CN102306026B - 足球机器人感知系统 - Google Patents

Abstract

一种足球机器人感知系统，包括前向视觉摄像头、全景视觉摄像装置，其特征在于，所述感知系统还包括红外传感器装置和感知处理系统，感知处理系统将从前向视觉摄像头获取的前向信息、全景视觉摄像装置获取的全景信息和红外传感装置获取的近觉信息进行信息融合，并将信息融合后的环境信息传送给机器人决策系统。本发明通过安装红外传感器装置，可近距离检测机器人持球机构是否持有足球的情况，且也可通过调节外围电路上的可调电阻来调节红外传感器装置的有效感知范围，获取近觉信息；前向视觉摄像头的镜面垂线与地平线所成角度呈现的变化，可在中距离上改变前向视觉摄相头的感知范围，并且通过前向视觉的数学模型对前向物体进行精确的定位，获取前向信息；在远距离上利用全景视觉，感知全局的信息，获取全景信息。本发明通过对近觉信息、前向信息和全景信息的相互融合，可以准确、高效、稳定的实现对环境的感知，使得机器人决策系统做出更加准确的决策，且减少了成本，提高了性价比。

Description

足球机器人感知系统

技术领域

本发明涉及一种机器人感知系统，具体涉及一种应用于中型足球机器人的感知系统。

背景技术

机器人足球比赛的设想是由加拿大不列颠哥伦比亚大学教授Alan Mackworth在1992年的论文《On Seeing Robot》中首先提出的，他的目标是为人工智能和智能机器人学科提出一个具有标志性和挑战性的课题。1993年这篇文章又收入《Computer Vision：System，Theory，and Applications》一书，与此同时，1992年10月在东京召开的关于“人工智能领域的巨大挑战”学术研讨会上，与会者认真讨论了开展机器人足球比赛对发展科学技术的意义，在众多挑战性课题中认为让机器人踢足球是机器人与人工智能领域最具挑战性的研究课题。机器人足球比赛提出后得到了韩国、日本以及欧美等发达国家的很多大学和科研机构的支持，开展了机器人足球比赛的研究，并选派自己的代表队参加国际比赛。另外一些有实力的国际大公司如SONY公司、丰田公司、三星公司、LG公司、SUN公司等对世界杯机器人足球赛大力的赞助。

目前世界上影响和规模较大的机器人足球比赛组织者主要有两个，一个是韩国为首的FIRA，另一个是日本为首的RoboCup。RoboCup在日本、欧美都有很大的影响，现已经成为世界上有较大影响的机器人足球比赛组织。RoboCup的竞赛项目比较多，而且不仅仅局限于机器人足球，总共包括以下几种：仿真机器人足球赛；小型机器人足球赛(F180)；中型机器人足球赛(F2000)；索尼四腿机器人足球赛；人形机器人足球赛；仿真机器人救难赛；机器人救难赛。

任何一个学科的发展与进步都会推动工业技术的进步，甚至会带动一批新型产业的发展。让机器人具有人的智能是一代又一代科学工作者的目标和愿望，机器人足球系统是一个智能自动化程度要求相当高的系统。其整个比赛过程不能有人的干预，就相当于一个训练好的球员在整个比赛过程自主地感知、判断、决策、动作。其环境信息的复杂度及机器人系统本身的复杂度都很高。机器人不仅要通过有限的传感器识别场上的特征物(球，球门，柱标，场地)等，还要根据感知的信息做出相应的进攻、防御、拦截、避障等动作。机器人系统是十分复杂的系统，为实现该系统需要解决大量的理论和技术问题，涉及很广泛的研究和技术领域。针对中型足球机器人运动控制面临的问题，从实现一个完整的可用于比赛的系统出发，首先需要足球机器人感知到周围环境的信息，然后进行信息的融合，最后才可能对足球机器人进行有效的控制。

中国专利ZL200410053041.3公开的《智能移动机器人》(上海交通大学)，一种智能移动机器人，包括车体平台和机器人大脑两大部分，采用笔记本电脑作为机器人大脑，其上连接有无线以太网络通信设备和通用分组无线业务GPRS转接卡，机器人设置有向视觉传感器、由全维视觉传感器和全维视觉反射镜构成的全维视觉传感器系统，以及分布在车体周身的超声波传感器，机器人大脑负责采集处理视觉信号，负责与外界对象的通信和高层决策，下位机负责机器人执行机构的底层控制，并将采样获得的里程计信息、超声波传感器信息和储能状态信息上传给机器人大脑。该发明采用了全景视觉、前向视觉以及超声波传感器感知外界环境，其中的前向视觉采用的摄像头其镜面垂线与地平线所成角度较大，使得前向视觉的有效感知范围变小，即在机器人足球比赛中对场上的足球及对方机器人感知距离变小，不能及时的感知环境的变化；其近端视觉采用的超声波传感器来感知机器人的前方信息，虽然可以有效的感知机器人前方的环境，但是由于超声波传感器的价格过高，因而使得该专利感知系统的性价比过低。

