基于雙目協(xié)調(diào)的小型全自主足球機(jī)器人導(dǎo)航

1、 510 機(jī) 器 人 2003 年 11 月 坐標(biāo)系中的目標(biāo)位姿 . ( 2 雙目協(xié)同信息的融合: 雙目各自跟蹤不同 目標(biāo), 以判斷機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)動(dòng)的合理性并進(jìn)行下一 步運(yùn)動(dòng)的決策. 如果缺少一方信息 , 運(yùn)動(dòng)或決策將處 于等待狀態(tài), 直到達(dá)到一定可信度的協(xié)同信息到來(lái) . 信息的可信度僅僅依靠單一視覺(jué)的處理結(jié)果. 算法 2 的協(xié)同搜索目標(biāo)過(guò)程就是通過(guò)信息協(xié)同融合實(shí)現(xiàn) 的. 在球和門(mén)的信息都不具備的情況下 , 原地轉(zhuǎn)動(dòng)本 體, 使下目搜索球, 上目也獨(dú)立工作搜索球門(mén). 算法 如下 : 算法 2: ( 1 開(kāi)始搜索 ( 2 if 下目找到球 then 本體停止轉(zhuǎn)身 ( 3 else 繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)本體 (

2、 4 if 上目找到對(duì)方球門(mén) then 上目鎖定球門(mén) ( 5 else 繼續(xù)尋找球門(mén) ( 6 if 下目找到球 and 上目找到對(duì)方球門(mén) then ( 8 ( 7 else ( 2 ( 8 根據(jù)上 CCD 偏轉(zhuǎn)角路徑規(guī)劃 標(biāo)的觀測(cè)更有利 , 可重點(diǎn)用于檢測(cè)球門(mén). 其視場(chǎng)在地 面上的投影環(huán)小于下目. 所以在進(jìn)行比賽的過(guò)程中 , 采取# 目標(biāo)鎖定, 適機(jī)更換 , 信息互補(bǔ) 的協(xié)調(diào)機(jī)理進(jìn) 行導(dǎo)航 . 合理利用雙目特點(diǎn) , 保證在各個(gè)環(huán)節(jié)使機(jī)器 人按最佳路徑運(yùn)動(dòng)所需的環(huán)境及自身位姿信息以較 高的可信度和精度提供給決策模塊 . 基于多線(xiàn)程的雙目協(xié)調(diào)模型如圖 9 所示 . 協(xié)調(diào) 線(xiàn)程以數(shù)據(jù)流的形式與上目線(xiàn)

3、程和下目線(xiàn)程通訊 , 負(fù)責(zé)將子任務(wù)分給雙目線(xiàn)程 , 雙目線(xiàn)程根據(jù)所分派 的任務(wù)檢測(cè)環(huán)境圖象信息 , 將識(shí)別定位結(jié)果送給協(xié) 調(diào)線(xiàn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)融合, 雙目線(xiàn)程根據(jù)融合結(jié)果進(jìn)行 各自決策規(guī)劃, 并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制 . 上目線(xiàn)程所進(jìn)行的 僅僅是根據(jù)跟蹤目標(biāo)的視覺(jué)伺服控制, 其中還要考 慮視覺(jué)伺服控制與機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)控制的解偶以提 高伺服控制的效率. 下目線(xiàn)程實(shí)際執(zhí)行的是考慮下 目視覺(jué)伺服及機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)的綜合運(yùn)動(dòng)控制 . 協(xié) 調(diào)線(xiàn)程在接到目標(biāo)指令后 , 首先對(duì)機(jī)器人的整體行 為進(jìn)行規(guī)劃 , 然后分解出雙目線(xiàn)程的任務(wù)驅(qū)動(dòng)雙目 線(xiàn)程的運(yùn)行 . 協(xié)調(diào)線(xiàn)程根據(jù)雙目線(xiàn)程發(fā)來(lái)的各自對(duì) 環(huán)境感知的數(shù)據(jù)及其可信度, 進(jìn)行數(shù)

