一種全自主足球機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

足球運(yùn)動(dòng)是一種大家非常喜愛(ài)的運(yùn)動(dòng)。讓機(jī)器人去踢足球，聽(tīng)起來(lái)像天方夜譚似的。機(jī)器人也能去踢足球？ 而且，還是要組成一個(gè)隊(duì)伍，不同的機(jī)器人要互相配合？要知道，機(jī)器人要參加比賽必須要有自己的眼睛，自己的雙腿，自己的大腦，還得有自己的嘴--把自己的想法告訴別人，協(xié)同進(jìn)行比賽。現(xiàn)在的足球機(jī)器人還沒(méi)有做到像我們?nèi)艘粯?。?jù)科學(xué)家估計(jì)，這得再過(guò)五十年，即2050年左右才能做到在一個(gè)真的足球場(chǎng)地上，與我們?nèi)说谋荣愐?guī)則一樣的條件下進(jìn)行比賽。到那時(shí)可能電視轉(zhuǎn)播的體育節(jié)目中機(jī)器人足球會(huì)占很大的比重。當(dāng)然，這是猜測(cè)，目前為止，現(xiàn)實(shí)中在國(guó)際上最具影響力的機(jī)器人足球賽事組織有FIRA國(guó)際機(jī)器人足球聯(lián)合會(huì)和ROBOTCUP國(guó)際機(jī)器人足球世界杯賽。

　　舉辦機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)器人系統(tǒng)、多智能體系統(tǒng)、實(shí)時(shí)模式識(shí)別與行為系統(tǒng)、智能體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)規(guī)劃和推理、基于網(wǎng)絡(luò)的三維圖形交互、傳感器技術(shù)等。

　　足球機(jī)器人比賽雖然剛剛開(kāi)展幾年時(shí)間，但是它吸引了越來(lái)越多人的關(guān)注。因?yàn)樗韵猜剺?lè)見(jiàn)的方式走進(jìn)了我們的視野，雖然它的體積很小，但是它的意義非常重大。它是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)化技術(shù)，機(jī)電一體化技術(shù)，人工智能技術(shù)，模式識(shí)別技術(shù)的一門(mén)綜合技術(shù)。足球機(jī)器人的核心技術(shù)是人工智能技術(shù)，它的目地是使機(jī)器具有人的智慧。它能使機(jī)器具有像人一樣的感知環(huán)境，向環(huán)境學(xué)習(xí)的能力。人工智能包括智能控制、機(jī)器感知、機(jī)器情感、專家系統(tǒng)、人工生命、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等等。本文提出了一個(gè)全自主足球機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)。以各種傳感器模擬人的五官，以嵌入式計(jì)算機(jī)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(xiàn)配合，再加上控制軟件就可以實(shí)現(xiàn)踢球所需的各種功能。

　　1  硬件體系結(jié)構(gòu)

　　全自主足球機(jī)器人的硬件體系結(jié)構(gòu)由六部分組成，即嵌入式計(jì)算機(jī)、視覺(jué)系統(tǒng)、超聲波定位避障系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。機(jī)器人的核心是嵌入式計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)視覺(jué)信息處理、機(jī)器人定位與導(dǎo)航以及行為決策，相當(dāng)于機(jī)器人的大腦。而視覺(jué)系統(tǒng)則相當(dāng)于機(jī)器人的眼睛，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)地提供環(huán)境信息，使決策模塊能夠針對(duì)賽場(chǎng)上的動(dòng)態(tài)環(huán)境迅速做出反應(yīng)。超聲波定位避障系統(tǒng)可以讓機(jī)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體移動(dòng)、攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)和踢球裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)。無(wú)線通信系統(tǒng)是多機(jī)器人合作及軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。電源系統(tǒng)采用直流充電電池，為以上所有部件提供電能。機(jī)器人車體采用鋁合金材料，極大地減輕了機(jī)器人的重量。足球機(jī)器人的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1.1 主控計(jì)算機(jī)

　　RoboSot比賽規(guī)定參賽機(jī)器人尺寸要小于20cm×20cm×40cm（長(zhǎng)×寬×高），因此是機(jī)器人的體積設(shè)計(jì)中要考慮的主要因素之一。普通的PC計(jì)算機(jī)和筆記本電腦的尺寸不能滿足FIRA RoboSot比賽用機(jī)器人的需要。而單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)雖然體積小，但其處理能力又無(wú)法滿足實(shí)時(shí)圖像處理和行為決策的要求。因而本系統(tǒng)選擇了研華公司生產(chǎn)的PCM 9370F嵌入式計(jì)算機(jī)作為機(jī)器人的核心計(jì)算處理功能模塊。該計(jì)算機(jī)具有以下特點(diǎn)：

　　（1）體積小、節(jié)省空間。PCM 9370F主板把CPU、內(nèi)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+總線進(jìn)行功能擴(kuò)展。這種結(jié)構(gòu)節(jié)省空間，可以滿足FIRA RoboSot規(guī)則對(duì)全自主足球機(jī)器人尺寸的嚴(yán)格限制。

