CN100406088C - 基于互联网进行遥操作机器人足球比赛的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于互联网进行遥操作机器人足球比赛的方法。它分为通过互联网相连的比赛现场和操作现场；比赛现场由摄像机采集机器人足球比赛信息，通过视频计算机和控制计算机将现场视频图像和比赛信息数据传送到操作者端，同时接收操作者端的命令，控制足球机器人的运动；操作现场通过视频接收发送器接收视频信息，通过网络预测模块接收足球机器人比赛信息并探测网络状态，其预测结果经图像重构模块显示给操作者，操作者根据反馈信息操作游戏杆发布的操作命令结合预测结果、通过命令转换模块转换为足球机器人的左右轮速度，然后传送到控制计算机。本发明通过将遥操作技术融入机器人足球比赛，为拓展机器人足球的普及性和趣味性提供了新的技术途径。

Description

基于互联网进行遥操作机器人足球比赛的方法

技术领域

本发明涉及基于互联网的遥操作领域和机器人足球技术，具体地说是一种基于互联网进行遥操作机器人足球比赛的方法。

背景技术

在互联网遥操作机器人的研究领域中，互联网的随机时延和时延抖动等特性给系统的稳定性、透明性都带来了很多问题。此外，基于互联网对多机器人的遥操作和遥操作机器人对动态目标的操作也有很多的研究工作。近年来，机器人足球作为机器人学的一个标准问题，受到了越来越多的关注。建立基于互联网的遥操作机器人足球比赛系统，对机器人传感技术，机器人的机敏运动性能，多机器人协调，机器人行动多样化，通信和运动的实时性等方面的研究都能够起到推动和促进作用。

基于互联网的遥操作机器人足球比赛中，机器人的操作对象足球始终处在运动当中，多个机器人需要通过协作配合，将足球踢进对方球门并阻止对方的进攻，这就要求对机器人的操作具有良好的实时性和透明性，能够有效的捕捉到动态目标进行操作，同时多机器人之间还要有相应的协调策略。建立和研究这样的系统，有重要的研究意义和实用价值。但目前还没有这方面的报道。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于互联网进行遥操作机器人足球比赛的方法。

本发明具体技术方案为：将系统分为比赛现场和操作现场两部分，两部分之间通过互联网相连，应用网络Socket进行通讯；一方面，比赛现场部分摄像机采集机器人足球比赛中的场地信息，足球机器人位姿，球的位置等信息，并通过视频计算机和控制计算机分别将现场视频图像和比赛信息数据传送到操作者端，其中视频计算机将视频图像的模拟信号转换成数字信号，经互联网将数字视频信号送至视频接收发送器，同时还接收操作者端的操作视频，进行显示输出；控制计算机从视频图像中提取足球机器人的位姿，求出球的位置信号，经互联网送至网络预测模块，同时，接收操作者端的命令和信息，并通过无线串口通讯控制比赛场地中足球机器人的运动；另一方面，操作现场的操作者通过视频接收发送器接收比赛现场视频计算机的视频反馈信息，通过网络预测模块接收足球机器人的位姿并探测网络状态，网络预测模块将预测结果经图像重构模块显示给操作者，操作者根据反馈信息操作游戏杆、发布操作命令，操作命令结合预测结果、通过命令转换模块转换为足球机器人的左右轮速度，然后传送到控制计算机；操作者的操作过程由摄像头采集，经视频接收发送器发送到比赛现场的视频计算机；

所述命令转换模块包括以下流程为：首先读取游戏杆状态信息，和机器人姿态及速度预测增量以及角速度预测增量，然后判断方位角θ范围，如其范围大于1π/4且小于3π/4，则速度置为-Y/可调常数，计算角速度预测值及足球机器人的左右轮速度；当程序不结束时发送左右轮速度信息至控制计算机后返回读取机器人姿态及速度预测增量以及角速度预测增量；否则，判断方位角范围是否大于等于3π/4且小于5π/4，是，则速度置-X/可调常数，计算角速度预测值及足球机器人的左右轮速度；当程序不结束时发送左右轮速度信息至控制计算机后返回读取读取机器人姿态及速度预测增量以及角速度预测增量；否则，判断方位角θ范围是否大于等于5π/4且小于7π/4，若是，则速度置Y/可调常数，计算角速度预测值及足球机器人的左右轮速度；当程序不结束时发送左右轮速度v_l和v_r信息至控制计算机后返回读取读取机器人姿态及速度预测增量以及角速度预测增量；否则，给速度置X/可调常数，计算角速度预测值及足球机器人的左右轮速度；当程序不结束时读取机器人姿态及速度预测增量以及角速度预测增量，发送左右轮速度信息至控制计算机后返回读取机器人姿态及速度预测增量以及角速度预测增量；在程序结束时退出，所述可调常数为1～1000之间的整数。

