CN104898679A - 基于全局视觉与遥控协同控制的足球机器人对抗赛系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于全局视觉与遥控协同控制的足球机器人对抗赛系统，系统包括全局视觉、智能决策、USB无线通讯和机器人小车4个子系统；系统运行时，全局视觉系统将图像采集装置采集到的图像信息转化为机器人的位姿信息和球的位置信息，并传递给智能决策系统；智能决策系统根据获得的信息，通过专家系统判断场上攻守态势，自动分配小车角色，并转换为小车的左右轮速命令值；USB无线通讯系统再通过发射模块将该轮速命令值分别发送给场上的对应机器人以控制其运动；与此同时，参赛者还可以通过提供的遥控手柄无线遥控己方的任意一辆小车运动(同一时刻只能控制一辆)，并且遥控命令的优先级大于专家系统发出的命令。

Description

基于全局视觉与遥控协同控制的足球机器人对抗赛系统

技术领域

本发明涉及人工智能系统领域，尤其是一种基于全局视觉与遥控协同控制的足球机器人对抗赛系统。

背景技术

机器人足球比赛兴起于90年代，它是自动化及机器人领域最具有前瞻性的研究之一。国际上最具影响的机器人足球赛主要是FIRA和RoboCup两大世界杯机器人足球赛，这两大比赛都有严格的比赛规则，融趣味性、观赏性、科普性为一体，为更多大学生参与国际性的科技活动提供了良好的平台。

近年来，国内关于足球机器人的研究发展也较快，尤其是FIRA的Mirosot机器人组，基本已经从大学组开始蔓延到到高中组。而随着人们对科技素养的重视，各个中小学也逐渐重视各自的学生在这方面的能力培养，因此我们准备在中小学生中也推出这样一个平台供大家相互交流学习。

但是考虑到中小学生的知识结构特点，很明显原来的半自助足球机器人系统相对而言有着可操作性太弱，参与度不高的弊端。而且传统的基于文本和符号的编程语言，让中小学生理解起来异常困难。而图形化编程作为一种自然的编程方式，是中小学生编程的一种可行途径。它将各种编程的概念转化为显示在屏幕上的各种图形，只需按照形象化的规则拼接各种图形块，就可以完成编程的过程。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：根据中小学生的特点和知识结构，提供一种基于全局视觉与遥控协同控制的足球机器人对抗赛系统。

本发明所采用的技术方案为：一种基于全局视觉与遥控协同控制的足球机器人对抗赛系统，包括全局视觉子系统、智能决策子系统、USB无线通讯装置、数字图像采集装置、计算机以及机器人小车；所述的全局视觉子系统通过图像采集装置将场地上的图像信息按帧传递给计算机；获得机器人的位姿信息和球的位置信息后传递给智能决策子系统；所述的智能决策子系统根据全局视觉系统获得的信息，通过专家系统判断场上攻守态势，自动分配机器人角色任务，并转换为每个机器人小车的左右轮速的命令值；所述的USB无线通讯装置接收到智能决策子系统发射的轮速命令值后，通过发射模块将该轮速命令值分别发送给场上的对应机器人以控制其运动。

本发明所述的全局视觉子系统包括赛前准备和比赛时实时采集两部分；所述的赛前准备部分通过USB数字摄像头采集到的图像对比赛场地进行标定以达到矫正场地的效果以及对机器人小车进行采色以达到识别小车的效果。

本发明所述的智能决策子系统包括赛前策略调控模块和比赛时调用专家系统两部分；所述的智能决策子系统将所有与策略调试相关的动作都集中在策略调试面板上，且加入了资源数据库，并且采用图像化编程与代码编程的相结合。

本发明所述的USB无线通讯装置包括USB无线通讯模块和遥控手柄；所述的遥控手柄无线遥控己方的任意一辆小车运动，并且遥控命令的优先级大于专家系统发出的命令。

开始比赛后，视觉系统通过全局视觉的图像采集装置将场地上的图像信息按帧传递给计算机，图像处理系统运用算法获得机器人的位姿信息和球的位置信息，然后传递给决策系统；决策系统根据视觉系统获得的信息，通过专家系统判断场上攻守态势，自动分配机器人角色任务，并转换为每个机器人小车的左右轮速的命令值；无线通信系统再通过发射模块将该轮速命令值分别发送给场上的对应机器人以控制其运动。在此基础上，参赛者还可以通过提供的手柄无线遥控己方的任意一辆小车运动，并且遥控命令的优先级大于专家系统发出的命令。

