哈尔滨工业大学学报

第 35 卷 第 9 期2 0 0 3 年 9 月哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYVol135 No19Sep. , 2003HIT - Ⅱ 型全自主足球机器人硬件系统的设计与实现洪炳 ,阮玉峰 ,高庆吉 ,朱 莹 ,刘海涛 ,赵 伟(哈尔滨工业大学 计算机科学与技术学院 ,黑龙江 哈尔滨 150001)摘 要 : 介绍了适用于全自主机器人足球比赛 ( RoboSot) 的 HIT - Ⅱ 型足球机器人的总体思想和硬件结构实现方案 . 该机器人硬件结构由 5 部分组成 :主控计算机 ;负责实时提供环境信息的视觉系统 ;运动系统 ;无线通信系统 ;电源系统 . 该机器人具有体积小 、 计算能力强 、 稳定性高等特点 ,能适应各种比赛情况 . 这种硬件结构设计同样适用于其他移动机器人系统 .关键词 : 全自主 ;足球机器人 ;体系结构 ;嵌入式计算机系统中图分类号 : TP24 文献标识码 : A 文章编号 : 0367 - 6234( 2003) 09 - 1025 - 04Design and implementation of HIT - Ⅱ autonomous soccer robot architectureHONG Bing2rong, RUAN Yu2feng , GAO Qing2ji , ZHU Ying , LIU Hai2tao , ZHAO Wei( School of Computer Science and Technology, Harbin Institute of Technology , Harbin 150001 , China)Abstract : The architectureand implementationof the soccer robot HIT - Ⅱ for autonomous robot soccer game( Ro2boSot) , which consistsof main computer , vision perceptionsystem, motion system, wirelesscommunicationsystemand power supply system. andfeaturessmall size, high computation performanceandrobustnessare discussed.Al2thoughthis robotwas designedfor robot soccer , it can be usedasother intelligent mobile robotsquite easily.Key words : autonomous; soccerrobot ; architecture; embeddedcomputer system收稿日期 : 2003 - 06 - 20.基金项目 : 国家高技术研究发展计划资助项目 (863 -2001AA422270) .作者简介 : 洪炳 (1937 - ) ,男 ,博士 ,教授 ,博士生导师 .机器人足球比赛已经成为当前人工智能和机器人领域的研究热点之一 ,其目的是通过提供 1个标准的 、 易于评价的比赛平台 ,促进多智能体系统 、 分布式人工智能及机器人学等领域的研究与发展 [1 ,2 ] . 机器人足球比赛要解决分散存在的多智能体在复杂动态环境下 ,通过相互通信和协调 ,以实时方式进行的知识处理问题 [3 ,4] .设计和开发全自主足球机器人是最具挑战的研究项目 [5 ,6 ] ,因为全自主型足球机器人是真正的分布式智能体系统 [2 ,3 ] ,每个机器人由独立的环境感知 、 行为决策及运动控制系统组成 ,并且通过无线通讯交换信息实现多机器人合作 . 全自主足球机器人还能用于智能移动机器人的室内导航 、 物体收集等方面的研究 ,因此具有更高的理论研究价值和实际应用价值 .本文根据 FIRA RoboSot 全自主足球机器人足球比赛规则和环境特点 . 提出全自主足球机器人的总体设计思想 ,详细介绍了哈尔滨工业大学研制的 HIT - Ⅱ 型足球机器人的总体设计思想和硬件体系结构设计方案 .1 FIRA RoboSot 比赛简介FIRA RoboSot 全 自 主 机 器 人 员 球 比 赛 在220 cm × 180 cm 的场地上进行 ,赛场四周安装了高 30 cm 的围墙 . 比赛用球是直径 6. 5 cm 的标准浅绿色网球 . 地面和边墙都是黑色 ,2 个球门分别为深蓝色和黄色 . 球门区和中场区域用宽度为0. 5 cm的白线加以标记 .比赛双方各出 3 个机器人 ,机器人的尺寸 (长宽高 ) 不得超过 20 cm × 20 cm × 40cm.同一球队的3 个机器人车体四周贴有宽 6 cm 相同颜色的队服 . 机器人车体上可以自由安装各类用于环境感知的传感器 ,但不允许在机器人以外使用任何静态全局传感器 ,例如禁止在赛场上方安装俯视全? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.场的摄像机 . 每个机器人独立拥有自己的 “大脑”(主控计算机 ) ,同时也允许在场外使用 1 台计算机用于队员之间协调或完成一部分的信息处理与信息融合 .