所述网络预测模块用于预测机器人的实际位姿，设定时延的阈值n1，n2，n3，判断网络时延τ与阈值的关系，计算相应的速度预测增量以及角速度预测增量；具体流程为：首先实时探测网络状态，然后读取足球机器人的位姿和足球机器人前一刻的速度、角速度，通过公式计算位姿预测值，设定初始化阈值n1、n2、n3，当时延τ大于等于n1、小于n2时，将速度预测增量置Δv₁，角速度预测增量置π/m1；当时延τ大于等于n2、小于n3时，将速度预测增量置Δv₂，角速度预测增量置π/m2；当时延τ大于等于n3时，将速度预测增量置Δv₃，角速度预测增量置π/m3，否则将速度预测增量置0，角速度预测增量置0，返回探测网络状态延值，其中m1、m2、m3为大于1的可调常数，三者关系为m1＜m2＜m3。

所述图像重构模块流程是：在操作者界面画出足球场地，然后进行坐标转换，实时读取网络传来的足球机器人的位姿数据，利用图形用户接口函数在操作者界面的场地上重构出机器人的运动状态；

所述基于事件的控制方法以操作计算机作为规划器，输出的控制命令经控制计算机至被控对像，将被控对像的运动信息反馈至控制计算机输入端，与规划器输出的控制命令进行比较后，传给作为控制器的控制计算机；选取控制计算机、视频计算机的信号为远程信息源，以远程信息源的信息传输作为非时间运动参量，将控制计算机、视频计算机的信息送至规划器，形成一个完整的交互过程。

本发明原理是：提供了建立实际比赛系统的结构模型，采用客户端(操作现场)/服务器(比赛现场)模式，通过传送现场图像及机器人和球的位置来提供给操作者现场信息，操作者操作游戏杆发布控制命令，通过命令转换模块和根据网络预测模块将游戏杆的输入转化为足球机器人的左右轮速度，然后通过互联网传送命令和反馈数据，以完成机器人足球比赛。

本发明具有以下优点：

1.本发明可以建立基于互联网的遥操作机器人足球比赛系统，建立这样的系统，对研究互联网机电系统以及机器人传感技术，机器人的机敏运动性能，多机器人协调，机器人行动多样化，通信和运动的实时性等方面都能够起到推动和促进作用。

2.采用本发明，建立基于互联网的遥操作机器人足球比赛系统还具有重要的社会效益。采用遥操作的方式进行机器人足球赛，直接参与性强，简单易行，对抗激烈，具有很强的趣味性，而以互联网作为媒介，可以使更多的人参与到机器人足球比赛中，增强机器人足球赛在普通大众中的普及，提升大众尤其是青少年对机器人的兴趣。

附图说明

图1为本发明系统的框图。

图2为本发明一个实施例3对3机器人足球比赛的示意图。

图3为命令转换模块的流程图。

图4为网络预测模块的流程图。

图5为图像重构模块的流程图。

图6为基于事件的控制方法框图。

具体实施方式

实施例1

图1所示为基于互联网的建立遥操作机器人足球比赛系统的框图。系统分为比赛现场和操作现场两部分，两部分之间通过互联网相连，应用网络Socket进行通讯。一方面，比赛现场部分摄像机采集机器人足球比赛中的场地信息，足球机器人位姿，球的位置等信息，并通过视频计算机和控制计算机分别将现场视频图像和比赛信息数据传送到操作者端，其中视频计算机采用视频卡(市购产品)将视频图像的模拟信号转换成数字信号，经互联网通过视频会议程序(市购产品)将数字视频信号送至视频接收发送器；同时还接收操作者端的操作视频，进行显示输出；控制计算机通过图象处理程序(市购产品)从视频图像中提取足球机器人的位姿和球的位置信号，经互联网送至网络预测模块；同时，接收操作者端的命令和信息，并通过无线串口通讯控制比赛场地中足球机器人的运动。操作现场的操作者通过视频接收发送器接收赛现场视频计算机的视频反馈信息，通过网络预测模块接收足球机器人的位姿并探测网络状态，网络预测模块将预测结果经图像重构模块显示给操作者；另一方面，操作现场的操作者根据反馈信息操作游戏杆、发布操作命令，操作命令结合预测结果、通过命令转换模块转换为足球机器人的左右轮速度，然后传送到控制计算机；操作者的操作过程由USB摄像头采集，经视频接收发送器发送到比赛现场的视频计算机。

