足球運動是一種大家非常喜愛的運動。讓機器人去踢足球，聽起來像天方夜譚似的。機器人也能去踢足球？ 而且，還是要組成一個隊伍，不同的機器人要互相配合？要知道，機器人要參加比賽必須要有自己的眼睛，自己的雙腿，自己的大腦，還得有自己的嘴--把自己的想法告訴別人，協(xié)同進行比賽?，F(xiàn)在的足球機器人還沒有做到像我們?nèi)艘粯?。?jù)科學家估計，這得再過五十年，即2050年左右才能做到在一個真的足球場地上，與我們?nèi)说谋荣愐?guī)則一樣的條件下進行比賽。到那時可能電視轉(zhuǎn)播的體育節(jié)目中機器人足球會占很大的比重。當然，這是猜測，目前為止，現(xiàn)實中在國際上最具影響力的機器人足球賽事組織有FIRA國際機器人足球聯(lián)合會和ROBOTCUP國際機器人足球世界杯賽。

　　舉辦機器人世界杯足球賽的目的是為了促進分布式人工智能研究的發(fā)展。通過提供一個標準任務(wù)，使研究人員能夠利用各種技術(shù)獲得更好的解決方案，從而有效促進各領(lǐng)域的發(fā)展。研究中涉及的領(lǐng)域有：智能機器人系統(tǒng)、多智能體系統(tǒng)、實時模式識別與行為系統(tǒng)、智能體結(jié)構(gòu)設(shè)計、實時規(guī)劃和推理、基于網(wǎng)絡(luò)的三維圖形交互、傳感器技術(shù)等。

　　足球機器人比賽雖然剛剛開展幾年時間，但是它吸引了越來越多人的關(guān)注。因為它以喜聞樂見的方式走進了我們的視野，雖然它的體積很小，但是它的意義非常重大。它是綜合了計算機技術(shù)，自動化技術(shù)，機電一體化技術(shù)，人工智能技術(shù)，模式識別技術(shù)的一門綜合技術(shù)。足球機器人的核心技術(shù)是人工智能技術(shù)，它的目地是使機器具有人的智慧。它能使機器具有像人一樣的感知環(huán)境，向環(huán)境學習的能力。人工智能包括智能控制、機器感知、機器情感、專家系統(tǒng)、人工生命、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等等。本文提出了一個全自主足球機器人的體系結(jié)構(gòu)。以各種傳感器模擬人的五官，以嵌入式計算機模擬人的頭腦，以雙輪和踢球器模擬人的四肢，以無限網(wǎng)絡(luò)通信模擬多人踢球，用信息溝通實現(xiàn)配合，再加上控制軟件就可以實現(xiàn)踢球所需的各種功能。

　　1  硬件體系結(jié)構(gòu)

　　全自主足球機器人的硬件體系結(jié)構(gòu)由六部分組成，即嵌入式計算機、視覺系統(tǒng)、超聲波定位避障系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、運動系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。機器人的核心是嵌入式計算機，負責視覺信息處理、機器人定位與導航以及行為決策，相當于機器人的大腦。而視覺系統(tǒng)則相當于機器人的眼睛，負責實時地提供環(huán)境信息，使決策模塊能夠針對賽場上的動態(tài)環(huán)境迅速做出反應。超聲波定位避障系統(tǒng)可以讓機器人避開前方的障礙物，并能算出距前方障礙物或邊墻的距離。運動系統(tǒng)負責驅(qū)動機器人本體移動、攝像機的旋轉(zhuǎn)和踢球裝置的運轉(zhuǎn)。無線通信系統(tǒng)是多機器人合作及軟件系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)。電源系統(tǒng)采用直流充電電池，為以上所有部件提供電能。機器人車體采用鋁合金材料，極大地減輕了機器人的重量。足球機器人的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1.1 主控計算機

　　RoboSot比賽規(guī)定參賽機器人尺寸要小于20cm×20cm×40cm（長×寬×高），因此是機器人的體積設(shè)計中要考慮的主要因素之一。普通的PC計算機和筆記本電腦的尺寸不能滿足FIRA RoboSot比賽用機器人的需要。而單片機應用系統(tǒng)雖然體積小，但其處理能力又無法滿足實時圖像處理和行為決策的要求。因而本系統(tǒng)選擇了研華公司生產(chǎn)的PCM 9370F嵌入式計算機作為機器人的核心計算處理功能模塊。該計算機具有以下特點：

