一种全自主足球机器人体系结构的设计和实现

足球运动是一种大家非常喜爱的运动。让机器人去踢足球，听起来像天方夜谭似的。机器人也能去踢足球？ 而且，还是要组成一个队伍，不同的机器人要互相配合？要知道，机器人要参加比赛必须要有自己的眼睛，自己的双腿，自己的大脑，还得有自己的嘴--把自己的想法告诉别人，协同进行比赛。现在的足球机器人还没有做到像我们人一样。据科学家估计，这得再过五十年，即2050年左右才能做到在一个真的足球场地上，与我们人的比赛规则一样的条件下进行比赛。到那时可能电视转播的体育节目中机器人足球会占很大的比重。当然，这是猜测，目前为止，现实中在国际上最具影响力的机器人足球赛事组织有FIRA国际机器人足球联合会和ROBOTCUP国际机器人足球世界杯赛。

　　举办机器人世界杯足球赛的目的是为了促进分布式人工智能研究的发展。通过提供一个标准任务，使研究人员能够利用各种技术获得更好的解决方案，从而有效促进各领域的发展。研究中涉及的领域有：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、实时规划和推理、基于网络的三维图形交互、传感器技术等。

　　足球机器人比赛虽然刚刚开展几年时间，但是它吸引了越来越多人的关注。因为它以喜闻乐见的方式走进了我们的视野，虽然它的体积很小，但是它的意义非常重大。它是综合了计算机技术，自动化技术，机电一体化技术，人工智能技术，模式识别技术的一门综合技术。足球机器人的核心技术是人工智能技术，它的目地是使机器具有人的智慧。它能使机器具有像人一样的感知环境，向环境学习的能力。人工智能包括智能控制、机器感知、机器情感、专家系统、人工生命、神经元网络和遗传算法等等。本文提出了一个全自主足球机器人的体系结构。以各种传感器模拟人的五官，以嵌入式计算机模拟人的头脑，以双轮和踢球器模拟人的四肢，以无限网络通信模拟多人踢球，用信息沟通实现配合，再加上控制软件就可以实现踢球所需的各种功能。

　　1  硬件体系结构

　　全自主足球机器人的硬件体系结构由六部分组成，即嵌入式计算机、视觉系统、超声波定位避障系统、无线通信系统、运动系统和电源系统。机器人的核心是嵌入式计算机，负责视觉信息处理、机器人定位与导航以及行为决策，相当于机器人的大脑。而视觉系统则相当于机器人的眼睛，负责实时地提供环境信息，使决策模块能够针对赛场上的动态环境迅速做出反应。超声波定位避障系统可以让机器人避开前方的障碍物，并能算出距前方障碍物或边墙的距离。运动系统负责驱动机器人本体移动、摄像机的旋转和踢球装置的运转。无线通信系统是多机器人合作及软件系统开发的基础。电源系统采用直流充电电池，为以上所有部件提供电能。机器人车体采用铝合金材料，极大地减轻了机器人的重量。足球机器人的硬件体系结构如图1所示。

　1.1 主控计算机

　　RoboSot比赛规定参赛机器人尺寸要小于20cm×20cm×40cm（长×宽×高），因此是机器人的体积设计中要考虑的主要因素之一。普通的PC计算机和笔记本电脑的尺寸不能满足FIRA RoboSot比赛用机器人的需要。而单片机应用系统虽然体积小，但其处理能力又无法满足实时图像处理和行为决策的要求。因而本系统选择了研华公司生产的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主板把CPU、内存、显卡等各种功能集成在一块体积只有145mm×102mm板卡上，采用层叠式的PC104+总线进行功能扩展。这种结构节省空间，可以满足FIRA RoboSot规则对全自主足球机器人尺寸的严格限制。

　　（2）高可靠性和高计算能力。PCM 9370F是符合工业级标准的工控计算机，具有非常高的可靠性。实验表明，在机器人之间频繁发生碰撞的比赛过程中该主板仍能稳定地工作。PCM 9370F采用性能相当于PⅢ500的CPU,自带64MB 内存，具有一个最多能扩展128MB内存的内存扩展槽。所以PCM 9370F不但体积小，而且具备与普通PC计算机相当的处理性能。

　　（3）功能接口完备、集成度高。PCM 9370F配有一个有线以太网接口，一个微型FlashCard插槽，一个符合ULTRA DMA传输协议的增强型IDE接口，一个并行通信接口，二个串行通信接口，一个微型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

　　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目摄像机安装在具有一维自由度的云台上。上目摄像机在云台带动下能围绕机器人车体中心水平旋转±165°。下部CCD摄像机固定在机器人的"腹部",不能相对机器人本体运动。下部摄像机镜头朝向机器人的正前方，光心到地面垂直距离为11cm.