中国专利ZL02132744.0公开的《全自主型足球机器人及其智能控制系统》(哈尔滨工业大学)，它涉及一种高智能化机器人及其控制系统。该系统采用旋转摄像机、固定摄像机、超声波传感器探头和超声波传感器来感知环境，其中，固定摄像机起到了前向视觉的作用；旋转摄像机起到的是全景摄像的作用，旋转摄像机虽然能够在摄像机所对着的方向上进行有效的感知，但当旋转摄象机与固定摄像机在同一方向上时，就不能感知与固定摄象机相反方向的环境信息，从而缺乏对整个场地环境的把握，不能保证其他方向上的环境感知；超声波传感器虽然能够感知机器人周围的近端信息，但是在比赛过程中，超声波传感器不能有效感知足球、机器人、球门和围拦的区别，易造成误判的情况。此外，超声波传感器也存在性价比不高的问题。

综上，现有的中型足球机器人平台普遍采用视觉和超声波传感器来感知外界的环境。其中视觉感知分为前向视觉，全景视觉以及旋转摄像机等。另外，也有的机器人采用了前向视觉、全景视觉、激光以及超声波传感器中的几类混合的感知系统。但是这几类系统均存在不能较好的将前向、全景和近觉信息进行有效信息融合，在前向视觉近端存在视觉死区的问题；此外，采用超声波，激光一类的传感器，价格昂贵，性价比不高。

发明内容

针对现有技术存在的以上不足，本发明的目的是提供一种可以通过全景视觉、前向视觉、红外传感器三部分有效配合感知足球机器人的环境信息，在足球机器人的前向视觉近端无死区的足球机器人感知系统。本发明解决了现有的足球机器人不能较好的将前向、全景和近觉信息进行有效信息融合，有效感知前提下在前向视觉近端存在视觉死区的问题。

本发明采用的技术手段是：一种足球机器人感知系统，包括前向视觉摄像头、全景视觉摄像装置，其特征在于，所述感知系统还包括红外传感器装置和感知处理系统，感知处理系统将从前向视觉摄像头获取的前向信息、全景视觉摄像装置获取的全景信息和红外传感装置获取的近觉信息进行信息融合，并将信息融合后的环境信息传送给机器人决策系统，所述信息融合和传送的过程包括以下步骤：

步骤一：感知系统启动：启动前向视觉摄像头，获取前向信息；启动红外传感器装置，获取近觉信息；启动全景视觉摄像装置，获取全景信息；

步骤二：感知处理系统调用近觉信息，并判断红外传感器是否发现目标，若发现目标则将目标进入夹持机构信息传传送给决策系统；

步骤三：感知处理系统调用前向信息，并判断前向视觉是否发现目标，若未发现目标，则执行步骤五；

步骤四：感知处理系统调用精确定位算法对目标进行定位，并将目标准确位置信息传送给决策系统；

步骤五：感知处理系统调用全景信息，并判断全景视觉是否发现目标，若未发现目标，则将未发现目标信息传送给决策系统；

步骤六：感知处理系统判断是否需要对目标进行精确定位，如果需要对目标进行精确定位，则控制机器人转向目标，并执行步骤三；

步骤七：感知处理系统调用全景信息找到目标相对位置，并将目标相对位置信息传送给决策系统。

所述红外传感器装置包括两个置于机器人踢球机构内侧的红外传感器探头，以及与红外传感器探头相连的处理芯片DSP和外围电路板，所述外围电路板上设置用于改变红外传感器探头的感知范围的可调电阻；

所述前向视觉摄像头安装于机器人上部正前方，前向视觉摄像头与地平面的夹角可调；当夹角变大的时候，前向视觉摄像头趋于垂直，使其感知范围变小，使得中型机器人前向视觉近端死区减小；当夹角变小的时候，前向视觉摄像头趋于水平，其感知范围向前延伸，前向视觉近端死区变大；当足球或其他物体出现在前向视觉感知范围内的时候，感知系统通过前向视觉感知的感知数学模型可以精确的计算出足球或其他物体在前向感知范围内的精确位置。

