足球机器人的决策子系统研究及其MATLAB仿真-精品(3)

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图2.2 基于视觉的半自主型足球机器人系统示意图

3．全自主型足球机器人系统，又称“基于机器人的足球机器人系统（Robot-base soccer robot system）”。如图2.3所示，机器人具有完全的自主行为，自身具有感知系统，一般装有多种传感器，所有的计算（传感信息处理、决策）都由机器人自身来完成。各个机器人分别感知，感知器官不仅局限于视觉，还可辅以红外和声纳等，进行距离和障碍检测。这样信息融合成为首当其冲的技术难题；机器人间的信息沟通则要靠无线通信网络；网络形式与通信协议也成为制约系统性能的关键技术。RoboCup的中型足球机器人比赛（F2000），和四足机器狗比赛（Sony Legged League）及人形足球机器人比赛（Humanoid）就属于此类系统。

图2-3 全自主型足球机器人系统示意图

以上三种模式的系统，从智能的角度讲，第一、二、三种模式呈递增趋势，从控制方式来看，第三种属于分布式控制，第一、二种属于集中控制。而在集中控制方式下，每个机器人的行动完全由中央控制器控制，相对来说，对每个微型机器人要求不高，只要执行命令即可，机器人的结构相对比较简

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单，设计与实现更为容易一些 。针对我们实验室的足球机器人系统，本文研究的MiroSot机器人足球比赛系统属于第一种模式，即集中控制式足球机器人系统。

2.2 微型（MiroSot）机器人足球比赛系统的简介

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微型机器人足球的赛场长1.5米，宽1.3米，比乒乓球台略小，场地画有中线、中圈和门区。每队由三个边长不超过7.5 厘米的立方体形的遥控小车（机器人）组成。它们的任务就是将橘红色的高尔夫球（足球）撞入对方的球门而力保本方不失球或少失球。比赛规则与人类足球相似，也有点球、任意球和门球等。只是因电池容量有限，每半场为5分钟，中间休息10分钟。下半场结束时若为平局，则有3分钟的延长期，也实行突然死亡法和点球大战。与人类足球的明显不同之处在于球场四周有围墙壁，所以没有界外球，而在相持10 秒后判争球。在整个比赛中没有人的参与,完全是计算机指挥机器人自主的比赛。比赛场地如图2.4所示。

图 2.4 MiroSot 机器人足球比赛场地全视图

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装置。从功能上分，它包括机器人小车、视觉、决策和无线通信四个子系统。从自动控制理论角度来看，这四个子系统构成了一个大的闭环控制系统。各个子系统之间关系如图2.5所示。

视觉子系统 CCD摄像机 图像识别 图像处理 图像捕获 决策子系统 比赛场地 主机 RS232 无线通信子系统 无线发射 机器人子系统 无线接收 第13页

图 2.5 微型机器人足球系统结构图

一旦进入比赛，系统通过视觉子系统对整个比赛现场进行监控，由彩色CCD (Charge Couple Device)摄像头获取比赛场上的比赛状况，经视频处理卡采集数据后，由主计算机对这些数据进行识别和处理;根据处理得到的双方机器人和球的信息，决策子系统从策略库中调用相应的比赛策略，分配各机器人角色，确定各机器人的目标位置，进行轨迹规划，从动作函数库中调用相应的动作函数，产生各个机器人的速度控制命令;无线通讯子系统将速度控制命令发送给己方足球机器人，足球机器人完成作战任务，直到比赛停止或比赛时间到为止。 2.2.1 视觉系统

视觉子系统是机器人的眼睛，由CCD摄像头、图像采集卡等硬件设备和图像处理软件组成。它由悬挂在球场中圈上空约2米的摄像头获取赛场上的情况，产生连续帧(或场)的视频图像，由装在主机内的图像采集卡进行A/D转化，生成对应的数字图象，再利用图像识别算法对这些数字图象进行辨识，生成比赛场上的运动物体的位置数据，传给主机。由于双方各有不同颜色的队标(如黄色和蓝色)，而机器人也有不同的队员色标。这样计算机就可以通过颜色分割辨识出全部机器人与球的坐标位置与朝向，并将辨识数据提供给决策子系统供其进行分析决策使用，视觉子系统结构如图2.6所示。

