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從1996年開(kāi)始的機器人世界杯足球賽掀起了足球機器人研究的熱潮。美國的CMU大學(xué)、德國漢堡大學(xué)以及日本、韓國、荷蘭等國家都投入人力物力研制這種機器人。為了能夠戰勝對手，需要進(jìn)一步提高足球機器人的智能性和適應性。這些性能主要用在足球機器人在場(chǎng)上奔跑的同時(shí)需要隨時(shí)隨地判定自身與周?chē)h(huán)境的位置關(guān)系，以便選擇路徑或做出正確決策。足球機器人作為人工智能與機器人學(xué)科試驗研究的載體和小型高科技對抗的平臺，已受到國內外學(xué)者的普遍關(guān)注。 舉辦機器人世界杯足球賽的目的是為了促進(jìn)分布式人工智能研究的發(fā)展。通過(guò)提供一個(gè)標準任務(wù)，使研究人員能夠利用各種技術(shù)獲得更好的解決方案，從而有效促進(jìn)各領(lǐng)域的發(fā)展。研究中涉及的領(lǐng)域有：智能機器人系統、多智能體系統、實(shí)時(shí)模式識別與行為系統、智能體結構設計、實(shí)時(shí)規劃和推理、基于網(wǎng)絡(luò )的三維圖形交互、傳感器技術(shù)等。 在研制足球機器人之前，必須對人踢足球活動(dòng)進(jìn)行認真的剖析。人的五官、頭腦和四肢是一個(gè)有機的整體，踢球活動(dòng)是人體各部位的綜合活動(dòng)。要讓機器來(lái)實(shí)現這樣的活動(dòng)，必須對這些融為一體的活動(dòng)進(jìn)行分解。就單人踢球而言，首先要看準球和球門(mén)，想好了怎么踢，然后用力完成相應的動(dòng)作。如果是多人踢球，則應溝通信息，以實(shí)現配合。因此，根據足球機器人實(shí)際比賽的需求，本文提出了一個(gè)全自主足球機器人的體系結構。以各種傳感器模擬人的五官，以嵌入式計算機模擬人的頭腦，以雙輪和踢球器模擬人的四肢，以無(wú)限網(wǎng)絡(luò )通信模擬多人踢球，用信息溝通實(shí)現配合，再加上控制軟件就可以實(shí)現踢球所需的各種功能。 1 硬件體系結構 全自主足球機器人的硬件體系結構由六部分組成，即嵌入式計算機、視覺(jué)系統、超聲波定位避障系統、無(wú)線(xiàn)通信系統、運動(dòng)系統和電源系統。機器人的核心是嵌入式計算機，負責視覺(jué)信息處理、機器人定位與導航以及行為決策，相當于機器人的大腦。而視覺(jué)系統則相當于機器人的眼睛，負責實(shí)時(shí)地提供環(huán)境信息，使決策模塊能夠針對賽場(chǎng)上的動(dòng)態(tài)環(huán)境迅速做出反應。超聲波定位避障系統可以讓機器人避開(kāi)前方的障礙物，并能算出距前方障礙物或邊墻的距離。運動(dòng)系統負責驅動(dòng)機器人本體移動(dòng)、攝像機的旋轉和踢球裝置的運轉。無(wú)線(xiàn)通信系統是多機器人合作及軟件系統開(kāi)發(fā)的基礎。電源系統采用直流充電電池，為以上所有部件提供電能。機器人車(chē)體采用鋁合金材料，極大地減輕了機器人的重量。足球機器人的硬件體系結構如圖1所示。 1.1 主控計算機 RoboSot比賽規定參賽機器人尺寸要小于20cm×20cm×40cm(長(cháng)×寬×高)，因此是機器人的體積設計中要考慮的主要因素之一。普通的PC計算機和筆記本電腦的尺寸不能滿(mǎn)足FIRA RoboSot比賽用機器人的需要。而單片機應用系統雖然體積小，但其處理能力又無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)圖像處理和行為決策的要求。因而本系統選擇了研華公司生產(chǎn)的PCM 9370F嵌入式計算機作為機器人的核心計算處理功能模塊。該計算機具有以下特點(diǎn)： (1)體積小、節省空間。PCM 9370F主板把CPU、內存、顯卡等各種功能集成在一塊體積只有145mm×102mm板卡上，采用層疊式的PC104+總線(xiàn)進(jìn)行功能擴展。這種結構節省空間，可以滿(mǎn)足FIRA RoboSot規則對全自主足球機器人尺寸的嚴格限制。 (2)高可靠性和高計算能力。PCM 9370F是符合工業(yè)級標準的工控計算機，具有非常高的可靠性。實(shí)驗表明，在機器人之間頻繁發(fā)生碰撞的比賽過(guò)程中該主板仍能穩定地工作。