　?。?）高可靠性和高計(jì)算能力。PCM 9370F是符合工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的工控計(jì)算機(jī)，具有非常高的可靠性。實(shí)驗(yàn)表明，在機(jī)器人之間頻繁發(fā)生碰撞的比賽過(guò)程中該主板仍能穩(wěn)定地工作。PCM 9370F采用性能相當(dāng)于PⅢ500的CPU,自帶64MB 內(nèi)存，具有一個(gè)最多能擴(kuò)展128MB內(nèi)存的內(nèi)存擴(kuò)展槽。所以PCM 9370F不但體積小，而且具備與普通PC計(jì)算機(jī)相當(dāng)?shù)奶幚硇阅堋?/p>

　　（3）功能接口完備、集成度高。PCM 9370F配有一個(gè)有線以太網(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(qiáng)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(biāo)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(tǒng)

　　機(jī)器人采用上下布局的異構(gòu)雙目彩色視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。位于機(jī)器人頂部的上目攝像機(jī)安裝在具有一維自由度的云臺(tái)上。上目攝像機(jī)在云臺(tái)帶動(dòng)下能圍繞機(jī)器人車體中心水平旋轉(zhuǎn)±165°。下部CCD攝像機(jī)固定在機(jī)器人的"腹部",不能相對(duì)機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)。下部攝像機(jī)鏡頭朝向機(jī)器人的正前方，光心到地面垂直距離為11cm.

　　二個(gè)攝像機(jī)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(tái)帶動(dòng)在機(jī)器人靜止時(shí)可以感知機(jī)器人周圍330°范圍內(nèi)的環(huán)境信息，所以上目視覺(jué)通常負(fù)責(zé)識(shí)別較遠(yuǎn)處的目標(biāo)物體以及下目視覺(jué)視野以外的目標(biāo)物體；下目視覺(jué)能看到機(jī)器人前方腳下的目標(biāo)物體，而這個(gè)區(qū)域恰是上目視覺(jué)的盲區(qū)，所以下目視覺(jué)通常負(fù)責(zé)識(shí)別距離機(jī)器人很近（<27cm）的目標(biāo)物體。例如機(jī)器人執(zhí)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(jī)的型號(hào)、運(yùn)動(dòng)自由度、數(shù)據(jù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)模型屬于異構(gòu)雙目模型。

　　1.3 超聲波定位避障系統(tǒng)

　　超聲測(cè)距是一種非接觸的檢測(cè)方式，與紅外、激光及無(wú)線電測(cè)距相比，在近距離范圍內(nèi)超聲測(cè)距有不受光線影響、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)，因此在工業(yè)控制、建筑測(cè)量、機(jī)器人定位等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

　　超聲波測(cè)距的原理是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)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(rèn)為聲速是基本不變的。這樣檢測(cè)出超聲波發(fā)送與接收往返的時(shí)間就可以測(cè)量出距離。

　　由于全自主足球機(jī)器人是在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)抗的球場(chǎng)環(huán)境中運(yùn)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(jī)器人的前、后、左、右安放了超聲波傳感器外，在機(jī)器人的左前、右前、左后、右后對(duì)稱的位置上也安放了傳感器。其最大的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于不同的位置可以選用相應(yīng)的超聲波傳感器組進(jìn)行定位和避障，避免機(jī)器人經(jīng)常轉(zhuǎn)身，節(jié)省了大量時(shí)間，提高了機(jī)器人的靈活性。

　　1.4 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

　　全自主足球機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括移動(dòng)機(jī)構(gòu)、上目攝像機(jī)云臺(tái)和踢球裝置。移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用比較流行的三點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)，三點(diǎn)分別是雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的左右輪和一個(gè)可全向旋轉(zhuǎn)的滾輪。這種移動(dòng)結(jié)構(gòu)使機(jī)器人很容易實(shí)現(xiàn)以自身為中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具有良好的靈活性和機(jī)動(dòng)能力。攝像機(jī)云臺(tái)在一個(gè)專用電機(jī)的帶動(dòng)下可以繞機(jī)器人中心水平旋轉(zhuǎn)。大部分全自主足球機(jī)器人都有專門(mén)的踢球裝置。參加RoboCup中型組比賽的機(jī)器人大多采用彈射式踢球裝置，這種結(jié)構(gòu)的好處是彈射遠(yuǎn)、爆發(fā)力大，但是它體積大、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易出故障。本機(jī)器人踢球裝置采用葉片旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，電機(jī)通過(guò)齒輪帶動(dòng)踢球葉片高速旋轉(zhuǎn)以達(dá)到踢球目的。這種踢球裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省空間、踢球彈力大。缺點(diǎn)是踢球葉片從靜止到高速旋轉(zhuǎn)需要一定的加速時(shí)間，當(dāng)球與機(jī)器人相對(duì)靜止時(shí)，踢球裝置的彈射力量不足。