　?。?）體積小、節(jié)省空間。PCM 9370F主板把CPU、內(nèi)存、顯卡等各種功能集成在一塊體積只有145mm×102mm板卡上，采用層疊式的PC104+總線進行功能擴展。這種結(jié)構(gòu)節(jié)省空間，可以滿足FIRA RoboSot規(guī)則對全自主足球機器人尺寸的嚴格限制。

　　（2）高可靠性和高計算能力。PCM 9370F是符合工業(yè)級標準的工控計算機，具有非常高的可靠性。實驗表明，在機器人之間頻繁發(fā)生碰撞的比賽過程中該主板仍能穩(wěn)定地工作。PCM 9370F采用性能相當于PⅢ500的CPU,自帶64MB 內(nèi)存，具有一個最多能擴展128MB內(nèi)存的內(nèi)存擴展槽。所以PCM 9370F不但體積小，而且具備與普通PC計算機相當?shù)奶幚硇阅堋?/p>

　　（3）功能接口完備、集成度高。PCM 9370F配有一個有線以太網(wǎng)接口，一個微型FlashCard插槽，一個符合ULTRA DMA傳輸協(xié)議的增強型IDE接口，一個并行通信接口，二個串行通信接口，一個微型PS/2鍵盤鼠標接口。它具有SVGA/LCD顯示控制器，支持雙CRT和LCD顯示。

　　1.2 視覺系統(tǒng)

　　機器人采用上下布局的異構(gòu)雙目彩色視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。位于機器人頂部的上目攝像機安裝在具有一維自由度的云臺上。上目攝像機在云臺帶動下能圍繞機器人車體中心水平旋轉(zhuǎn)±165°。下部CCD攝像機固定在機器人的"腹部",不能相對機器人本體運動。下部攝像機鏡頭朝向機器人的正前方，光心到地面垂直距離為11cm.

　　二個攝像機都以固定的角度俯視地面。上目視覺比下目視覺的定位精度高，圖像采集速度快，而且由云臺帶動在機器人靜止時可以感知機器人周圍330°范圍內(nèi)的環(huán)境信息，所以上目視覺通常負責識別較遠處的目標物體以及下目視覺視野以外的目標物體；下目視覺能看到機器人前方腳下的目標物體，而這個區(qū)域恰是上目視覺的盲區(qū)，所以下目視覺通常負責識別距離機器人很近（<27cm）的目標物體。例如機器人執(zhí)行帶球動作時，只能由下目視覺來判斷球是否位于踢球裝置正前方。

　　總之，上下二個攝像機的型號、運動自由度、數(shù)據(jù)傳輸接口、圖像采集頻率以及環(huán)境感知任務(wù)都是不同的，這種視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型屬于異構(gòu)雙目模型。

　　1.3 超聲波定位避障系統(tǒng)

　　超聲測距是一種非接觸的檢測方式，與紅外、激光及無線電測距相比，在近距離范圍內(nèi)超聲測距有不受光線影響、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點，因此在工業(yè)控制、建筑測量、機器人定位等方面得到了廣泛的應用。

　　超聲波測距的原理是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差T,距離S=TC/2,其中C為超聲波波速。由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關(guān)，在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。這樣檢測出超聲波發(fā)送與接收往返的時間就可以測量出距離。

　　由于全自主足球機器人是在競爭對抗的球場環(huán)境中運行，所以它需要具有更大的靈活性。因此，除了在全自主足球機器人的前、后、左、右安放了超聲波傳感器外，在機器人的左前、右前、左后、右后對稱的位置上也安放了傳感器。其最大的優(yōu)點是對于不同的位置可以選用相應的超聲波傳感器組進行定位和避障，避免機器人經(jīng)常轉(zhuǎn)身，節(jié)省了大量時間，提高了機器人的靈活性。

　　1.4 運動系統(tǒng)

　　全自主足球機器人的運動系統(tǒng)包括移動機構(gòu)、上目攝像機云臺和踢球裝置。移動機構(gòu)采用比較流行的三點支撐結(jié)構(gòu)，三點分別是雙電機驅(qū)動的左右輪和一個可全向旋轉(zhuǎn)的滾輪。這種移動結(jié)構(gòu)使機器人很容易實現(xiàn)以自身為中心的旋轉(zhuǎn)運動，具有良好的靈活性和機動能力。攝像機云臺在一個專用電機的帶動下可以繞機器人中心水平旋轉(zhuǎn)。大部分全自主足球機器人都有專門的踢球裝置。參加RoboCup中型組比賽的機器人大多采用彈射式踢球裝置，這種結(jié)構(gòu)的好處是彈射遠、爆發(fā)力大，但是它體積大、機械結(jié)構(gòu)復雜、易出故障。本機器人踢球裝置采用葉片旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，電機通過齒輪帶動踢球葉片高速旋轉(zhuǎn)以達到踢球目的。這種踢球裝置結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省空間、踢球彈力大。缺點是踢球葉片從靜止到高速旋轉(zhuǎn)需要一定的加速時間，當球與機器人相對靜止時，踢球裝置的彈射力量不足。