4、據(jù)融合后 , 得出 對(duì)環(huán)境態(tài)勢(shì)、 目標(biāo)進(jìn)度和效果的分析及評(píng)價(jià), 進(jìn)行機(jī) 器人整體的下一步的行為規(guī)劃 . 行為規(guī)劃將根據(jù)任 務(wù)執(zhí)行進(jìn)度與目標(biāo)的距離靈活進(jìn)行任務(wù)的再分配 , 雙目線(xiàn)程也將通過(guò)對(duì)任務(wù)的理解及環(huán)境感知結(jié)果 , 調(diào)整行為規(guī)劃內(nèi)容. 根據(jù)基本行為可以組合出行為 規(guī)劃序列, 完成基本比賽任務(wù). 基于基本行為組的行 為規(guī)劃流程見(jiàn)圖 10. 5. 2 雙目協(xié)調(diào)機(jī)理 下目的俯角較小 , 安裝位置低 , 其即能看到腳下 的球 , 又能在最遠(yuǎn)處看到球門(mén) , 不足之處是測(cè)量誤差 與測(cè)量距離有關(guān) , 對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)受約于本體的運(yùn)動(dòng) . 上目對(duì)目標(biāo)的平均測(cè)量精度高于下目, 而且通過(guò)視 覺(jué)伺服可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)

5、的搜索跟蹤, 但機(jī)器人 近體周?chē)幸曈X(jué)死區(qū). 本體轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)其伺服控制的影 響可以通過(guò)改變控制器的結(jié)構(gòu)來(lái)消除. 其對(duì)遠(yuǎn)處目 圖9 雙目協(xié)調(diào)導(dǎo)航模型圖 Fig. 9 Navigating model of Coordination with two- CCD 第 25 卷第 6 期 高慶 吉等 : 基于雙目協(xié)調(diào)的小型全自主足球機(jī)器人導(dǎo)航 511 圖 10 基本行為序列圖 圖 12 帶球進(jìn)攻動(dòng)作序列實(shí)物圖 Fig . 12 Photos of attacking with ball under control Fig. 10 Flowchart of basic behavior 機(jī)器人基本行為集合

6、: 找目標(biāo) 找球 B1. 1、 找對(duì)方球門(mén) B1. 2、 找自家球 門(mén) B1. 3 ; 接近目標(biāo) 無(wú) 球避障 B2. 1, 搶 點(diǎn) B2. 2, 帶 上球 B2. 3, 攔截 B2. 4, 跟蹤球 B2. 5, 鎖定門(mén) B2. 6, 鎖定球 B2. 7, 轉(zhuǎn)身 B2. 8, 鎖定障礙 B2. 9 ; 控制球 帶球直行 B3. 1, 帶球找門(mén) B3. 2, 帶球避 障 B3. 3, 踢球 B3. 4( 射門(mén) B3. 4. 1, 傳球 B3. 4. 2, 摳球 B3. 4. 3, 擺球 B3. 4. 4 ; 5. 3 雙目協(xié)調(diào)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 根據(jù)上述分析 , 對(duì)所進(jìn)行的一次帶球避障射門(mén) 圖 1

7、3 帶球進(jìn)攻主要參數(shù)變化曲線(xiàn) with ball under control 任務(wù)描述如下. 實(shí)驗(yàn)中對(duì)方機(jī)器人與本方機(jī)器人高 度相同 , 觀測(cè)球門(mén)時(shí)有 遮擋, 對(duì) 方機(jī)器人為靜 止?fàn)?態(tài). 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況機(jī)器人將首先找球和球門(mén), 然后向 切點(diǎn)位置移動(dòng)、 轉(zhuǎn)身、 有障礙物則帶上球 , 帶球避障、 帶球直行最后射門(mén). 行為決策序列如表 1 所示 . 表 1 帶球避障射門(mén) 任務(wù)的基本行為序列 Table 1 Sequence of basic behavior 序號(hào) 上目行為 下目行為 1 B1. 1 B1. 2 2 B2. 7 B2. 2 3 B2. 7 B2. 8 4 B2. 7 B2. 3 5