　　足球機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該具備高速運(yùn)動(dòng)、靈活轉(zhuǎn)彎、啟停加速度大等特點(diǎn)。本系統(tǒng)選用FAULHABER公司生產(chǎn)的直流電動(dòng)機(jī)作為左右輪、云臺(tái)和踢球裝置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)板，可產(chǎn)生PWM速度控制信號(hào)并接收電機(jī)光電編碼器的碼盤(pán)反饋。通過(guò)PC104總線與嵌入式計(jì)算機(jī)相連，其核心部件是運(yùn)動(dòng)控制專用芯片LM629和H橋組件LMD18200.LM629能夠編程產(chǎn)生PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)PID控制和對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行細(xì)分后計(jì)數(shù)，從而減輕了嵌入式計(jì)算機(jī)對(duì)電機(jī)控制的負(fù)擔(dān)，簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)程序的任務(wù)。

　　1.5 無(wú)線通信系統(tǒng)

　　機(jī)器人無(wú)線通信系統(tǒng)采用基于PC104+總線的WaveLan 11無(wú)線以太網(wǎng)卡。該無(wú)線網(wǎng)卡體積小、抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)有效傳輸距離超過(guò)130m,實(shí)際平均傳輸帶寬可達(dá)8.5Mbps.這種穩(wěn)定的寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)，使得開(kāi)發(fā)人員可以隨時(shí)把在個(gè)人計(jì)算機(jī)上開(kāi)發(fā)的程序發(fā)送到機(jī)器人主控計(jì)算機(jī)上運(yùn)行和調(diào)試，并且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控程序在機(jī)器人上的運(yùn)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(tǒng)

　　電源系統(tǒng)由電池、充電器和電源板組成。電池采用可充電鋰電池，與其他類型的充電電池相比具有充電時(shí)間短、放電時(shí)間長(zhǎng)、抗沖擊負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。電源板是自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)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(tǒng)可為正常比賽的機(jī)器人連續(xù)供電大約2.5小時(shí)。

　　2  軟件體系結(jié)構(gòu)

　　全自主足球機(jī)器人的軟件體系結(jié)構(gòu)從總體上描述了全自主足球機(jī)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(qū)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集控制程序，中層為行為規(guī)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(shù)據(jù)采集、無(wú)線網(wǎng)卡控制、超聲波控制模塊為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)的環(huán)境狀態(tài)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)的指令、其他機(jī)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(jī)、上目CCD電機(jī)和踢球裝置控制程序控制相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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(duì)系統(tǒng)和環(huán)境的信息進(jìn)行綜合處理，實(shí)現(xiàn)信息融合，提取有用的信息和數(shù)據(jù)上傳給決策層；而行為規(guī)劃層接收決策層的指令，規(guī)劃出一系列特定的動(dòng)作，如一邊行走上目CCD一邊轉(zhuǎn)動(dòng)以便在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中找球，行走特定的弧線以便規(guī)劃射門(mén)動(dòng)作。決策層是軟件控制的核心，根據(jù)環(huán)境感知和信息融合的結(jié)果，利用數(shù)據(jù)庫(kù)中的有用數(shù)據(jù)和策略庫(kù)（相當(dāng)于專家系統(tǒng)中的知識(shí)庫(kù)）中的有效策略給出行為決策結(jié)論，并傳送給行為規(guī)劃層，如發(fā)現(xiàn)球后根據(jù)當(dāng)前的狀況如何快速移動(dòng)去搶球，搶到球后如何規(guī)劃避開(kāi)對(duì)方隊(duì)員進(jìn)行射門(mén)等。

　　3  結(jié)  論

　　機(jī)器人足球系統(tǒng)的研究涉及非常廣泛的領(lǐng)域，包括機(jī)械電子學(xué)、機(jī)器人學(xué)、傳感器信息融合、智能控制、通訊、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能等等，吸引了世界各國(guó)的廣大科學(xué)研究人員和工程技術(shù)人員的積極參與。更有意義的是，機(jī)器人足球比賽的組織者始終奉行研究與教育相結(jié)合的根本宗旨。比賽與學(xué)術(shù)研究的巧妙結(jié)合更激發(fā)了青年學(xué)生的強(qiáng)烈興趣，通過(guò)比賽培養(yǎng)了青年學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究態(tài)度和良好的技能。

　　從1996年在韓國(guó)大田的KAIST舉辦第一屆MiroSot比賽至今，F(xiàn)IRA已經(jīng)舉行了七屆世界杯比賽，足跡遍布亞洲、歐洲、美洲和大洋洲，成為各類國(guó)際機(jī)器人競(jìng)賽中最具水平和影響力的賽事之一。除了一年一度的世界杯比賽以外，每年還有許多地區(qū)性的FIRA機(jī)器人足球比賽。蓬勃發(fā)展的機(jī)器人足球比賽對(duì)機(jī)器人足球的研究起到了巨大的推動(dòng)作用。FIRA機(jī)器人足球比賽的種類也由最開(kāi)始的MiroSot不斷增加，目前已經(jīng)包括MiroSot、RoboSot、HuroSot、SimuroSot等多個(gè)類別。有的類別根據(jù)雙方參賽隊(duì)員數(shù)目不同還可以分為小型組、中型組和大型組等等。