足球机器人世界杯足球赛的体系结构结构分析

举办机器人世界杯的目的是促进分布式人工智能研究的发展。 通过提供标准任务，使研究人员能够利用各种技术获得更好的解决方案，有效促进各个领域的发展。 研究涉及的领域包括：智能机器人系统、多智能体系统、实时模式识别与行为系统、智能体结构设计、实时规划与推理、基于网络的三维图形交互、传感器技术等。

在开发足球机器人之前，必须仔细分析人类的足球运动活动。 人的五官、心灵和四肢是一个有机的整体，足球运动是人体各部分的综合活动。 为了使机器执行此类活动，必须分解这些集成活动。 就单独踢球而言，首先要看着球和球门，思考如何踢球，然后利用自己的力量完成相应的动作。 如果多名球员一起踢球，则应沟通信息以实现协调。 因此，根据足球机器人的实际比赛需求，本文提出了一种全自主足球机器人的架构。 利用各种传感器模拟人的面部特征，利用嵌入式计算机模拟人的思维，利用轮子和踢球器模拟人的四肢机器人足球比赛系统，利用无限网络通信模拟多人足球，利用信息通信实现协调，控制软件可以实现踢足球所需的各种功能。

1 硬件架构

全自主足球机器人的硬件架构由嵌入式计算机、视觉系统、超声波定位避障系统、无线通信系统、运动系统和供电系统六部分组成。 机器人的核心是嵌入式计算机，负责视觉信息处理、机器人定位导航、行为决策等机器人足球比赛系统，相当于机器人的大脑。 视觉系统相当于机器人的眼睛，负责实时提供环境信息，让决策模块能够快速响应场上的动态环境。 超声波定位避障系统可以让机器人避开前方障碍物，并计算与前方障碍物或侧壁的距离。 运动系统负责驱动机器人本体的运动、摄像头的旋转以及踢腿装置的运行。 无线通信系统是多机器人协作和软件系统开发的基础。 电源系统采用直流充电电池为上述各部件提供电源。 机器人本体采用铝合金材质，大大减轻了机器人的重量。 足球机器人的硬件架构如图1所示。

1.1 主控计算机

大赛规定参赛机器人尺寸必须小于20cm×20cm×40cm（长×宽×高），因此是机器人体积设计需要考虑的主要因素之一。 普通PC电脑和笔记本电脑的尺寸无法满足FIRA竞赛机器人的需求。 单片机应用系统虽然体积较小，但其处理能力无法满足实时图像处理和行为决策的要求。 因此，本系统选用研华公司生产的PCM 9370F嵌入式计算机作为机器人的核心计算处理功能模块。 该计算机具有以下特点：

(1)体积小，节省空间。 PCM 9370F主板将CPU、内存、显卡等多种功能集成到一块体积仅145mm×102mm的主板上，并采用堆叠式PC104+总线进行功能扩展。 这种结构节省了空间，并且可以满足FIRA规则对完全自主足球机器人的严格尺寸限制。

(2)高可靠性、高计算能力。 PCM 9370F是一款符合工业标准、具有极高可靠性的工业控制计算机。 实验表明，在机器人碰撞频繁的比赛中，该主板仍能稳定工作。 PCM 9370F采用性能相当于PⅢ500的CPU，配备64MB内存，并拥有内存扩展插槽，最高可扩展128MB内存。 因此，PCM 9370F不仅体积小，而且具有与普通PC计算机相当的处理性能。

(3)功能接口齐全，集成度高。 PCM 9370F配备1个有线以太网接口、1个micro插槽、1个符合ULTRA DMA传输协议的增强型IDE接口、1个并行通信接口、2个串行通信接口、1个micro PS/2键盘鼠标接口。 它具有SVGA/LCD显示控制器，支持双CRT和LCD显示。

1.2 视觉系统

该机器人采用上下布局的异构双目彩色视觉系统结构。 位于机器人顶部的上眼摄像头安装在具有一维自由度的云台上。 上摄像头可在云台驱动下绕机器人本体中心水平旋转±165°。 下部CCD摄像头固定在机器人的“肚子”上，不能相对机器人本体移动。 下摄像头面向机器人正面，光心到地面的垂直距离为11cm。

两个摄像头以固定角度俯视地面。 上眼视觉比下眼视觉定位精度更高，图像采集速度更快。 在云台驱动下，机器人静止时可以感知机器人周围330°范围内的环境信息。 因此，上眼视觉通常负责识别远处的目标。 下眼视野之外的物体和目标物体； 下眼视觉可以看到机器人前方和脚下的目标物体，而这个区域是上眼视觉的盲区，所以下眼视觉通常负责识别离机器人很近的物体（<27cm）目标物体。 例如，当机器人执行运球动作时，它只能利用较低的视觉来判断球是否位于踢球装置的正前方。

总之，上下摄像头的型号、运动自由度、数据传输接口、图像采集频率、环境感知任务不同。 该视觉系统结构模型属于异构双目模型。

1.3 超声波定位避障系统

超声波测距是一种非接触式检测方法。 与红外、激光、无线电测距相比，近距离超声波测距具有不受光线影响、结构简单、成本低廉等特点。 因此在工业控制中得到广泛应用，在建筑测量、机器人定位等方面也得到了广泛的应用。