本发明的有益效果是：将调试时的所有操作都集中在控制面板上，采用了图形化编程与普通编程相结合的方法，增强了其可操作性，方便中小学生理解整套系统。遥控手柄的加入，实现了专家系统与人脑协同控制机器人小车运动的效果，既增加了参赛者的参与性，调动其积极性，还提高了比赛的观赏性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的系统结构框图；

图2是本发明的控制流程图。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，系统在硬件设备方面包括机器人小车、数字图像采集装置、计算机、USB无线发射装置和遥控装置。从功能上分，包括全局视觉、智能决策、USB无线通讯及机器人小车4个子系统。其中，在视觉子系统和决策子系统中，还加入了各种资源数据库，如皮肤库(可用于设置操作界面皮肤)、色标数据库(含有各个色块的范围)、基础图形库(用于划分区域的图形化程序块)、角色库(含有角色的编号和图形化程序块)、机器人动作库(含有机器人动作的图形化程序块和用于编程的程序)和作品库(用于存储已完成的作品)等。

系统可通过基于全局视觉的专家系统全自主控制机器人按照执行角色相应的轨迹运动。在此基础上，参赛者还可以通过提供的手柄无线遥控己方的任意一辆小车运动(同一时刻只能控制一辆)，并且遥控命令的优先级大于专家系统发出的命令。

全局视觉子系统：此子系统可分为赛前准备和比赛时实时采集两部分。赛前准备时，需要参赛者通过USB数字摄像头采集到的图像对比赛场地进行标定以达到矫正场地的效果以及对机器人小车进行采色以达到识别小车的效果。比赛时，全局视觉系统通过图像采集装置将场地上的图像信息按帧传递给计算机(由于系统实时性要求比较高，要求图像识别速率达75帧/秒以上)，图像处理程序运用一定的算法获得机器人的位姿信息和球的位置信息，然后传递给智能决策系统。

智能决策子系统：此子系统可分为赛前策略调控模块和比赛时调用专家系统两部分。考虑到中小学生的知识结构特点，系统将所有与策略调试相关的动作都集中在策略调试面板上，且加入了资源数据库，采用图像化编程与代码编程的相结合的方法。比赛时，智能决策系统根据全局视觉系统获得的信息，通过专家系统判断场上攻守态势，自动分配机器人角色任务，并转换为每个机器人小车的左右轮速的命令值。

USB无线通讯系统：此子系统可分为计算机通讯和遥控通讯两部分，硬件上包括USB无线通讯模块和遥控手柄。计算机通讯即指USB无线通信装置接收到智能决策系统发射的轮速命令值后，通过发射模块将该轮速命令值分别发送给场上的对应机器人以控制其运动。遥控通讯即指通过提供的遥控手柄无线遥控己方的任意一辆小车运动(同一时刻只能控制一辆)，并且遥控命令的优先级大于专家系统发出的命令。

机器人小车：为全金属结构，采用工业伺服电机，可拆卸性强，操作者可通过组装机器人来了解一些机械设计及工业电机的基本知识、熟悉机器人结构，提高动手能力；且系统提供多套机器人外壳，操作者可根据自己的爱好选择安装。

系统运行时，全局视觉系统通过数字图像采集装置将场地上的图像信息按帧传递给计算机，图像处理程序运用一定的算法获得机器人的位姿信息和球的位置信息，然后传递给智能决策系统；智能决策系统根据全局视觉系统获得的信息，通过专家系统判断场上攻守态势，自动分配机器人角色任务，并转换为每个机器人小车的左右轮速的命令值。USB无线通信系统再通过发射模块将该轮速命令值分别发送给场上的对应机器人以控制其运动。同时，若参赛者在某一时刻觉得己方某一辆小车的运动轨迹不太符合当时的比赛形势，可通过提供的遥控手柄直接控制该辆车按照自己的想法运动。以达到专家系统与人脑协同控制机器人小车运动的效果。这既增加了参赛者的参赛性，调动了其积极性，还提高了比赛的观赏性。

如图2所示，系统操作运行流程为：

1、运行程序，加载好相应文档后，在单帧图像的状态下对比赛场地进行标定，以矫正其场地变形；

2、场地标定成功后开始将属性页表单切换到采色页，选中需要采集的色标，然后在实时显示的状态下开始采集相应的颜色；

3、采色后选择策略处理按钮，然后在策略设置面板上通过图形化编程调用各种资源数据库设置好相应的参数，包括划分比赛区域，分配角色，修改角色的相关参数或根据自己想法添加新角色等；