在比赛过程中机器人必须完全自主地进行踢球 ,人可以通过遥控器或无线网络向机器人发送比赛开始和比赛结束信号 ,除此以外 ,人对机器人任何形式的干预都被视为犯规 .2 HIT - Ⅱ 型足球机器人总体设计思想HIT - Ⅱ 型全自主足球机器人由环境感知 、 行为决策和运动控制 3 大模块组成 . 环境感知系统由视觉系统和机器人自定位系统组成 ,它是比赛成败的关键 [7 ] . 根据赛场环境和机器人足球比赛的特点设计了上下布局的异构双目彩色视觉系统 . 视觉系统实时地采集 、 处理 、 识别赛场图像 ,计算赛场上球 、 门 、 其他队员等目标物体到机器人的相对位置 、 速度等有关数据 . 定位系统利用视觉对目标物体 (包括动态目标和静态目标 )的相对定位结果推算机器人的全局位姿 . 视觉系统与定位系统的处理结果融合以后供行为决策系统进行分析和行为选择 . 最后由运动控制系统执行决策系统输出的基本动作指令 .HIT - Ⅱ 型足球机器人系统的基本设计思想是 [8 ] : (1) 不采用中央集中控制系统而采用分散控制方式 ,即每个机器人独立控制自己的行为 ; (2)在机器人群体中 ,每个机器人根据环境感知决定自己的行为 ,即机器人具有知识 ; (3) 每个机器人具有可直接对话的通信功能 ,这种通信是双向的 ;(4)根据每个机器人的知识粒度不同 ,可建异构形多智能体系统 .3 HIT - Ⅱ 型足球机器人硬件体系结构HIT - Ⅱ 型足球机器人是在上述设计思想指导下由哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院自主设计 、 韩国 Yujin 公司加工的第二代全自主足球机器人 . 该机器人为高 32 cm、 直径 20 cm 的圆柱形 ,其外观如图 1 所示 .机器人的硬件体系结构如图 2 所示 ,硬件结构由 5 部分组成 : (1) 主控计算机 ; (2) 视觉系统 ;(3)运动系统 ; (4)无线通信系统 ; (5) 电源系统 . 机器人的核心是主控计算机 ,它负责视觉信息处理 、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 ,它负责实时提供环境信息 ,使决策模块能够针对赛场上的动态环境迅速做出反应 . 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 . 无线通讯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 ,它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 .图 1 HIT - Ⅱ 型全自主足球机器人外观Fig. 1 Appearance of HIT - Ⅱ soccer robot311 主控计算机RoboSot 比赛规定参赛机器人尺寸要 小 于20 cm× 20 cm × 40 cm(长宽高 ) ,因此体积是机器人设计的主要因素之一 . 普通的 PC计算机和笔记本电脑体积太大 ,不能用于 FIRA RoboSot 机器人 . 而单片机虽然体积小 ,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 . 在综合考虑体积与运算能力 2 种因素之后 ,选择 ADVANTEC(研华 ) PCM 9370F 嵌入式计算机作为机器人的核心计算处理功能模块 . PCM 9370F 具有体积小 、 运算能力强 、 可靠性高等特点 . 嵌入式计算机系统采用小尺寸结构和叠加式连接的 PC104+ 总线 . 这就要求机器人其他功能模块也要采用基于 PC104+ 的硬件设备 .312 视觉系统根据赛场环境和全自主机器人足球比赛的特点设计了上下布局的异构双目彩色视觉系统 . 位于机器人顶部的上目摄像机在具有 1 个自由度的云台带动下 ,能围绕机器人车体中心水平旋转± 165° . 下目摄像机固定在机器人的 “腹部” 并朝向正前方 ,它不能相对机器人本体运动 . 2 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 、 采集速度快 ,而且由云台带动可以感知机器人周围 360° 的环境信息 ,所以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 ,所以通常负责识别距离机器人很近 (27 cm) 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 .?6201? 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 35 卷 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图 2 HIT - Ⅱ 型足球机器人硬件体系结构示意图Fig. 2 Architecture of HIT - Ⅱ soccer robot下目摄像机 采 用 USB111 接 口 的 PanasonicPCcam摄像机 ,它直接与主控计算机 USB 接口连接 ,160 × 120 像素的图像传输率为 12 帧 / 秒 . 上目摄像 机 采 用 微 型 彩 色 工 业 监 控 摄 像 机 WatechLCL - 217HS ,它输出 PAL 制式的视频信号 . 图像采集卡为大恒 CG300 ,640 × 480 像素 、 图像采集频率为 30 桢 / 秒的图像系集卡 ,通过 PC104+ 总线与嵌入式计算机相连 .