所述前向视觉摄像头与红外传感器装置为相互配合使用，使得前向视觉摄相头和红外传感器装置的感知范围始终相互衔接在一起。

所述感知系统通过有线或无线的形式与机器人决策系统进行通信。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过安装红外传感器装置，在近距离检测机器人持球机构是否持有足球的情况，且可通过调节外围电路上的可调电阻来调节红外传感器装置的有效感知范围；前向视觉摄像头的镜面垂线与地平线所成角度呈现的变化，可在中距离上改变前向视觉摄相头的感知范围，并且通过前向视觉的数学模型对前项物体进行精确的定位；在远距离上利用全景视觉，感知全局的信息。

(2)本发明中的红外传感器装置和前向视觉摄相头相互配合使用，当前向视觉摄像头与地面的夹角变化时候，调整红外传感器探头外围电路的可调电阻使得红外传感器探头感知范围变大或者变小，保证两者的感知范围始终衔接在一起，从而可以保证中型机器人在前视范围内无近端死区，弥补了机器人的全景视觉在近距离无法有效检测的问题，使得检测稳定、高效。

(3)本发明通过通过红外传感器、前向视觉和全景视觉的相互信息融合，可以准确、高效、稳定的实现对环境的感知，使得机器人决策系统做出更加准确的决策，且减少了成本，提高了性价比。

附图说明

图1是足球机器人感知系统结构框图。

图2是足球机器人感知系统的结构前示图。

图3是足球机器人感知系统的结构左示图。

图4是足球机器人感知系统的感知流程图。

图5是足球机器人感知系统的感知范围示意图；其中：

(a)为前向视觉摄像头与水平面夹角较大时，全景、前向、近觉感知范围示意图；

(b)为前向视觉摄像头与水平面夹角较小时，全景、前向、近觉感知范围示意图。

图6是足球机器人感知系统前向感知范围示意图；其中：

(a)为前向视觉摄像头与水平面夹角较大时，前向感知范围示意图；

(b)为前向视觉摄像头与水平面夹角较小时，前向感知范围示意图；

具体实施方式

参见图1，本发明一种足球机器人感知系统，包括前向视觉摄像头1、全景视觉摄像装置2、红外传感器装置3和感知处理系统7；所述红外传感器装置3包括两个置于机器人踢球机构内侧的红外传感器探头5，以及与红外传感器探头相5连的处理芯片DSP6和外围电路板4，外围电路板4上设置有用于改变红外传感器探头的感知范围的可调电阻；红外传感器探头5将探测到的信号传送给处理芯片DSP6，处理芯片DSP6将处理后的近觉信息传送给感知处理系统7。在本发明中，处理芯片DSP6可以采用TI的2407、2812。当红外传感器探头供电后，可通过调节外围电路板4上的可调电阻的电阻大小来改变红外传感器探头5的感知范围。当可调电阻的电阻变大时，红外传感器探头的感知范围会变小；可调电阻的电阻变小时，红外传感器探头的感知范围会变大。红外传感器装置中双红外传感器探头的构造保证了近觉感知的稳定且高效，当目标连接的处理芯片DSP，处理芯片DSP将得到的与目标相关的信息通过有线或无线的方式传送给机器人感知处理系统，感知处理系统7再将感知的环境信息传送给决策系统8，决策系统8控制行动系统9进行行动。

参见图2和图3，所述全景视觉摄像装置2安装于足球机器人的顶部，其包括全景摄像机和与全景摄象机位置相对的全景反射镜面，全景摄象机通过全景反射镜面的信息来获取机器人周围的全景信息，并将信息通过有线或无线的方式传送给感知处理系统7。实际上，比赛的时候，通常也会根据比赛场地的光线强弱来调整全向视觉范围R1的大小，同时全向视觉近端死区R2也会相应发生变化；当调整完成后，全向视觉摄像装置2所覆盖的全向视觉范围R1在比赛的过程中是不变的，从而与之对应的全向视觉近端死区R2在比赛过程中是不变的。

