金亦挺，張宇健

(浙江工業(yè)大學計算機科學與技術學院，浙江 杭州 310000)

0 引言

電子信息類課程本身難度較大，加上硬件設備和操作場景的限制，影響到了學生動手能力的培養(yǎng)，給實踐教學提出了較大的挑戰(zhàn)[1]。大學生除了要學會解決復雜工程問題，還要具備團隊溝通和協(xié)作創(chuàng)新的能力，所以如何設計既有較強的應用背景又能增強學生動手能力的綜合實訓平臺，已經(jīng)是一個重要的課題[2-3]。

目前機器人在各個領域的應用中需求越來越大，國家對于機器人的研發(fā)和投入也逐漸加大[4]。要加快機器人的研發(fā)，實現(xiàn)技術創(chuàng)新和突破，最好從高校抓起。目前，機器人已經(jīng)是高校大部分智能綜合實訓平臺的核心部件[5-6]。其中足球機器人更是一個非常好的載體[7-8]，因為它集合了圖像處理、自動決策[9]、路徑規(guī)劃[10]以及自主避障等功能于一身，并涉及到計算機、電子電路、自動化等多門學科知識?，F(xiàn)在基于足球機器人的比賽日益增多，比如近年來火熱發(fā)展的RoboCup足球機器人比賽等[11,12]。

綜合上述分析，本文進行了小型足球機器人綜合實訓平臺設計，該平臺結合了計算機、機電、機械等專業(yè)知識，并將圖像處理、信號傳輸、機電控制等知識點融入其中。

1 足球機器人實訓平臺整體設計

小型足球機器人綜合實訓平臺主要由如下五部分組成：機器人本體系統(tǒng)，視覺識別系統(tǒng)，決策調(diào)度系統(tǒng)，無線通信系統(tǒng)以及場地運行系統(tǒng)，平臺的整體框架如圖1所示。

圖1 平臺整體框架圖

⑴機器人本體系統(tǒng)就是足球機器人本身，是整體系統(tǒng)的執(zhí)行機構。本文選擇的足球機器人安裝了四個全向輪，同時配有控球、擊球機構，通過控球桿與球面的摩擦力，帶動小球反向轉動而不脫離機器人，擊球則是利用電磁線圈產(chǎn)生的電磁場吸引擊球機構向前移動從而將球擊出。

⑵視覺識別系統(tǒng)相當于是足球機器人的眼睛，這也是它獲取數(shù)據(jù)的主要來源，我們在場地上方布置兩個攝像頭來采集信息，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭曈X服務器上的采集卡中，由視覺處理軟件對兩個攝像頭獲取到的數(shù)據(jù)進行計算、分析、識別，最后將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)經(jīng)Q策調(diào)度系統(tǒng)。

⑶決策調(diào)度系統(tǒng)相當于是足球機器人的大腦，在接收視覺識別系統(tǒng)傳來的信息后，從中獲取到場上足球機器人的信息，球的位置、運動方向以及整體場地情況，決策調(diào)度系統(tǒng)隨即做出對應的決策指令。

⑷無線通信系統(tǒng)相當于是足球機器人的神經(jīng)網(wǎng)絡，通過交換機將視覺機、決策機、裁判盒組成局域網(wǎng)，決策機通過無線發(fā)射機與機器人進行雙向通訊。

⑸ 場地運行系統(tǒng)則提供了一個長寬為10.4m*7.4m 的場地，兩個球門，以及其他配套設施，滿足機器人運行的必要環(huán)境。

總的來說，足球機器人實訓平臺的整體框架是：先由場地運行系統(tǒng)為整體系統(tǒng)運行提供基礎環(huán)境，接著視覺識別系統(tǒng)采集機器人和球的位置及運動狀態(tài)信息，經(jīng)分析和處理后傳送給決策調(diào)度系統(tǒng)，決策調(diào)度系統(tǒng)對接收到的信息進行推理決策后，將決策指令通過無線通信系統(tǒng)傳輸給機器人本體系統(tǒng)，機器人收到指令后，執(zhí)行相應的策略。其中決策調(diào)度系統(tǒng)是連接視覺識別系統(tǒng)和機器人本體系統(tǒng)的關鍵，機器人的所有戰(zhàn)術策略都是由決策調(diào)度系統(tǒng)發(fā)起，對于這么一個復雜的系統(tǒng)，如何讓各個子系統(tǒng)各司其職，并且協(xié)調(diào)統(tǒng)一的去完成任務，就是讓學生去學習和挑戰(zhàn)的地方。