　　二个摄像机都以固定的角度俯视地面。上目视觉比下目视觉的定位精度高，图像采集速度快，而且由云台带动在机器人静止时可以感知机器人周围330°范围内的环境信息，所以上目视觉通常负责识别较远处的目标物体以及下目视觉视野以外的目标物体；下目视觉能看到机器人前方脚下的目标物体，而这个区域恰是上目视觉的盲区，所以下目视觉通常负责识别距离机器人很近（<27cm）的目标物体。例如机器人执行带球动作时，只能由下目视觉来判断球是否位于踢球装置正前方。

　　总之，上下二个摄像机的型号、运动自由度、数据传输接口、图像采集频率以及环境感知任务都是不同的，这种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

　　超声测距是一种非接触的检测方式，与红外、激光及无线电测距相比，在近距离范围内超声测距有不受光线影响、结构简单、成本低等特点，因此在工业控制、建筑测量、机器人定位等方面得到了广泛的应用。

　　超声波测距的原理是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差T,距离S=TC/2,其中C为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。这样检测出超声波发送与接收往返的时间就可以测量出距离。

　　由于全自主足球机器人是在竞争对抗的球场环境中运行，所以它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、右安放了超声波传感器外，在机器人的左前、右前、左后、右后对称的位置上也安放了传感器。其最大的优点是对于不同的位置可以选用相应的超声波传感器组进行定位和避障，避免机器人经常转身，节省了大量时间，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、上目摄像机云台和踢球装置。移动机构采用比较流行的三点支撑结构，三点分别是双电机驱动的左右轮和一个可全向旋转的滚轮。这种移动结构使机器人很容易实现以自身为中心的旋转运动，具有良好的灵活性和机动能力。摄像机云台在一个专用电机的带动下可以绕机器人中心水平旋转。大部分全自主足球机器人都有专门的踢球装置。参加RoboCup中型组比赛的机器人大多采用弹射式踢球装置，这种结构的好处是弹射远、爆发力大，但是它体积大、机械结构复杂、易出故障。本机器人踢球装置采用叶片旋转式结构，电机通过齿轮带动踢球叶片高速旋转以达到踢球目的。这种踢球装置结构简单、节省空间、踢球弹力大。缺点是踢球叶片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，踢球装置的弹射力量不足。

　　足球机器人运动系统应该具备高速运动、灵活转弯、启停加速度大等特点。本系统选用FAULHABER公司生产的直流电动机作为左右轮、云台和踢球装置的驱动电机，并自行设计开发了电机控制驱动板，可产生PWM速度控制信号并接收电机光电编码器的码盘反馈。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桥组件LMD18200.LM629能够编程产生PWM信号，实现PID控制和对反馈信号进行细分后计数，从而减轻了嵌入式计算机对电机控制的负担，简化了驱动程序的任务。

　　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WaveLan 11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，使得开发人员可以随时把在个人计算机上开发的程序发送到机器人主控计算机上运行和调试，并且能够实时监控程序在机器人上的运行状态，极大地提高了软件开发的效率。

　　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、抗冲击负载能力强等特点。电源板是自行开发设计的，输入端接电池的12V输出，电源板输出电为5V.充电器是外委加工的。该电源系统可为正常比赛的机器人连续供电大约2.5小时。

　　2  软件体系结构

　　全自主足球机器人的软件体系结构从总体上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。底层为驱动控制和数据采集控制程序，中层为行为规划和信息采集层，上层为决策层。底层程序分为二部分，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础的环境状态、监控计算机的指令、其他机器人的状态以及围墙或障碍物的距离信息等。左右轮电机、上目CCD电机和踢球装置控制程序控制相应的驱动装置，实现系统需要完成的特定动作，如行走、踢球等。中层程序也分为二部分，信息采集层对系统和环境的信息进行综合处理，实现信息融合，提取有用的信息和数据上传给决策层；而行为规划层接收决策层的指令，规划出一系列特定的动作，如一边行走上目CCD一边转动以便在运动过程中找球，行走特定的弧线以便规划射门动作。决策层是软件控制的核心，根据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，并传送给行为规划层，如发现球后根据当前的状况如何快速移动去抢球，抢到球后如何规划避开对方队员进行射门等。

　　3  结  论

　　机器人足球系统的研究涉及非常广泛的领域，包括机械电子学、机器人学、传感器信息融合、智能控制、通讯、计算机视觉、计算机图形学、人工智能等等，吸引了世界各国的广大科学研究人员和工程技术人员的积极参与。更有意义的是，机器人足球比赛的组织者始终奉行研究与教育相结合的根本宗旨。比赛与学术研究的巧妙结合更激发了青年学生的强烈兴趣，通过比赛培养了青年学生严谨的科学研究态度和良好的技能。

　　从1996年在韩国大田的KAIST举办第一届MiroSot比赛至今，FIRA已经举行了七届世界杯比赛，足迹遍布亚洲、欧洲、美洲和大洋洲，成为各类国际机器人竞赛中最具水平和影响力的赛事之一。除了一年一度的世界杯比赛以外，每年还有许多地区性的FIRA机器人足球比赛。蓬勃发展的机器人足球比赛对机器人足球的研究起到了巨大的推动作用。FIRA机器人足球比赛的种类也由最开始的MiroSot不断增加，目前已经包括MiroSot、RoboSot、HuroSot、SimuroSot等多个类别。有的类别根据双方参赛队员数目不同还可以分为小型组、中型组和大型组等等。