8、6 7 B2. 6 B3. 4. 1 Fig. 13 Curve of main parameter while attacking 5 結(jié)論( Conclusion ( 1 雙目協(xié)調(diào)效果好于單目 , 其更重要的意義 在于可以在帶球的同時(shí)避障 , 不至于象單目視覺(jué)那 樣瞻前顧后 , 可實(shí)現(xiàn)基于多目標(biāo)條件下優(yōu)化的多約 束條件下導(dǎo)航的研究 ; ( 2 雙目協(xié)調(diào)雖然不能具有全方位視覺(jué)那樣的 視野范圍, 但通過(guò)協(xié)調(diào) , 使機(jī)器人在有限的整體視野 范圍內(nèi)捕捉有效目標(biāo), 測(cè)量精度和可靠性好于全方 位視覺(jué) . ( 3 下面的攝象機(jī)不僅可以識(shí)別目標(biāo)、 定位 , 還 可以對(duì)球是否在機(jī)器人的控制下處于踢球器的有效

9、 射程進(jìn)行判斷. ( 4 采用雙目數(shù)據(jù)融合感知環(huán)境 , 不僅提高了 測(cè)量精度, 而且還提高了測(cè)量信息的可信度. 環(huán)境感 知數(shù)據(jù)直接測(cè)量的機(jī)會(huì)多于依靠概率統(tǒng)計(jì)進(jìn)行估計(jì) 的機(jī)會(huì) . ( 5 在實(shí)際比賽中其它傳感器失效的情況下, 僅 僅依靠雙目協(xié)調(diào)仍可實(shí)現(xiàn)全自主足球機(jī)器人導(dǎo)航. ( 6 通過(guò)雙目協(xié)調(diào) , 主動(dòng)跟蹤特定目標(biāo), 而不是 利用全局?jǐn)z象機(jī) , 使問(wèn)題研究更具一般性 , 其方法對(duì) 復(fù)雜未知環(huán)境下的機(jī)器人導(dǎo)航更具有參考價(jià)值 . B2. 9 B2. 6 B3. 2 B3. 1 帶球進(jìn)攻軌跡仿真圖如圖 11 所示 . 基本動(dòng)作部 分實(shí)物圖片如圖 12 所示 . 上攝象機(jī)偏轉(zhuǎn)角、 雙目發(fā) 現(xiàn)目標(biāo)邏輯值

10、如圖 13 所示. 圖中高度為+ 100、 + 50、 - 100、 - 50 的線(xiàn)段分別表 示上目看到球、 對(duì)方球門(mén)和下目看到球和對(duì)方球門(mén) . 機(jī)器人完成上述基本任務(wù)用了 26s. 圖 11 帶 球進(jìn)攻軌跡仿真圖 Fig. 11 Simulation track of attacking ( 下轉(zhuǎn)第 520 頁(yè) 520 機(jī) 器 人 ( 5 : 1179- 1187. 2003 年 11 月 證據(jù)推理的原理對(duì)超聲傳感器所探測(cè)到的環(huán)境信息 進(jìn)行了 Dempster- Shafer 數(shù)據(jù)融合 , 由此得到機(jī)器人 周?chē)木植凯h(huán)境信息 , 在此基礎(chǔ)上 , 借鑒預(yù)測(cè)控制滾 動(dòng)優(yōu)化原理 , 引入了基于滾動(dòng)

11、窗口的移動(dòng)機(jī)器人路 徑規(guī)劃方法. 這兩個(gè)方法相結(jié)合, 機(jī)器人能快速、 可 靠的構(gòu)造局部環(huán)境信息, 并根據(jù)局部環(huán)境信息以滾 動(dòng)方式進(jìn)行在線(xiàn)規(guī)劃 , 尋找一條有效的路徑. 該方法 應(yīng)用于中科院自動(dòng)化所研制的 CASIA I 移動(dòng)機(jī)器人 上, 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 : 移動(dòng)機(jī)器人能在未知的環(huán) 境中 , 實(shí)時(shí)檢測(cè)出障礙物 , 并以滾動(dòng)方式進(jìn)行在線(xiàn)規(guī) 劃, 使移動(dòng)機(jī)器人躲避了障礙 , 實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航. 參考文獻(xiàn) 1 3 Borenst ein J, Koren Y. Real time obst acle avoidance for fast Mobile robot s in cluttered envir

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