2 足球機器人實訓平臺具體設計

2.1 機器人本體系統(tǒng)

機器人本體系統(tǒng)是足球機器人實訓平臺的主體機構，因為機器人在足球比賽中需要快速反應，并且要具備極高的移動靈活性，所以實訓平臺選擇了RoboCup小型足球機器人[13]，如圖2所示。

圖2 RoboCup足球機器人

RoboCup 小型足球機器人有四個全向輪，保證了機器人移動的穩(wěn)定性，也保證了機器人在平面上的全向移動、原地旋轉，它主要分為三個部分：機械結構、電氣結構和程序結構。機械結構部分涉及運動機構的相互配合，來完成機器人基本功能與框架，電氣結構部分通過電路實現(xiàn)對各個機械結構的信息采集及傳輸，程序結構部分是在機械與電氣的基礎上完成底層控制算法，機器人本體系統(tǒng)具體結構如圖3所示。

圖3 機器人本體系統(tǒng)結構圖

2.2 視覺識別系統(tǒng)

機器人視覺識別系統(tǒng)是整個系統(tǒng)獲取外界信息的主要部件，它由攝像頭，圖像采集卡和軟件三部分構成。視覺識別系統(tǒng)的主要任務是：利用視覺識別算法獲取到機器人和小球的位置及其運動信息，然后將信息處理后的結果提交給決策調(diào)度系統(tǒng)。足球機器人頂部中間位置貼有藍色或黃色色標，用來區(qū)分不同隊伍車輛，在同一隊伍內(nèi)，采用不同的粉色和綠色組合，來代表同一隊的不同車號，視覺識別系統(tǒng)的任務之一就是通過識別機器人頂部的色標來判斷機器人所屬隊伍及其車號，如圖4所示。

圖4 色標與車號對應圖

在視覺識別系統(tǒng)中，我們可以引入圖像處理、物體識別等知識，設計與之相關的實驗，引導學生思考計算機是如何對圖像進行分析和識別的。

2.3 決策調(diào)度系統(tǒng)

決策調(diào)度系統(tǒng)的主要工作是在接收到視覺識別系統(tǒng)傳來的場地信息后，通過判斷場上形勢，決策出最佳策略來指導機器人進行后續(xù)動作。即在得到己方機器人、對方機器人、球的位置和運動信息后，采用匹配最近鄰算法[14]進行相應的路徑規(guī)劃，并做出最佳決策調(diào)度策略，然后將制定好的策略任務通過無線通訊系統(tǒng)發(fā)送給各個機器人。

綜合實訓平臺的決策調(diào)度框架采用基于有限狀態(tài)機的多機器人協(xié)作分層決策框架[15]，即B-PAS(Baysbased Play Agent and Skill)，由Play 層、Agent 層和Skill 層組成，分別負責單個機器人的運動控制、角色匹配和任務分配以及單個機器人任務規(guī)劃，決策調(diào)度框架如圖5所示。

圖5 決策調(diào)度框架圖

綜合實訓平臺還提供了一個Linux 系統(tǒng)的足球仿真系統(tǒng)，學生可以通過此平臺編寫相應的策略代碼，戰(zhàn)術腳本，通過仿真系統(tǒng)可以迅速進行相應的調(diào)試，仿真系統(tǒng)執(zhí)行代碼策略并通過無線發(fā)射器對足球機器人進行控制，可以實時的進行調(diào)試，使得代碼的編寫和改進更加便捷快速。另外本文在綜合實訓平臺日常實驗和參與各種賽事經(jīng)驗的基礎上，總結出幾種進攻防守策略，如角球進攻策略，中場預測防守策略以及后場盯人防守策略，具體如下。

⑴角球進攻策略

由于角球進攻情況多樣，為了應付各種情況，我們將角球進攻策略一分為三。策略一：當?shù)捉锹穹鼨C器人前方?jīng)]有機器人防守時，發(fā)球機器人會選擇一個挑球動作，當球滾到埋伏機器人前方時，會采取直接射門方式，由于守門機器人會優(yōu)先朝向發(fā)球機器人，因此埋伏進攻的機器人有很大概率進球。策略二：當1 號機器人前有機器人防守，無法采取直接射門方式，我們安排另一個2 號機器人埋伏在中線，當發(fā)球機器人發(fā)出球后，1 號機器人會撤退，帶出敵方防守機器人，2 號機器人將加速向前，跑向原1 號機器人位置上射門。策略三：若以上兩個策略都被限制時，發(fā)球機器人會選擇傳球給中路，中路機器人接應并伺機選擇機會進攻。在大量實驗測試中，執(zhí)行這種多策略角球進攻方法，角球進球率能大大提高。

