全自主足球機器人體系結構的研究

　　從1996年開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、德國漢堡大學以及日本、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(zhàn)勝對手，需要進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上奔跑的同時需要隨時隨地判定自身與周圍環(huán)境的位置關系，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，已受到國內外學者的普遍關注。

　　舉辦機器人世界杯足球賽的目的是為了促進分布式人工智能研究的發(fā)展。通過提供一個標準任務，使研究人員能夠利用各種技術獲得更好的解決方案，從而有效促進各領域的發(fā)展。研究中涉及的領域有：智能機器人系統(tǒng)、多智能體系統(tǒng)、實時模式識別與行為系統(tǒng)、智能體結構設計、實時規(guī)劃和推理、基于網絡的三維圖形交互、傳感器技術等。

　　在研制足球機器人之前，必須對人踢足球活動進行認真的剖析。人的五官、頭腦和四肢是一個有機的整體，踢球活動是人體各部位的綜合活動。要讓機器來實現(xiàn)這樣的活動，必須對這些融為一體的活動進行分解。就單人踢球而言，首先要看準球和球門，想好了怎么踢，然后用力完成相應的動作。如果是多人踢球，則應溝通信息，以實現(xiàn)配合[2]。因此，根據足球機器人實際比賽的需求，本文提出了一個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，以無限網絡通信模擬多人踢球，用信息溝通實現(xiàn)配合，再加上控制軟件就可以實現(xiàn)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、視覺系統(tǒng)、超聲波定位避障系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、運動系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。機器人的核心是嵌入式計算機，負責視覺信息處理、機器人定位與導航以及行為決策，相當于機器人的大腦。而視覺系統(tǒng)則相當于機器人的眼睛，負責實時地提供環(huán)境信息，使決策模塊能夠針對賽場上的動態(tài)環(huán)境迅速做出反應。超聲波定位避障系統(tǒng)可以讓機器人避開前方的障礙物，并能算出距前方障礙物或邊墻的距離。運動系統(tǒng)負責驅動機器人本體移動、攝像機的旋轉和踢球裝置的運轉。無線通信系統(tǒng)是多機器人合作及軟件系統(tǒng)開發(fā)的基礎。電源系統(tǒng)采用直流充電電池，為以上所有部件提供電能。機器人車體采用鋁合金材料，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(guī)定參賽機器人尺寸要小于20cm×20cm×40cm(長×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足FIRA RoboSot比賽用機器人的需要。而單片機應用系統(tǒng)雖然體積小，但其處理能力又無法滿足實時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：

　　(1)體積小、節(jié)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+總線進行功能擴展。這種結構節(jié)省空間，可以滿足FIRA RoboSot規(guī)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。實驗表明，在機器人之間頻繁發(fā)生碰撞的比賽過程中該主板仍能穩(wěn)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?shù)奶幚硇阅堋?/P>

　　(3)功能接口完備、集成度高。PCM 9370F配有一個有線以太網接口，一個微型FlashCard插槽，一個符合ULTRA DMA傳輸協(xié)議的增強型IDE接口，一個并行通信接口，二個串行通信接口，一個微型PS/2鍵盤鼠標接口。它具有SVGA/LCD顯示控制器，支持雙CRT和LCD顯示。

1.2 視覺系統(tǒng)

　　機器人采用上下布局的異構雙目彩色視覺系統(tǒng)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下能圍繞機器人車體中心水平旋轉±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。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。

　　二個攝像機都以固定的角度俯視地面。上目視覺比下目視覺的定位精度高，圖像采集速度快，而且由云臺帶動在機器人靜止時可以感知機器人周圍330°范圍內的環(huán)境信息，所以上目視覺通常負責識別較遠處的目標物體以及下目視覺視野以外的目標物體；下目視覺能看到機器人前方腳下的目標物體，而這個區(qū)域恰是上目視覺的盲區(qū)，所以下目視覺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(zhí)行帶球動作時，只能由下目視覺來判斷球是否位于踢球裝置正前方。

