Water Team秘密技术

机器人技术与应用Water Team秘密技术王雪雁黄媛北京信息科技大学，北京，100192摘要:本文介绍RoboCup中型组机器人的硬件控制、程序决策、图像采集处理、多机器人协作等，特别对其中的重点技术细节进行详细描述。关键词: RoboCup中型组， 足球机器人1引言所示。为了提高电磁铁的驱动力.我们设计了一套升压电路.将北京信息科技大学Water Team (水队)建立于2005年，由北24V的基本供电拉升到380V，储存在一一个电容阵列中。我们试图通京信息科技大学机电I程学院与机器人实验室团队组建，主要任务过设置电容放电顺序将电能最大程度地转化为击球的机械能。经过是在“大学生中培养科技创新人才，提高学生实践能力。实验室团队的研究方向主要是:机器人视觉、构件的软件体系结构、路径规划、定位、通信形式和控制模型。Water Team从建立至今，连续参加了7届RoboCup国内国际公开赛。其中，在2008和2009 Robocup国内赛中获得两次亚军.今年夺得国际、国内的两个冠军!球调专理行2硬件控制体系水队( Water )的原创机型从2004年开始设计，每年都在改图2吸球机构进。2006年， 第一台两轮机器人诞生。2007年， 我们对两轮机器人调整， 目前我们的机器人击球最进行了大规模升级，改进了机器人的视觉部分和电机驱动器部分，大飞行高度在2.4米左右，最大腾提升了图像效果和机器入的速度。2008年， 第- -台原创三轮全向空距离为12米左右，而且可以根。足球机器人诞生。该原创机型具有极高的机动性和便携性。据在场地上的不同位置调整射门好视觉的效果是能够提供机器人在赛场上精确的定位，从而的力量。保证它的射门精度。持球器的控球能力是电机提高转速的关键因吸琳构(图)是我们今年刚图3吸球机构工作原理素。今年我们对机器人视觉、电机驱动器和持球器三个部分的升级，大幅度地提高了机器人的射厂]精度、控球能力和运动速度。这是我们此赛取得好成绩的主6月24日，新加坡，国际2010机器人世界杯(RoboCup)中型组决赛，中国北京信息科技大学"Water" (水队) 5:4击敗荷兰埃因霍温大学"Tech要原因之一-。另外，在新改进的机体中，我们采用了电磁驱United" (科联队) ，荣获机器人足球世界杯冠军。动方式，运用杠杆原理形成一个挑射的机构。如图1这是当今机器人赛事上含金量最重的一块金牌，基本上代表了机器人比赛中的最高科技水平。电磁铁7月20日，鄂尔多斯赛场，水队载誉而来，他们不负众望，-路过关斩将，摘取了国内机器人大赛RoboCup中型组比赛项目的桂冠。看着这样一支劲旅，赛场旁的观战师生无一不竖着大拇指叹服:厉害。面对优异的成绩，水队师生们说; "Water不会 止步于冠军，Water会d勇往直前，做得更好!正如老子所描述的水:‘居善地， 心善渊，与善仁，言善信，政善治，中国煤化工做到:居住要像水那样安于卑下，存心要二亲，言语要像水那样真诚，为政要像水那MYHCNMH G不能，行为要像水那样待机而动。，这就是水队。圈1击球器原理简團2010年7月30日《机器人技术与应用》 11中国机器人大赛暨RoboCup公开赛专家评述 冠视点收获与建议 实体技术探讨仿真技术研究等待每个球员程序的连接。当场上球员连接到教练程序时，教练笔记本电脑7程序自动在内部的结构体中为该球员注册身份。在决策模型上，我们构建了一个环境类，在该类实例中包含了数个结构体，分别记录场上各球员返回的信息。其信息包括每位球员对自身的定位、球门的方向、球的位置、每个球员周围的障击球器力量驱动电力驱动控制碍物等等。当这些数据出现更新时，环境类自动调用自身的决策函dine对外0数，从当前信息中计算出各球员应该执行的任务。