参见图2和图3，所述前向视觉摄像头1安装在机器人上部机械壳体正前方的支架上，前向视觉摄像头1与地平面的夹角α可调；参见图5(a)和图6(a)，当前向视觉摄像头1水平向下转动，前向视觉摄像头1与地平面的夹角α较大时，前向视觉摄像头与地平面趋于垂直，前向感知范围一R4(a)扇形区域缩小，同时前向视觉近端死区变小，同时调整红外传感器装置3中的可调电阻的电阻变大，使得红外传感器探头的近觉感知范围一R3(a)矩形区域减小，且与前向视觉摄像头1的前向感知范围一R4(a)相衔接，从而使得足球机器人的前向视觉近端无死区；参见图5(b)和图6(b)，当前向视觉摄像头1水平向下转动，前向视觉摄像头1与地平面的夹角α较小时，前向视觉摄像头与地平面趋于水平，前向感知范围二R4(b)扇形区域向前延伸(即扩大)，同时前向视觉近端死区变大，同时调整红外传感器装置中的可调电阻的电阻变小，使得红外传感器探头的近觉感知范围二R3(b)矩形区域扩大，且与前向视觉摄像头1的前向感知范围二R4(b)扇形区域相衔接，从而使得足球机器人的前向视觉近端无死区。当目标出现在前向视觉摄相头的感知范围内时，可通过调用感知处理系统中的前向视觉感知的感知数学模型，精确的计算出目标在前向感知范围内的精确位置，并将目标的精确位置信息通过有线或无线的方式传送给决策系统。

参见图4，所述感知处理系统7将从前向视觉摄像头1获取的前向信息、全景视觉摄像装置2获取的全景信息和红外传感装置3获取的近觉信息进行信息融合，并将信息融合后的环境信息传送给机器人决策系统8，该信息融合和传送的过程包括以下步骤：

步骤一：感知系统启动：启动前向视觉摄像头，获取前向信息；启动红外传感器装置，获取近觉信息；启动全景视觉摄像装置，获取全景信息；

步骤二：感知处理系统调用近觉信息，并判断红外传感器是否发现目标，若发现目标则将目标进入夹持机构信息传传送给决策系统；

步骤三：感知处理系统调用前向信息，并判断前向视觉是否发现目标，若未发现目标，则执行步骤五；

步骤四：感知处理系统调用精确定位算法对目标进行定位，并将目标准确位置信息传送给决策系统；

步骤五：感知处理系统调用全景信息，并判断全景视觉是否发现目标，若未发现目标，则将未发现目标信息传送给决策系统；

步骤六：感知处理系统判断是否需要对目标进行精确定位，如果需要对目标进行精确定位，则控制机器人转向目标，并执行步骤三；

步骤七：感知处理系统调用全景信息找到目标相对位置，并将目标相对位置信息传送给决策系统。

本发明足球机器人感知系统在感知环境信息时，是一个连续不断的过程，其所感知的环境信息中不仅包括与足球相关的信息，也包括球门，以及在其感知范围内的机器人的信息。

所述感知系统通过有线或无线的形式与机器人决策系统进行通信。

在使用过程中，前向视觉摄像头1与红外传感器装置3相互配合，保证中型机器人在前视范围内不存在近端死区：具体比赛时，前向视觉摄像头与地平面的夹角根据比赛场地的光照强度进行调整，当光照强度较大时，将夹角调小；光照强度较小的时候，将夹角调大，从而前向视觉摄像头的前向感知范围也会扩大或缩小。此时可通过调整红外传感器装置外围电路上可调电阻的电阻大小，而使得红外传感器探头的近觉感知范围随前向视觉摄像头的前向感知范围的扩大而变大、缩小而变小，从而使得两者的感知范围始终衔接在一起，有效保证足球机器人在前视范围内无近端死区，弥补机器人的全景视觉在近距离无法有效检测的问题，使得检测稳定、高效。虽然足球机器人的后部有部分近端感知死区，但是由于在机器人足球比赛中，是几个机器人共同比赛，因此，某一个机器人的近端感知死区可以被其他其它机器人感知到，从而不影响该机器人的行动控制。

在实际比赛过程中，当全景视觉摄像装置、前向视觉摄像头和红外传感器装置都没有发现目标时，决策系统会调用之前有发现目标的感知信息并发出向原先目标行进的命令；当全景视觉摄像装置发现目标，前向视觉摄像头和红外传感器装置没有发现目标时，决策系统发出调整方向全速向目标行进的命令；当全景视觉摄像装置和前向视觉摄像头发现了目标，红外传感器装置没有发现目标时，决策系统发出减速向目标行进的命令；当中型机器人行进，足球进入到全景视觉近端死区且全景视觉没有发现目标，前向视觉摄像头和红外传感器装置发现目标时，决策系统发出进一步减速并向目标靠近的命令；当目标进入前向视觉死区，全景视觉摄像装置和前向视觉摄像头均未发现目标，红外传感器传感器发现目标，决策系统发出目标已进入持球机构，并结合全景视觉摄像装置和前向视觉摄像头的感知信息判断当前所在环境中的位置，做出前进射门或者调整方向再行进射门的命令。

