全自主足球机器人体系结构的研究

从1996年开始的机器人世界杯足球赛掀起了足球机器人研究的热潮。美国的CMU大学、德国汉堡大学以及日本、韩国、荷兰等国家都投入人力物力研制这种机器人。为了能够战胜对手，需要进一步提高足球机器人的智能性和适应性。这些性能主要用在足球机器人在场上奔跑的同时需要随时随地判定自身与周围环境的位置关系，以便选择路径或做出正确决策。足球机器人作为人工智能与机器人学科试验研究的载体和小型高科技对抗的平台，已受到国内外学者的普遍关注。

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。

在研制足球机器人之前，必须对人踢足球活动进行认真的剖析。人的五官、头脑和四肢是一个有机的整体，踢球活动是人体各部位的综合活动。要让机器来实现这样的活动，必须对这些融为一体的活动进行分解。就单人踢球而言，首先要看准球和球门，想好了怎么踢，然后用力完成相应的动作。如果是多人踢球，则应沟通信息，以实现配合。因此，根据足球机器人实际比赛的需求，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。