cortia单体机器人程序的设计基于行为的控制思想，编码方式遵循特球基传感器面向对象的设计风格，通过各种抽象对象的组合来组织代码，条理mechansenSpinde dreCSornsonodbal清晰，便于理解。主精资动急停开关Spincte dhre B整个架构可分为四个层次(如图6所示) :Sloo switch主地驱动A硬件通信层是一些直接与硬件设备通信的对象，这里包括- -个Spinde dherA与机器人主体的数据交流的串口通信对象。视频捕捉因为对通信速率围4硬件控制流程图要求很高，通过USB连接,所以其设备对象与机器人主体独立分开。设计的所机构，下面重点介绍下。指令协议解析层是机器人控制架构的核心，指令协议对象将简单地说，吸球机构的工作原理是靠滑动摩擦力来“吸住"进行机器人实体控制指令的编制、对下位机返回的传感器数据和机球的。当球向前滚动时，两个吸球机构，上两个黑色的小轮子的转动器人状态数据的解析转换。决策逻辑行为层是-些抽象行为的对象，这些对象通对协义对象的传感器数进行局部的行为规划，操作协议对象向机器人底层发送控制指令。值得注意的是，这- -层虽然并存了很多对象，但是同一时刻只环境模型能允许一个行为对象与协议对象连接,避免了出现行为混乱的情形。机器人的各种行为切换通过改变与协议层连接的行为对象来实现，这种切换操作可以由当前活动行为进行，也可由决策层对象来进行。通信接口决策层是机器人本地的最高层，仲裁决策对象通过本地传感器数据、机器人运行状态以及远程端教练程序发来的指令数据进行各种行为的组织，既可以直接操作协议层对象发送机器人具体行为(N号)指令，也能通过行为对象的切换控制机器人的行为状态。例如，比赛中大场地下常遇到的巡航避障任务:第一步,远圈5决策通信圈程端发送目标位置数据到本地决策层，决策层将第- -个航 点传递给方向如图3所示。这样足球会受到相切于其上表面向后下方的两个巡航行为对象，并将其与协议层对象连接，巡航行为对象驱使机器滑动摩擦力，这两个力与地面的支持力合成后，合力是水平向后的人向航点行驶。到达第一-航点时， 第-一个巡航行为结束，巡航行为-个力。另外，两个轮子的转动也能带动球的转动，这样在机器高对象向决策层请示第二二航点数据，进行第二个巡航行为，如此直到速带球进攻的时候，既能保证持球不被对方队员所抢，也能保证在所有航点遍历结束。在巡航过程中，若出现障码物阻挡的情况，则带球过程中球是自然滚动状态，不会犯规。巡航行为对象暂时将控制权交给避障行为对象，切换到避暗行为状另外，我们在吸球机构设计的过程中也考虑到了各种参数的态，绕开障碍物之后，壁障行为对象再将控制权交还巡航对象，继可变性。当吸球机构固定在机器上时，我们可以通过它上面的两个续巡航行为。较长的调节螺母来调节其在水平和竖直方向的位置，以便两个小黑另外，行为层的操作不是固起的，会因为行为的划分而有所不同。轮和球处于恰当的位置，从而使球获得适当的作用力。图2中的平衡弹簧也是一根可调节变形量的弹簧，其作用是用来平衡球对吸球4图像采集处理体系机构向上和向后的作用力。在全景视觉平台中，我们采用了全景反射镜的方案，它能够整个硬件控制流程如图4所示。采集到大半径的图像。中国煤化工的摄像头焦距不同，我们3程序决策体系将全Y片CNMHG.基本能解决前述两个问.在通信方式上，为让不同机型的机器混合参赛，我们采用C/题。S架构，使用TCP/IP协议(图5)。场外的教练程序作为Server,今年我们配套的摄像头是接口的，配合软件上的DirectShow12。 《机器人技术与应用》 第4期“万万数据”机器人技术与应用基于这种畸变图像上的形状识别，我们还在研究中。但是在调试过程中，我们已经找到一些模糊的、 比较粗糙的界定目标物的办法，能够在- -定程度上起到排除相似颜色干扰的效果，即通过建立色块大小与距中点距离关系的-一个哈希表。