　　總之，上下二個攝像機的型號、運動自由度、數(shù)據傳輸接口、圖像采集頻率以及環(huán)境感知任務都是不同的，這種視覺系統(tǒng)結構模型屬于異構雙目模型。

1.3 超聲波定位避障系統(tǒng)

　　超聲測距是一種非接觸的檢測方式，與紅外、激光及無線電測距相比，在近距離范圍內超聲測距有不受光線影響、結構簡單、成本低等特點，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，在使用時，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、右后對稱的位置上也安放了傳感器。其最大的優(yōu)點是對于不同的位置可以選用相應的超聲波傳感器組進行定位和避障，避免機器人經常轉身，節(jié)省了大量時間，提高了機器人的靈活性。

1.4 運動系統(tǒng)

　　全自主足球機器人的運動系統(tǒng)包括移動機構、上目攝像機云臺和踢球裝置。移動機構采用比較流行的三點支撐結構，三點分別是雙電機驅動的左右輪和一個可全向旋轉的滾輪。這種移動結構使機器人很容易實現(xiàn)以自身為中心的旋轉運動，具有良好的靈活性和機動能力。攝像機云臺在一個專用電機的帶動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門的踢球裝置。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，電機通過齒輪帶動踢球葉片高速旋轉以達到踢球目的。這種踢球裝置結構簡單、節(jié)省空間、踢球彈力大。缺點是踢球葉片從靜止到高速旋轉需要一定的加速時間，當球與機器人相對靜止時，踢球裝置的彈射力量不足。

　　足球機器人運動系統(tǒng)應該具備高速運動、靈活轉彎、啟停加速度大等特點。本系統(tǒng)選用FAULHABER公司生產的直流電動機作為左右輪、云臺和踢球裝置的驅動電機，并自行設計開發(fā)了電機控制驅動板，可產生PWM速度控制信號并接收電機光電編碼器的碼盤反饋。通過PC104總線與嵌入式計算機相連，其核心部件是運動控制專用芯片LM629和H橋組件LMD18200。LM629能夠編程產生PWM信號，實現(xiàn)PID控制和對反饋信號進行細分后計數(shù)，從而減輕了嵌入式計算機對電機控制的負擔，簡化了驅動程序的任務。

1.5 無線通信系統(tǒng)

　　機器人無線通信系統(tǒng)采用基于PC104+總線的WaveLan 11無線以太網卡。該無線網卡體積小、抗干擾能力強，信號有效傳輸距離超過130m，實際平均傳輸帶寬可達8.5Mbps。這種穩(wěn)定的寬帶無線通信系統(tǒng)，使得開發(fā)人員可以隨時把在個人計算機上開發(fā)的程序發(fā)送到機器人主控計算機上運行和調試，并且能夠實時監(jiān)控程序在機器人上的運行狀態(tài)，極大地提高了軟件開發(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間短、放電時間長、抗沖擊負載能力強等特點。電源板是自行開發(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(tǒng)可為正常比賽的機器人連續(xù)供電大約2.5小時。

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。底層為驅動控制和數(shù)據采集控制程序，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)據采集、無線網卡控制、超聲波控制模塊為系統(tǒng)提供基礎的環(huán)境狀態(tài)、監(jiān)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裝置，實現(xiàn)系統(tǒng)需要完成的特定動作，如行走、踢球等。中層程序也分為二部分，信息采集層對系統(tǒng)和環(huán)境的信息進行綜合處理，實現(xiàn)信息融合，提取有用的信息和數(shù)據上傳給決策層；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作，如一邊行走上目CCD一邊轉動以便在運動過程中找球，行走特定的弧線以便規(guī)劃射門動作。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(shù)據庫中的有用數(shù)據和策略庫(相當于專家系統(tǒng)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(guī)劃層，如發(fā)現(xiàn)球后根據當前的狀況如何快速移動去搶球，搶到球后如何規(guī)劃避開對方隊員進行射門等。

3 結 論

　　由哈爾濱工業(yè)大學計算機科學與技術學院自主設計，由韓國加工制造的全自主足球機器人的實際空間尺寸不超過20cm×20cm×40cm，可以滿足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型的自主移動機器人中，如家庭機器人等。