⑵中場預測防守策略

對于中場防守，我們采取的更多是保守策略，由于中場的敵方機器人威脅性不大，因此我們采取的方式主要是在后場防守，防止敵方的猛攻。然而，當有一個敵方機器人越過離中線50cm處時，我方會有一個機器人上前盯防，其余機器人堵在球與球門的連線上，防止敵方機器人射門，經(jīng)實際驗證，此策略能有效降低敵方中場直接射門成功率，如圖6所示。

圖6 中場預測防守圖

⑶后場盯人防守策略

當敵方機器人進入后場，這對于我方的威脅是最大的，因此我們采用直接盯人的方式進行處理，只要有一個機器人出現(xiàn)在后場，就必有一個機器人出現(xiàn)盯防，其余機器人圍堵在球與球門的連線上，防止射門。這種后場壓迫式防守，對于對方的進攻能起到很好的防守效果。

2.4 無線通訊系統(tǒng)

無線通信系統(tǒng)主要的工作就是將決策調(diào)度系統(tǒng)制定出來的策略準確無誤的傳送給每個足球機器人，所以它的執(zhí)行效率也至關重要，保證它的穩(wěn)定性，機器人才能正確的執(zhí)行任務。本文設計的實訓平臺的無線通訊系統(tǒng)采用發(fā)射機作為通訊硬件來給足球機器人傳達指令，采用1對N 的廣播方式，即使用一臺發(fā)射機以一定頻率給場上的N臺足球機器人同時傳送其對應的策略，每個足球機器人本體上都裝有無線接收裝置來接收發(fā)射機傳送來的指令數(shù)據(jù)，然后實時的根據(jù)指令數(shù)據(jù)去做出即時的應對操作。這樣的通訊系統(tǒng)具有抗干擾能力強，功耗小，傳輸速度快等特點。同時，為了方便管理兩只球隊對抗時的場景，本實驗平臺提供了裁判盒機制，裁判盒通過局域網(wǎng)連接雙方球隊的主機，并根據(jù)規(guī)則執(zhí)行相應的腳本策略，此外裁判盒還可以與視覺系統(tǒng)相連，自動判斷場上的犯規(guī)行為，裁判盒的加入，大大提升了比賽的流暢性，同時也增加了平臺的可玩性。

2.5 場地運行系統(tǒng)

場地運行系統(tǒng)是給足球機器人運行提供必要的環(huán)境。本文設計的實訓平臺場地大小為10.4m*7.4m，場地表面由綠色氈墊覆蓋，禁區(qū)置于球門前、與底線相接并位于底線中央的區(qū)域。球門分別放置在兩條底線的中央位置，它是由兩個0.16m 高的垂直側壁連接一個0.16m 高的垂直后壁組成，球門側壁間的距離為1m，球門深度為0.18m，球門墻壁的厚度為0.02m，球門的表面、邊緣及頂部均為白色，球門的內(nèi)表面應該覆蓋泡沫等材料以吸收球的沖擊力和降低偏轉速度等，如圖7所示。

圖7 綜合實訓平臺場地圖

3 結束語

本文將小型足球機器人引入綜合實訓平臺中，并設計了圖像處理、物體識別、路徑規(guī)劃、策略分析等實驗。試用表明，該平臺能很好的促進學生的學習熱情，增強學生的動手能力，讓學生能將日常課堂學習到的專業(yè)知識綜合的結合起來，并且該綜合實訓平臺在學院內(nèi)也已經(jīng)成立了小型足球機器人團隊，參與國內(nèi)各項賽事中也取得了眾多的獎項。

最后，實訓平臺在實際應用過程中，還有待進一步改進，例如，如何提升機器人對球的落地點的預判能力，如何結合機器人現(xiàn)有運動趨勢來更好的進行路徑規(guī)劃，以及如何設計更多與計算機應用場景相關的實驗，讓學生們能夠更好的發(fā)揮出他們的創(chuàng)新性等。