当获取-一个疑似目标色块时，我们]通过色域质心到中点的距离，在哈希表中找到对应的控制操作传感都数解色域尺寸值，再与实际色域尺寸进行比对，通过一个经验公式求取相似评估值。当对每个疑似目标进行了相同的处理之后，对所有疑视所数营化似目标的评估值进行排序，取评估值最大的疑似对象作为目标。通过实战验证，这种方式可「地n通讯计物检制时富串口等)以大大提高在多个相似颜个色干扰下对特定目标识别的准确性。世用枫型角色抽掌屋5多机器人协作机器人通信黑板團6软件决策流程图在多机器人行为中.框架，能获得640x 480.60帧/秒的视频我们采用的是全局规划和流，可以很好地满足比赛的需要。同个体自主行为相结合的方圈9多机架构时，镜头光圈和焦距是可调的，这为适式。场外的教练程序会对应不同的光强环境做好了准备(见图7场上形势变化和裁判盒指令做出反应，在事先输人的方案库中搜索所示)。应对当前局面最适合的方案。目前我们的通信架构经过初步的测对于全景图像中的色块处理，流程试，已经稳定(图9)。方案库里的方案数量，已可以应付-场比如图8所示。摄像头获取的图像经过转赛正常进行的大部分情况。对其他各种突发情况的处理方案，还在换到HSI空间后，我们根据事先标定好继续丰富中。的HSIParam结构体对图像进行二值化处圈7全景镜联合定位。根据比赛规则变化趋势,比赛场上的颜色标记将理。由于比赛中光线和颜色的变化，经会逐渐取消，为了适合明年无球门颜色的规则变化，我们正在尝试常会出现相似颜色的噪声干扰。于是我们对二值化后的图像进行腐蚀，然后膨胀，去除孤立的噪声干扰点。至此，我f可以得到比较理想的二值化图像，能够进行色块的边缘检测和连通域分析。HSIParam国像数据圈10联合定位示意围e90费无罗盘情况下的视觉联合定位方法(图10)。在无球[ ]颜色的场地上，我们通过用射线扫描到的白线点与标准场线的比对，可以获得机器人在场上的参考位置。由于标准场线的对称性，通常会获得的是四个以上参考位置，但是往往真相只Craon ProcenconcEonaetProc有一个，为了能获得最接近真实的位置，我们提出了一种联合定位哪8圈像处理流程技术:通过队友佩戴的色标，场上每个机器人个体可以大致测量出临近队友的相对价置:所有队品路该信自回馈到场外教练处进行近通过对图像中各目标颜色进行二值化和抗干扰处理之后，我似匹配中国煤化工每个个体的其体身份。们获得了场上各目标物的形状。由于使用的全景摄像机得到的图像YHCN M H Gt应该是连续的，通过将带有非线性的畸变，我们目前还无法用简单的方法精确区分目标物上次匹配结果作 为本次场线匹配的种子点的方法，可以保证正确和与目标物带有相同颜色的其他物体。(■下转第25页)2010年7月30日《机器人技术与应用》 13机器人技术与应用3.5技术挑战赛策略分析吸引更多的院校来参加，共同促进中国水中机器人技术的发展。在技术挑战赛所包括的三个子项目(单鱼顶球、双鱼对游、⑤修改某些项目的比赛规则，例如12米竞速赛， 这次比赛出现多自由表演)中，我校的自由表演项目实力相对较弱，这次花了较多支队伍并列第一 的情况,说明这个项目的规则还有必要进行调整。的时间改进。例如，在由10条鱼分成两组进行多种花样变换时，增加了技术难度，设计单鱼绕中心旋转，多鱼协作游圆形等高难度动5展望作;在完成基本动作的前提下，还要考虑整体美观和两组鱼的同步作为进入机器人领域的起步阶段我校选择以仿真比赛的形配合问题。式，虽然取得了可喜的成绩，但是我们不能骄傲，要认清自己单鱼顶球和双鱼对游属于我校优势项目，在此次比赛中也同所处的位 置以及与其他院校存在的差距，今后还需要我们继续样保持优势。在绕球问题上继续做了改进，双鱼对游采用绕圆形的努力。方法，单鱼顶球采用自由表演中绕中心旋转的策略，均使时间进一下一阶段，我们准备将明年的水中机器人大赛争取到西南民步缩短。