例如：在RoboCup比赛中，中型机器人在场地内通过全景视觉发现在身后有足球且前向视觉和红外传感器没有发现足球，通过信息融合，机器人控制器调用转身策略且向足球所在的方向行进。当机器人朝足球所在方向行进到前向视觉的可视范围内，全景视觉和前向视觉均发现了足球，中型机器人调用相应控制策略，在向目标点行进的时候适当的调整左右轮速和位姿以使机器人在到达足球时候速度为零且足球顺利进入持球机构。当足球进入了持球机构，红外传感器发现足球，机器人会进行全景视觉、前向视觉信息的融合，判断自己的位置是在自己的半场还是对方的半场，然后调用相应策略护住球，避开在自己前进路上的障碍且调整位姿向对方球门行进以完成最后的射门动作。

本发明的足球机器人感知系统可以从全景信息、前向信息、近觉信息三个层面感知环境，充分利用不同时间与空间的多传感器数据资源，采用计算机技术对按时间序列获得的多传感器观测数据，在一定准则下进行分析、综合、支配和使用，获得对被测对象的一致性解释与描述，进而使得机器人控制器实现相应的决策和聚集，使系统获得比它的各自成部分更充分的信息。

Claims (5)

1. 一种足球机器人感知系统，包括前向视觉摄像头（1）、全景视觉摄像装置（2），其特征在于，所述感知系统还包括红外传感器装置（3）和感知处理系统（7），感知处理系统（7）将从前向视觉摄像头（1）获取的前向信息、全景视觉摄像装置（2）获取的全景信息和红外传感器装置（3）获取的近觉信息进行信息融合，并将信息融合后的环境信息传送给机器人决策系统（8），所述信息融合和传送的过程包括以下步骤：

步骤一：感知系统启动：启动前向视觉摄像头，获取前向信息；启动红外传感器装置，获取近觉信息；启动全景视觉摄像装置，获取全景信息；

步骤二：感知处理系统调用近觉信息，并判断红外传感器装置是否发现目标，若发现目标则将目标进入夹持机构信息传送给决策系统；

步骤三：感知处理系统调用前向信息，并判断前向视觉摄像头是否发现目标，若未发现目标，则执行步骤五；

步骤四：感知处理系统调用精确定位算法对目标进行定位，并将目标准确位置信息传送给决策系统；

步骤五：感知处理系统调用全景信息，并判断全景视觉摄像装置是否发现目标，若未发现目标，则将未发现目标信息传送给决策系统；

步骤六：感知处理系统判断是否需要对目标进行精确定位，如果需要对目标进行精确定位，则控制机器人转向目标，并执行步骤三；

步骤七：感知处理系统调用全景信息找到目标相对位置，并将目标相对位置信息传送给决策系统。

2.根据权利要求1所述的足球机器人感知系统，其特征在于，所述红外传感器装置（3）包括两个红外传感器探头（5），以及与红外传感器探头相连的处理芯片DSP（6）和外围电路板（4），所述外围电路板（4）上设置用于改变红外传感器探头（5）的感知范围的可调电阻；所述红外传感器探头（5）设置于机器人踢球机构内侧。

3.根据权利要求1所述的足球机器人感知系统，其特征在于，所述前向视觉摄像头（1）安装于机器人上部正前方，前向视觉摄像头与地平面的夹角α可调；当夹角α变大的时候，前向视觉摄像头趋于垂直，前向感知范围变小，同时前向视觉近端死区减小；当夹角α变小的时候，前向视觉摄像头趋于水平，前向感知范围向前延伸，同时前向视觉近端死区变大；当目标出现在前向视觉感知范围内的时候，感知系统通过前向视觉感知的感知数学模型可以精确的计算出目标在前向感知范围内的精确位置。

4.根据权利要求1所述的足球机器人感知系统，其特征在于，前向视觉摄像头（1）与红外传感器装置（3）为相互配合使用，使得前向视觉摄相头和红外传感器装置的感知范围始终相互衔接在一起。

5.根据权利要求1 所述的足球机器人感知系统，其特征在于，所述感知系统通过有线或无线的形式与机器人决策系统进行通信。

Images