与普通的计算机视觉相比，足球机器人的视觉系统有自己的特点。首先，对系统的实时性要求高，Mirosot系统工作在60Hz时，每个控制周期时间为16ms，在此时间内4个子系统必须串行运行一遍。其次，系统辨识精度要求高。第三，系统需具备一定的适应性和抗干扰性。

人机交互 预处理

实 际 结果输出 目标识别 图像分割 图像获取 场景 图像处理 视觉主流程； 数据流程； 命令流程 第14页

图2.6 视觉子系统结构

由于视觉系统所提供的数据是用来供决策系统进行决策分析以及发出指令的，而场上情形多变，小车运动速度很高，视觉系统获取和处理数据的速度直接影响发出指令的速度，进而影响场上机器人小车运动的灵活性和准确性。因此，视觉系统的实时性是决定整个系统实时性的重要因素。

视觉系统需具备一定的适应性和抗干扰性.对于比赛现场的理想要求是比赛现场光线充足，辨识物体无影，机器人小车和球的颜色、形状特征明晰，比赛场地和各物体颜色饱和度高。而实际上赛场的环境很容易受到各种因素的干扰而难于达到理想状况，而且比赛时的现场环境与调试环境也不尽相同，系统必须要具备快速初始化能力以适应比赛需要，这就要求视觉系统要

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有一定的稳定性和适应性

系统识别精度的高低和速度的快慢是衡量视觉子系统性能的两项主要指标，直接影响到整个系统的性能和比赛结果。应尽可能在节约成本的基础上选择高性能的摄像头和图像采集卡等硬件资源，重点研制开发识别处理速度快、效果好的图像处理软件。 2.2.2 决策子系统

决策子系统是足球比赛的核心子系统，根据视觉子系统送来的现场信息，如当前得分、谁控制球、对手的水平等因素，安排相应的策略，决定是进攻还是防守，确定机器人队形及角色分配。策略存在策略库中，根据比赛情况和经验进行提取，各种智能算法如神经网络、模糊算法、遗传算法等也可以应用到策略编程以及策略选择中。系统根据所选择的策略，计划机器人的任务，从动作函数库中调用相应的动作函数，产生各足球机器人左、右轮的速度控制命令，然后通过无线通信子系统发送给比赛场上的足球机器人。决策子系统流程图如图2.7所示。

机器人动作 信息预处理 动作

态势分析 机器人管理队形确定 角色分配 策 略 库 第15页

图 2.7 决策子系统流程图

决策子系统的载体是一台计算机，其决策功能由计算机内运行的决策程序实现。策略应根据比赛规则和经验来进行提取，并存在策略库中.策略库中应有一个学习智能体，用于对指令的执行效果做出评估，对策略库做必要的修改以不断丰富策略。策略库越丰富和完善，取胜的可能性越大。

机器人应具备一定的自适应、自学习及察觉周围环境变化的能力，这种能力要由决策控制子系统来实现，因此决策子系统应满足适应性好、具有自学习能力、实时性好等几方面的要求。 2.2.3 无线通信子系统

通信子系统是联系主机与机器人的桥梁和纽带，主要负责主机和足球机器人之间的通信。通信系统分为无线发射装置系统和车载接收装置系统，发射装置与主机相连，接收装置在足球机器人上，来自主机决策系统的控制指令通过计算机的串口送至通信发射模块，经过调制后发射出去，机器人的通

无线接 收装置 电动机 控 制 足球机 器 人 计算机 主 机 RS232 无线发 射装置 图 2.8 通信子系统流程图

信接收模块接收到命令并解调后传给车载微处理器进一步处理，解码后获得左右轮速度设定值，送入电动机控制部分驱动左右轮转动。足球机器人比赛系统是一个快速实时系统，数据传输的快慢将影响机器人接收命令，进而影响系统的快速性和比赛结果，因此要求通信子系统有较高的通信速率。

信号以无线电波的方式传输时比较容易受到外界信号(各种噪声以及近频带信号)的干扰而产生误差;同时由于机器人上的接收机与机器人的控制

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