因为上下 2 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不同 ,所以提出的视觉系统属于异构双目视觉模型系统 .313 运动系统机器人的运动系统由机械结构、 电机 、 电机驱动和运动控制系统组成 . 运动系统的机械结构包括移动机构 、 上目摄像机云台和踢球装置 . 移动机构采用比较流行的 3 点支撑结构 ,3 点分别是双电机驱动的左右轮和一个可全向旋转的滚轮 . 这种移动结构使机器人很容易实现以自身为中心的旋转运动 ,具有良好的灵活性和机动能力 . 摄像机云台在一个专用电机的带动下可以绕机器人中心水平旋转 ± 165° . 踢球装置采用叶片旋转式结构 . 电机通过齿轮带动踢球叶片高速旋转 ,以达到踢球目的 . 这种踢球装置的优点是结构简单 、 节省空间 、 踢球弹力大 ,缺点是踢球叶片从静止到高速旋转需要一定的加速时间 ,所以当球与机器人相对静止时 ,踢球装置的弹射力量不足 .选用 FAULHABER 公司生产的 30/ 1 系列无刷直流电机作为左右轮 、 云台和踢球装置的驱动电机 . 这种电机具有体积小 、 转矩大等特点 ,并且电机带有双路正交输出的光电编码器 . 编码器转动一周发出 512 个脉冲 ,可用来检测电机的转速 ,实现对电机的闭环伺服控制 .电机驱动系统由电机驱动板和电机驱动程序组成 . 根据机器人的电机选型和硬件配置情况自行设计开发了电机驱动板 . 电机驱动板负责向 4个直流电机发送 PWM 速度驱动信号并接收电机光电编码器的码盘反馈 ,形成对电机的闭环伺服控制系统 .电机驱动板的核心部件是美国国家半导体公司生产的运动控制专用芯片 LM629 和 H桥组件 LMD18200.LM629 能够满足高效能的数字运动控制所需的密集的实时计算任务 ,能够编程完成计数 、 PID 控制 ,还能产生 PWM 信号 . LM629强大的控制功能减轻了主控计算机对电机的控制负担 ,简化了驱动程序的任务 . 电机驱动板采用PC104总线与主控计算机相连 . 电机驱动程序直接操作 LM629 ,从而实现对电机的运动控制 .314 无线通信系统机器人无线通讯系统 (图 3) 采用基于 PC104+ 总线的 WaveLan11 Mbit/ s (214 GHz) 无线以太网卡 . 该无线网卡体积小 、 抗干扰能力强 ,而且不需要外置天线 ,信号有效传输距离超过 130 m ,实际平均传输带宽可达 815 Mbit/ s.这种稳定的宽带无线通讯系统可以随时把在个人计算机上开发的程序发送到机器人主控计算机上执行和调试 ,并且能实时监控程序在机器人上的运行状态 ,极大地提高了软件开发的效率 .315 电源系统电源系统由电池 、 充电器和电源板组成 . 电池和充电器为光宇公司生产的配套产品 ,电池是可充电锂电池 ,它具有充电时间短 、 待机时间长 、 抗冲击负载能力强等特点 . 电源板的输入端接电池?7201?第 9 期 洪炳 ,等 :HIT - Ⅱ 型全自主足球机器人硬件系统的设计与实现? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.的 12 V 输出 ,电源板输出 + 5 V 电源 .该电源系统可为正常比赛的机器人连续供电 ≥ 215 h.图 3 无线通信系统结构示意图Fig. 3 Architecture of wireless communication system4 路径规划与射门实验为检验硬件系统设计的合理性 ,在 HIT - Ⅱ型全自主足球机器人上开发了路径规划软件系统和射门软件系统 . 机器人执行行为目标的环境是标准 RoboSot 比赛场地 ,在场地正上方架设了 1 台俯视地面的摄像机 ,目的是监控并采集机器人的行走路径 .411 路径规划实验场地上任意放置了几个红色圆柱形障碍物 .机器人完全自主地往返行进于 2 个球门 (分别为黄色和蓝色 ) 之间而不与障碍物发生碰撞 . 图 4 显示了全局摄像机采集的机器人在球门之间往返 1个来回的路径图 .图 4 路径规划实验的机器人路径 ( 虚线 ) 图Fig. 4 Result of path - planning experiment412 射门实验如图 5 所示 ,机器人完全自主的完成找球 、 接近球 、 进入射门区和射门这 4 个基本动作之后实现了射门功能 . 图 5 为全局摄像机采集的机器人在射门过程中的路径图 .图 5 射门试验的机器人路径 (虚线 ) 图Fig. 5 Result of goal shooting experiment5 结 语HIT - Ⅱ 全自主型足球机器人以工业嵌入式计算机系统为核心 ,具有体积小 、 计算能力强 、 稳定性高等特点 ,可以适应各种比赛情况 . 该系统在2002年 5 月汉城举办的第七届世界杯机器人足球大赛中获得 RoboSot 比赛项目的冠军 . 这说明该系统硬件体系结构设计是合理的 . 该系统不但可用于足球比赛 ,而且同样适用于其他移动机器人系统 .参考文献 :[1 ] GERHARD W. Multiagent Systems: A Modern Approachto Distributed Artificial Intelligence [ M ]. Boston : MITPress, 1999.[2 ] HIROKIK, MINORU A , YASUO K, et al . 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