PCM 9370F采用性能相當于PⅢ500的CPU，自帶64MB 內存，具有一個(gè)最多能擴展128MB內存的內存擴展槽。所以PCM 9370F不但體積小，而且具備與普通PC計算機相當的處理性能。 (3)功能接口完備、集成度高。PCM 9370F配有一個(gè)有線(xiàn)以太網(wǎng)接口，一個(gè)微型FlashCard插槽，一個(gè)符合ULTRA DMA傳輸協(xié)議的增強型IDE接口，一個(gè)并行通信接口，二個(gè)串行通信接口，一個(gè)微型PS/2鍵盤(pán)鼠標接口。它具有SVGA/LCD顯示控制器，支持雙CRT和LCD顯示。 1.2 視覺(jué)系統 機器人采用上下布局的異構雙目彩色視覺(jué)系統結構。位于機器人頂部的上目攝像機安裝在具有一維自由度的云臺上。上目攝像機在云臺帶動(dòng)下能?chē)@機器人車(chē)體中心水平旋轉±165°。下部CCD攝像機固定在機器人的“腹部”，不能相對機器人本體運動(dòng)。下部攝像機鏡頭朝向機器人的正前方，光心到地面垂直距離為11cm。 二個(gè)攝像機都以固定的角度俯視地面。上目視覺(jué)比下目視覺(jué)的定位精度高，圖像采集速度快，而且由云臺帶動(dòng)在機器人靜止時(shí)可以感知機器人周?chē)?30°范圍內的環(huán)境信息，所以上目視覺(jué)通常負責識別較遠處的目標物體以及下目視覺(jué)視野以外的目標物體；下目視覺(jué)能看到機器人前方腳下的目標物體，而這個(gè)區域恰是上目視覺(jué)的盲區，所以下目視覺(jué)通常負責識別距離機器人很近(＜27cm)的目標物體。例如機器人執行帶球動(dòng)作時(shí)，只能由下目視覺(jué)來(lái)判斷球是否位于踢球裝置正前方。 總之，上下二個(gè)攝像機的型號、運動(dòng)自由度、數據傳輸接口、圖像采集頻率以及環(huán)境感知任務(wù)都是不同的，這種視覺(jué)系統結構模型屬于異構雙目模型。 1.3 超聲波定位避障系統 超聲測距是一種非接觸的檢測方式，與紅外、激光及無(wú)線(xiàn)電測距相比，在近距離范圍內超聲測距有不受光線(xiàn)影響、結構簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)，因此在工業(yè)控制、建筑測量、機器人定位等方面得到了廣泛的應用。 超聲波測距的原理是通過(guò)不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差T，距離Ｓ=TＣ/2，其中Ｃ為超聲波波速。由于超聲波也是一種聲波，其聲速Ｃ與溫度有關(guān)，在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。這樣檢測出超聲波發(fā)送與接收往返的時(shí)間就可以測量出距離。 由于全自主足球機器人是在競爭對抗的球場(chǎng)環(huán)境中運行，所以它需要具有更大的靈活性。因此，除了在全自主足球機器人的前、后、左、右安放了超聲波傳感器外，在機器人的左前、右前、左后、右后對稱(chēng)的位置上也安放了傳感器。其最大的優(yōu)點(diǎn)是對于不同的位置可以選用相應的超聲波傳感器組進(jìn)行定位和避障，避免機器人經(jīng)常轉身，節省了大量時(shí)間，提高了機器人的靈活性。 1.4 運動(dòng)系統 全自主足球機器人的運動(dòng)系統包括移動(dòng)機構、上目攝像機云臺和踢球裝置。移動(dòng)機構采用比較流行的三點(diǎn)支撐結構，三點(diǎn)分別是雙電機驅動(dòng)的左右輪和一個(gè)可全向旋轉的滾輪。這種移動(dòng)結構使機器人很容易實(shí)現以自身為中心的旋轉運動(dòng)，具有良好的靈活性和機動(dòng)能力。攝像機云臺在一個(gè)專(zhuān)用電機的帶動(dòng)下可以繞機器人中心水平旋轉。大部分全自主足球機器人都有專(zhuān)門(mén)的踢球裝置。參加RoboCup中型組比賽的機器人大多采用彈射式踢球裝置，這種結構的好處是彈射遠、爆發(fā)力大，但是它體積大、機械結構復雜、易出故障。本機器人踢球裝置采用葉片旋轉式結構，電機通過(guò)齒輪帶動(dòng)踢球葉片高速旋轉以達到踢球目的。這種踢球裝置結構簡(jiǎn)單、節省空間、踢球彈力大。缺點(diǎn)是踢球葉片從靜止到高速旋轉需要一定的加速時(shí)間，當球與機器人相對靜止時(shí)，踢球裝置的彈射力量不足。 