机器人机电系统的设计.以提高机器人小车的运动性能为基本原则,依次分析了移动机构的设计、电机和电源的选择,然后设计了车体的整体结构.另外还概括介绍了控制系统的结构和软硬件设计方案.最后,利用我们自行开发的测试软件对系统性能包括通信性能和机器人小车的性能进行了测试,给出了实验结果,并论证了设计效果.

本文链接：/Periodical_zdhyyb200402010.aspx授权使用：湖南大学(hunandx)，授权号：d3f48915-38c0-4c1b-84f6-9db40113688c

下载时间：2010年7月15日

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6pym.html