族大学来举办，以此扩大该赛事在西南地区的影响;同时我校也准备参加全局视觉机器鱼比赛，将理论和实际结合起来，在实际中检4对平台和规则的建议验我们的仿真成果，进行全局视觉机器鱼比赛也可以快速提高我们在比较短的时间里，组织者能够开发出一套完整、可用的比的技术，这也预示着我校全面向机器人领域进发，以此不断促进学赛平台，还是很值得敬佩的。不过，在我们备战比赛和参加比赛的生的创新和动手能力。过程中，发现一些有待改进的地方。①针对障碍竞速赛、单鱼顶球和双鱼对游等项目的计时问题，参考文献可以将最小计时单位定为毫秒，这样可以尽量减少并列的队伍。[1]陈言俊,李果,陈宏达,等.仿生机器鱼水球比赛策略系统的初步探②在场地追逐赛中，建议障碍物能随机安放，这样可以提高究 机器人技术与应用，209(4);29- -32.比赛的难度和挑战性。[2]北京大学智能控制实验室.全局视觉机器人水球比赛-水中机器人③在试验过程中，我们发现，当加载策略完成一个项目的比竞赛系列教材之三:北京大学.赛后，如果再次进行该项目的比赛，经常需要重启平台，否则鱼的(3)]王硕等 沈志忠,曹志强,等仿生机器鱼的研究与开发.中国自动化学游动十分无规律。同时，在使用Microsoft Visual Studio进行解决方会 第20届青年学术会议自动化理论、技术与应用.中国科学院自动化案生成时，必须把平台关掉，等待生成后再打开平台进行测试。希研究所.2005:204 209.望平台将来有实时监控能力，以免每次重启，造成不便。[4] 成巍.仿生水下机器人仿真与控制技术研究[D]哈尔滨工程大学.④可以多增加一些项目，同时扩大该项赛事的宣传和影响力，[5]刘贵春 多仿生机器鱼协调控制的研究和设计[D]北方工业大学.(■上接第13页)及时查找机器在比赛中出现问题的原因，以备下场比赛不会再匹配之后机器人个体自主定位的鲁棒性。在通常比赛中，大范围出现相同的情况， 或者出现相同的问题就能快速解决。另外，出现机器人故障的可能性极小，所以通过上面提到的联合定位方别的队伍在场上比赛的视频是其真实实力、战术和战略等的真法，可以在绝大多数队员定位正确的情况下，纠正定位错误的队实表现，通过录像记录，我们更加了解对手，会根据对手的实员个体。力，在比赛中做出相应的战术战略调整，正如兵法所云“知彼根据这种方法，理论上在守门员未出击或场上正确定位队员知己， 百战不殆”。超过三个的情况下，都可以避免由于匹配模板的对称性所造成的个对于Water Team的每-一名队员来说， 比赛胜利后的喜悦，是体自主定位错误。不能与比赛过程中的兴奋、紧张和激动等心情相比的。比赛的胜利与否，只是对我们前一段工作的一个检测，而机器人在赛场上进行6比赛感想各种动作时，就像我们自己在场上一-样，甚至比自己在场上还紧Water Team从制造出自己的第-一台机器人以来，参加过国内张;它们每进一一个球，都好像是我们队员自己踢进的-样，充满兴外比赛共七次。我们努力过，付出过，失败过，成功过，然而无论奋和喜悦。比赛结果如何，不管是在比赛过程中，还是在获得冠军以后，我们Water Team不会止步于冠军，我们会勇往直前，未来将做得从没有停顿，一直在学习，一直在进步。更好!正如老子所描述的水那样，“居善地， 心善渊，与善仁，言我们对每一-场比赛都会认真准备，从比赛中发现问题，然善信，中国煤化工n希望能做到这些。Waer后再想办法解决问题。例如，我们在自己队比赛以及重要队伍Team!YHC N M H GCup中型组的最终目标还比赛的时候都有专人进行录像，而且也有专人对自己的每台机有很远-段路要走，我们需要和每支队伍进行交流，共同学习，共器在比赛过程中出现的各种意外情况进行记录。赛后，我们会同进步， 共同完成最终的目标。2010年7月30日《机器人技术与应用》 25