足球機器人運動(dòng)系統應該具備高速運動(dòng)、靈活轉彎、啟停加速度大等特點(diǎn)。本系統選用FAULHABER公司生產(chǎn)的直流電動(dòng)機作為左右輪、云臺和踢球裝置的驅動(dòng)電機，并自行設計開(kāi)發(fā)了電機控制驅動(dòng)板，可產(chǎn)生PWM速度控制信號并接收電機光電編碼器的碼盤(pán)反饋。通過(guò)PC104總線(xiàn)與嵌入式計算機相連，其核心部件是運動(dòng)控制專(zhuān)用芯片LM629和H橋組件LMD18200。LM629能夠編程產(chǎn)生PWM信號，實(shí)現PID控制和對反饋信號進(jìn)行細分后計數，從而減輕了嵌入式計算機對電機控制的負擔，簡(jiǎn)化了驅動(dòng)程序的任務(wù)。 1.5 無(wú)線(xiàn)通信系統 機器人無(wú)線(xiàn)通信系統采用基于PC104+總線(xiàn)的WaveLan 11無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)卡。該無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡體積小、抗干擾能力強，信號有效傳輸距離超過(guò)130m，實(shí)際平均傳輸帶寬可達8.5Mbps。這種穩定的寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統，使得開(kāi)發(fā)人員可以隨時(shí)把在個(gè)人計算機上開(kāi)發(fā)的程序發(fā)送到機器人主控計算機上運行和調試，并且能夠實(shí)時(shí)監控程序在機器人上的運行狀態(tài)，極大地提高了軟件開(kāi)發(fā)的效率。 1.6 電源系統 電源系統由電池、充電器和電源板組成。電池采用可充電鋰電池，與其他類(lèi)型的充電電池相比具有充電時(shí)間短、放電時(shí)間長(cháng)、抗沖擊負載能力強等特點(diǎn)。電源板是自行開(kāi)發(fā)設計的，輸入端接電池的12V輸出，電源板輸出電為5V。充電器是外委加工的。該電源系統可為正常比賽的機器人連續供電大約2.5小時(shí)。 2 軟件體系結構 全自主足球機器人的軟件體系結構從總體上描述了全自主足球機器人軟件控制的功能框架，如圖2所示。該框架可分為三層。底層為驅動(dòng)控制和數據采集控制程序，中層為行為規劃和信息采集層，上層為決策層。底層程序分為二部分，其中CCD1和CCD2數據采集、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡控制、超聲波控制模塊為系統提供基礎的環(huán)境狀態(tài)、監控計算機的指令、其他機器人的狀態(tài)以及圍墻或障礙物的距離信息等。左右輪電機、上目CCD電機和踢球裝置控制程序控制相應的驅動(dòng)裝置，實(shí)現系統需要完成的特定動(dòng)作，如行走、踢球等。中層程序也分為二部分，信息采集層對系統和環(huán)境的信息進(jìn)行綜合處理，實(shí)現信息融合，提取有用的信息和數據上傳給決策層；而行為規劃層接收決策層的指令，規劃出一系列特定的動(dòng)作，如一邊行走上目CCD一邊轉動(dòng)以便在運動(dòng)過(guò)程中找球，行走特定的弧線(xiàn)以便規劃射門(mén)動(dòng)作。決策層是軟件控制的核心，根據環(huán)境感知和信息融合的結果，利用數據庫中的有用數據和策略庫(相當于專(zhuān)家系統中的知識庫)中的有效策略給出行為決策結論，并傳送給行為規劃層，如發(fā)現球后根據當前的狀況如何快速移動(dòng)去搶球，搶到球后如何規劃避開(kāi)對方隊員進(jìn)行射門(mén)等。 3 結 論 由哈爾濱工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院自主設計，由韓國加工制造的全自主足球機器人的實(shí)際空間尺寸不超過(guò)20cm×20cm×40cm，可以滿(mǎn)足FIRA世界杯大賽中全自主型足球機器人比賽的要求。此機器人分別在2001年和2002年FIRA世界杯大賽中榮獲冠軍，在2003年的FIRA世界杯大賽中獲得亞軍。本文介紹的體系結構還可以應用到其他類(lèi)型的自主移動(dòng)機器人中，如家庭機器人等。 |