其中，由于以互联网作为传输通道，操作者接收的反馈信息和发布的操作命令都通过网络状态模块进行了补偿。除了应用视频接收发送器接收现场视频，还应用图像重构模块根据反馈的机器人位姿，球的位置以及网络状态对比赛现场进行了图像重构，方便操作者进行比赛。所述网络预测模块、命令转换模块、视频接收发送器、图像重构模块作为程序均存储于操作计算机中。

图2为按照图1所示系统框图建立的3对3遥操作足球机器人比赛系统的示意图。现场端为3对3的足球机器人比赛场地和相应的比赛设施。比赛场地上方安装摄像机采集比赛现场视频和比赛数据信息，摄像机分别与控制计算机(通过图像采集卡，市购产品)和视频计算机(通过视频卡，市购产品)相连，两个计算机分别连接到互联网上，与操作者端进行通讯。控制计算机装有无线串口用以发送命令给机器人执行，操作者端的操作计算机与互联网相连，计算机上安装相应数目的游戏杆用来产生控制命令。

图3为按照图1所建立的系统中的命令转换模块的流程图。具体流程为：首先读取游戏杆状态信息X(为游戏杆水平轴的值)，Y(为游戏杆垂直轴的值)，R(为游戏杆旋转轴的值)，和机器人姿态(方位角θ)及速度预测增量Δv以及角速度预测增量Δω，然后，判断方位角θ范围，如其范围大于1/4π且小于3π/4，则v置-Y/20，计算角速度预测值ω及足球机器人的左右轮速度v_l和v_rr；当程序不结束时发送左右轮速v_l和v_r信息至控制计算机后返回读取机器人姿态(方位角θ)及速度预测增量Δv以及角速度预测增量Δω；否则，判断方位角θ范围是否大于等于3π/4且小于等于5π/4，是，则v置-X/20，计算角速度预测值ω及足球机器人的左右轮速度v_l和v_r；当程序不结束时发送左右轮速度v_l和v_r信息至控制计算机后返回读取机器人姿态(方位角θ)及速度预测增量Δv以及角速度预测增量Δω；否则，判断方位角θ范围是否大于等于5π/4且小于等于7π/4，若是，则v置Y/20，计算角速度预测值ω及足球机器人的左右轮速度v_l和v_r；当程序不结束时发送左右轮速度v_l和v_r信息至控制计算机后返回读取机器人姿态(方位角θ)及速度预测增量Δv以及角速度预测增量Δω；否则，给v置＝X/20，计算角速度预测值ω及足球机器人的左右轮速度v_l和v_r；当程序不结束时发送左右轮速度v_l和v_r信息至控制计算机后返回读取机器人姿态(方位角θ)及速度预测增量Δv以及角速度预测增量Δω；在程序结束时退出。

其中：本实施例命令转换模块读取游戏杆的输入X，Y，R和机器人的方位角θ，根据公式(1)、(2)计算出速度v和角速度ω，然后叠加网络预测模块的预测值Δv以及Δω：

ω＝2πnR/1000  (2)；

最后通过公式(3)计算出机器人的左右轮速度并通过网络发送给控制计算机，执行。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{vl}=v+0.5\mathrm{d\ω}\\ \mathrm{vr}=v-0.5\mathrm{d\ω}\end{array}\right.---\left(3\right);$