超声波测距的原理是超声波发射后，不断检测障碍物反射的回波，从而测量发射和接收回波的时间差T。 距离S=TC/2，其中C为超声波速度。 由于超声波也是声波的一种，其声速C与温度有关。 使用过程中，如果温度变化不大，则可以认为声速基本不变。 这样，通过检测超声波发射和接收的往返时间就可以测量出距离。

由于全自主足球机器人在竞争激烈的场地环境中运行，因此需要具有更大的灵活性。 因此，除了在全自主足球机器人的前、后、左、右放置超声波传感器外，还在机器人的左前、右前、左后、右后对称位置放置传感器。 其最大的优点是可以针对不同的位置选择相应的超声波传感器组进行定位和避障，避免了机器人频繁掉头，节省了大量的时间，提高了机器人的灵活性。

1.4 运动系统

全自主足球机器人的运动系统包括移动机构、上眼摄像平台和踢球装置。 移动机构采用流行的三点支撑结构。 三点是双电机驱动的左右轮和一个可以全方位旋转的滚轮。 这种移动结构使得机器人能够轻松实现自定心旋转运动，具有良好的灵活性和可操作性。 摄像机平移/倾斜可在特殊电机的驱动下绕机器人中心水平旋转。 大多数全自动足球机器人都有专门的踢球装置。 参加中型团体赛的机器人大多采用弹射式踢腿装置。 这种结构的优点是弹射距离长、爆发力高。 但其体积大、机械结构复杂、容易出现故障。 该机器人踢球装置采用叶片旋转结构。 电机通过齿轮带动踢球叶片高速旋转，达到踢球的目的。 该踢球装置结构简单、节省空间、踢球弹性高。 缺点是踢刀从静止到高速旋转需要一定的加速时间。 当球与机器人相对静止时，踢球装置的弹射力不足。

足球机器人运动系统应具有高速运动、转弯灵活、启停加速度大等特点。 本系统采用本公司生产的直流电机作为左右轮、云台、踢脚装置的驱动电机，并设计开发了自行设计的电机控制驱动板机器人足球比赛系统，可产生PWM调速信号并接收代码圆盘反馈来自电机的光电编码器。 它通过PC104总线与嵌入式计算机相连，其核心部件是运动控制专用芯片LM629和H桥元件。 LM629可以编程产生PWM信号，实现PID控制并对反馈信号进行细分然后计数，从而减轻嵌入式计算机电机控制的负担，简化驱动器的任务。

1.5 无线通信系统

机器人无线通信系统采用基于PC104+总线的11路无线以太网卡。 该无线网卡体积小，抗干扰能力强。 信号有效传输距离超过130m，实际平均传输带宽可达8.5Mbps。 这种稳定的宽带无线通信系统可以让开发者随时将个人电脑上开发的程序发送到机器人主控计算机上运行调试，并可以实时监控机器人上程序的运行状态，大大提高了软件开发效率。

1.6 电源系统

电源系统由电池、充电器和电源板组成。 电池采用可充电锂电池，与其他类型的充电电池相比，具有充电时间短、放电时间长、耐冲击负载能力强的特点。 电源板是我们自己开发设计的。 输入端连接电池的12V输出，电源板的输出电源为5V。 充电器是外购的。 该供电系统在正常比赛时可为机器人持续供电约2.5小时。

2 软件架构

全自主足球机器人的软件架构总体描述了全自主足球机器人软件控制的功能框架，如图2所示。该框架可分为三层。 最底层是驱动控制和数据采集控制程序，中间层是行为规划和信息采集层，上层是决策层。 底层程序分为两部分。 其中CCD1和CCD2数据采集、无线网卡控制、超声波控制模块为系统提供基本环境状态、监控计算机指令、其他机器人的状态以及墙壁或障碍物的距离信息。 左右轮电机、上CCD电机以及踢腿装置控制程序控制相应的驱动装置，实现系统需要完成的具体动作，如行走、踢腿等。中层程序也分为分为两部分。 信息采集层对系统和环境信息进行综合处理，实现信息融合，提取有用信息和数据上传至决策层； 而行为规划层则接收决策层的指令，规划一系列具体动作，比如在移动过程中边走边看CCD边转身找球，边走特定的弧线来规划投篮动作。 决策层是软件控制的核心。 它基于环境感知和信息融合的结果，利用数据库中的有用数据和策略库（相当于专家系统中的知识库）中的有效策略，给出行为决策结论，并传输到行为规划层，比如发现球后如何根据当前情况快速移动去抢球，抢球后如何策划躲避对方球员并射门等等。

3 结论

由哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院自主设计、韩国制造，全自主足球机器人实际空间尺寸不超过20cm×20cm×40cm，可满足全自主足球的要求FIRA 世界杯机器人比赛。 该机器人在2001年和2002年的FIRA世界杯上获得冠军，在2003年的FIRA世界杯上获得亚军。本文介绍的架构也可以应用于其他类型的自主移动机器人，例如家庭机器人。

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