4、修改完策略参数后如果选择保存则相关数据会存储于作品库中，以便下次直接加载使用或在此基础上再次修改；若不选择保存则只能在本次比赛中使用，下次比赛时又会重新初始化；

5、完成策略处理后既可以准备开始比赛，若要选择不同的开球方式则需要将属性页表单切换到比赛选项页，再选择相应的开球方式并勾选上复选框，然后再选择初始预备，开始比赛；若想停止比赛则可直接点击停止按钮；

6、开始比赛后，视觉系统通过全局视觉的图像采集装置将场地上的图像信息按帧传递给计算机，图像处理程序运用一定的算法获得机器人的位姿信息和球的位置信息，然后传递给决策系统；决策系统根据视觉系统获得的信息，通过专家系统判断场上攻守态势，自动分配机器人角色任务，并转换为每个机器人小车的左右轮速的命令值。无线通信系统再通过发射模块将该轮速命令值分别发送给场上的对应机器人以控制其运动。

7、若参赛者在某一时刻觉得己方某一辆小车的运动轨迹不太符合当时的比赛形势，可通过提供的遥控手柄直接控制该辆车按照自己的想法运动。以达到专家系统与人脑协同控制机器人小车运动的效果。

本发明控制界面简洁、友好，加入了界面换肤功能；视觉子系统的场地标定和颜色采集部分集成度高，并且把与彩色相关的操作全集中在一页属性表单中，操作步骤简单、方便。而色标颜色库的加入也大大的提高了采色的成功了率。决策子系统的策略处理操作全部集成于策略处理面板中，并且在引用基础图形库、角色库、动作函数库等资源库函数的基础上加入了图形化编程功能，方便中小学生参与修改策略程序；为方便操作者理解资源数据库的内容，系统提供有与角色库和机器人动作库相配套的动画模拟，其中包括各个角色和动作的模拟动画。如果操作者不太了解某个角色的运动动作时，可以观看相应的模拟动画；为培养操作者的编程能力，系统提供有决策子系统接口。操作者除了可根据图形化编程添加现有的角色外，还可根据自己的思维通过调用机器人动作库里的函数来编写新的角色程序；所有修改后的数据都可存储在作品库中，方便下次比赛时再次调用重复修改；机器人小车为全金属结构，采用工业伺服电机，可拆卸性强，操作者可通过组装机器人来了解一些机械设计及工业电机的基本知识、熟悉机器人结构，提高动手能力；且系统提供多套机器人外壳，操作者可根据自己的爱好选择安装。

以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (5)

1.一种基于全局视觉与遥控协同控制的足球机器人对抗赛系统，其特征在于：包括全局视觉子系统、智能决策子系统、USB无线通讯装置、数字图像采集装置、计算机以及机器人小车；所述的全局视觉子系统通过图像采集装置将场地上的图像信息按帧传递给计算机；获得机器人的位姿信息和球的位置信息后传递给智能决策子系统；所述的智能决策子系统根据全局视觉系统获得的信息，通过专家系统判断场上攻守态势，自动分配机器人角色任务，并转换为每个机器人小车的左右轮速的命令值；所述的USB无线通讯装置接收到智能决策子系统发射的轮速命令值后，通过发射模块将该轮速命令值分别发送给场上的对应机器人以控制其运动。

2.如权利要求1所述的基于全局视觉与遥控协同控制的足球机器人对抗赛系统，其特征在于：所述的全局视觉子系统包括赛前准备和比赛时实时采集两部分；所述的赛前准备部分通过USB数字摄像头采集到的图像对比赛场地进行标定以达到矫正场地的效果以及对机器人小车进行采色以达到识别小车的效果。

3.如权利要求1所述的基于全局视觉与遥控协同控制的足球机器人对抗赛系统，其特征在于：所述的智能决策子系统包括赛前策略调控模块和比赛时调用专家系统两部分；所述的智能决策子系统将所有与策略调试相关的动作都集中在策略调试面板上，且加入了资源数据库，并且采用图像化编程与代码编程的相结合。

4.如权利要求1所述的基于全局视觉与遥控协同控制的足球机器人对抗赛系统，其特征在于：所述的USB无线通讯装置包括USB无线通讯模块和遥控手柄；所述的遥控手柄无线遥控己方的任意一辆小车运动，并且遥控命令的优先级大于专家系统发出的命令。

5.如权利要求1所述的基于全局视觉与遥控协同控制的足球机器人对抗赛系统，其特征在于：所述的机器人小车为全金属结构，机器人小车由工业伺服电机驱动。