公式(2)中的n为转速为可调控制量。d为足球机器人的左右轮之间的距离。

如图4所示，网络预测模块用于预测机器人的实际位姿，设定时延的阈值n1，n2，n3，判断网络时延τ与阈值的关系，应用不同的公式计算出相应的速度预测增量Δv以及角速度预测增量Δω；具体流程为：首先实时探测网络状态(即时延τ)，然后读取足球机器人的位姿x、y及θ和足球机器人前一刻的速度v、角速度ω，通过公式

x＝x+vτcosθ，

y＝x+vτsinθ，

θ＝θ+ωτ

计算位姿预测值，设定初始化阈值n1、n2、n3，当时延τ大于等于n1、小于n2时，将速度预测增量置Δv₁，角速度预测增量置π/m1；当时延τ大于等于n2、小于n3时，将速度预测增量置Δv₂，角速度预测增量置π/m2；当时延τ大于等于n3时，将速度预测增量置Δv₃，角速度预测增量置π/m3，否则将速度预测增量置0，角速度预测增量置0，返回探测网络状态时延τ。

本实施例初始化阈值n1、n2、n3虽网络状态调整，三者关系为n1＜n2＜n3；速度预测增量Δv₁、Δv₂、Δv₃可为-5，-10，-15，三者关系为：Δv₃＜Δv₂＜Δv₁；m3、m2、m1为10，15，20，三者关系为m1＜m2＜m3。

如图5所示，利用图像重构模块流程是：在操作者界面画出足球场地，然后进行坐标转换(将足球机器人场地坐标转换为操作计算机屏幕坐标)，对应实际比赛场地，实时读取网络传来的足球机器人的位姿数据X，Y，θ，利用Windows GUI函数(图形用户接口函数)在操作者界面的场地上重构出机器人的运动状态，使操作者的操作更加方便。

所述图象重构模块是一个辅助性功能模块，采用该模块可以将比赛过程更直观的呈献给操作者。

如图6所示，基于事件的控制方法以操作计算机作为规划器，输出的控制命令经控制计算机至被控对像，将被控对像的运动信息反馈至控制计算机输入端，与规划器输出的控制命令进行比较后，传给作为控制器的控制计算机；选取控制计算机、视频计算机的信号为远程信息源，以远程信息源的信息传输作为非时间运动参量，将控制计算机、视频计算机的信息送至规划器，形成一个完整的交互过程(即：一个事件单位)。其中以足球机器人为被控对像，由控制计算机控制。

应用基于事件的控制方法可以使得系统的控制过程及与环境的交互过程均具有时间无关性，保证系统的稳定性可靠性和操作的透明性。

采用本发明方法，建立了基于互联网的遥操作机器人足球比赛系统，对研究互联网机电系以及机器人传感技术，机器人的机敏运动性能，多机器人协调，机器人行动多样化，通信和运动的实时性等方面都能够起到推动和促进作用。建立基于互联网的遥操作机器人足球比赛系统还具有重要的社会效益，采用遥操作的方式进行机器人足球赛，直接参与性强，简单易行，对抗激烈，具有很强的趣味性，而以互联网作为媒介，可以使更多的人参与到机器人足球比赛中，增强机器人足球赛在普通大众中的普及，提升大众尤其是青少年对机器人的兴趣。本发明为基于互联网的遥操作提供了良好的研究平台同时也为机器人技术的普及提供了新的途径。

Claims (6)

1.一种基于互联网的建立遥操作机器人足球比赛系统的方法，将系统分为比赛现场和操作现场两部分，两部分之间通过互联网相连，应用网络Socket进行通讯；一方面，比赛现场部分摄像机采集机器人足球比赛中的场地信息，足球机器人位姿，球的位置信息，并通过视频计算机和控制计算机分别将现场视频图像和比赛信息数据传送到操作者端，同时，接收操作者端的命令和信息，并通过无线串口通讯控制比赛场地中足球机器人的运动；另一方面，操作现场的操作者通过视频接收发送器接收比赛现场视频计算机的视频反馈信息，通过网络预测模块接收足球机器人的位姿并探测网络状态，网络预测模块将预测结果经图像重构模块显示给操作者，操作者根据反馈信息操作游戏杆、发布操作命令，操作命令结合预测结果、通过命令转换模块转换为足球机器人的左右轮速度，然后传送到控制计算机；其中网络预测模块还预测机器人的实际位姿，计算相应的速度预测增量以及角速度预测增量，所计算相应的速度预测增量以及角速度预测增量经与游戏杆的控制命令一起传送给命令转换模块；

通过视频计算机和控制计算机分别将现场视频图像和比赛信息数据传送到操作者端的方法是：视频计算机将视频图像的模拟信号转换成数字信号，经互联网将数字视频信号送至视频接收发送器，同时还接收操作者端的操作视频，进行显示输出；控制计算机从视频图像中提取足球机器人的位姿，求出球的位置信号，经互联网送至网络预测模块；其中操作者的操作过程可由摄像头采集，经视频接收发送器发送到比赛现场的视频计算机；

其特征在于：所述命令转换模块包括以下流程为：首先读取游戏杆状态信息，和机器人姿态及速度预测增量以及角速度预测增量，然后判断方位角θ范围，如其范围大于1π/4且小于3π/4，则速度置为-Y/可调常数，计算角速度预测值及足球机器人的左右轮速度；当程序不结束时发送左右轮速度信息至控制计算机，然后返回读取机器人姿态及速度预测增量以及角速度预测增量；否则，判断方位角范围是否大于等于3π/4且小于5π/4，是，则速度置-X/可调常数，计算角速度预测值及足球机器人的左右轮速度；当程序不结束时发送左右轮速度信息至控制计算机后返回读取读取机器人姿态及速度预测增量以及角速度预测增量；否则，判断方位角θ范围是否大于等于5π/4且小于7π/4，若是，则速度置Y/可调常数，计算角速度预测值及足球机器人的左右轮速度；当程序不结束时发送左右轮速度v_l和v_r信息至控制计算机后返回读取读取机器人姿态及速度预测增量以及角速度预测增量；否则，给速度置X/可调常数，计算角速度预测值及足球机器人的左右轮速度；当程序不结束时读取机器人姿态及速度预测增量以及角速度预测增量，发送左右轮速度信息至控制计算机后返回读取机器人姿态及速度预测增量以及角速度预测增量；在程序结束时退出，所述可调常数为20。

2.按照权利要求1所述的基于互联网进行遥操作机器人足球比赛的方法，其特征在于：所述网络预测模块用于预测机器人的实际位姿，设定时延的阈值n1，n2，n3，判断网络时延τ与阈值的关系，计算相应的速度预测增量以及角速度预测增量；具体流程为：首先实时探测网络状态，然后读取足球机器人的位姿和足球机器人前一刻的速度、角速度，通过公式计算位姿预测值，设定初始化阈值n1、n2、n3，当时延τ大于等于n1、小于n2时，将速度预测增量置Δv₁，角速度预测增量置π/m1；当时延τ大于等于n2、小于n3时，将速度预测增量置Δv₂，角速度预测增量置π/m2；当时延τ大于等于n3时，将速度预测增量置Δv₃，角速度预测增量置π/m3，否则将速度预测增量置0，角速度预测增量置0，返回探测网络状态延值，其中m1、m2、m3为大于1的可调常数，三者关系为m1＜m2＜m3。

3.按照权利要求2所述的基于互联网进行遥操作机器人足球比赛的方法，其特征在于：其中初始化阈值n1、n2、n3为大于0的常数，三者关系为n1＜n2＜n3；速度预测增量Δv₁、Δv₂、Δv₃分别为大于等于-5、-10、-15，三者关系为：Δv₃＜Δv₂＜Δv₁；m1、m2、m3分别为20、15、10；计算位姿预测值公式为：x＝x+vτcosθ，y＝y+Vτsinθ，θ＝θ+ωτ，其中x、y、θ分别为机器人位姿，v为机器人前一刻的速度。

4.按照权利要求1所述的基于互联网进行遥操作机器人足球比赛的方法，其特征在于：所述图像重构模块流程是：在操作者界面画出足球场地，然后进行坐标转换，实时读取网络传来的足球机器人的位姿数据，利用图形用户接口函数在操作者界面的场地上重构出机器人的运动状态。

5.按照权利要求4所述的基于互联网进行遥操作机器人足球比赛的方法，其特征在于：所述坐标转换是将足球机器人场地坐标转换为操作计算机屏幕坐标。

6.按照权利要求1所述的基于互联网进行遥操作机器人足球比赛的方法，其特征在于：所述基于事件的控制方法以操作计算机作为规划器，输出的控制命令经控制计算机至被控对像，将被控对像的运动信息反馈至控制计算机输入端，与规划器输出的控制命令进行比较后，传给作为控制器的控制计算机；选取控制计算机、视频计算机的信号为远程信息源，以远程信息源的信息传输作为非时间运动参量，将控制计算机、视频计算机的信息送至规划器，形成一个完整的交互过程。

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