　　足球機器人運動系統(tǒng)應該具備高速運動、靈活轉(zhuǎn)彎、啟停加速度大等特點。本系統(tǒng)選用FAULHABER公司生產(chǎn)的直流電動機作為左右輪、云臺和踢球裝置的驅(qū)動電機，并自行設(shè)計開發(fā)了電機控制驅(qū)動板，可產(chǎn)生PWM速度控制信號并接收電機光電編碼器的碼盤反饋。通過PC104總線與嵌入式計算機相連，其核心部件是運動控制專用芯片LM629和H橋組件LMD18200.LM629能夠編程產(chǎn)生PWM信號，實現(xiàn)PID控制和對反饋信號進行細分后計數(shù)，從而減輕了嵌入式計算機對電機控制的負擔，簡化了驅(qū)動程序的任務(wù)。

　　1.5 無線通信系統(tǒng)

　　機器人無線通信系統(tǒng)采用基于PC104+總線的WaveLan 11無線以太網(wǎng)卡。該無線網(wǎng)卡體積小、抗干擾能力強，信號有效傳輸距離超過130m,實際平均傳輸帶寬可達8.5Mbps.這種穩(wěn)定的寬帶無線通信系統(tǒng)，使得開發(fā)人員可以隨時把在個人計算機上開發(fā)的程序發(fā)送到機器人主控計算機上運行和調(diào)試，并且能夠?qū)崟r監(jiān)控程序在機器人上的運行狀態(tài)，極大地提高了軟件開發(fā)的效率。

　　1.6 電源系統(tǒng)

　　電源系統(tǒng)由電池、充電器和電源板組成。電池采用可充電鋰電池，與其他類型的充電電池相比具有充電時間短、放電時間長、抗沖擊負載能力強等特點。電源板是自行開發(fā)設(shè)計的，輸入端接電池的12V輸出，電源板輸出電為5V.充電器是外委加工的。該電源系統(tǒng)可為正常比賽的機器人連續(xù)供電大約2.5小時。

　　2  軟件體系結(jié)構(gòu)

　　全自主足球機器人的軟件體系結(jié)構(gòu)從總體上描述了全自主足球機器人軟件控制的功能框架，如圖2所示。該框架可分為三層。底層為驅(qū)動控制和數(shù)據(jù)采集控制程序，中層為行為規(guī)劃和信息采集層，上層為決策層。底層程序分為二部分，其中CCD1和CCD2數(shù)據(jù)采集、無線網(wǎng)卡控制、超聲波控制模塊為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)的環(huán)境狀態(tài)、監(jiān)控計算機的指令、其他機器人的狀態(tài)以及圍墻或障礙物的距離信息等。左右輪電機、上目CCD電機和踢球裝置控制程序控制相應的驅(qū)動裝置，實現(xiàn)系統(tǒng)需要完成的特定動作，如行走、踢球等。中層程序也分為二部分，信息采集層對系統(tǒng)和環(huán)境的信息進行綜合處理，實現(xiàn)信息融合，提取有用的信息和數(shù)據(jù)上傳給決策層；而行為規(guī)劃層接收決策層的指令，規(guī)劃出一系列特定的動作，如一邊行走上目CCD一邊轉(zhuǎn)動以便在運動過程中找球，行走特定的弧線以便規(guī)劃射門動作。決策層是軟件控制的核心，根據(jù)環(huán)境感知和信息融合的結(jié)果，利用數(shù)據(jù)庫中的有用數(shù)據(jù)和策略庫（相當于專家系統(tǒng)中的知識庫）中的有效策略給出行為決策結(jié)論，并傳送給行為規(guī)劃層，如發(fā)現(xiàn)球后根據(jù)當前的狀況如何快速移動去搶球，搶到球后如何規(guī)劃避開對方隊員進行射門等。

　　3  結(jié)  論

　　機器人足球系統(tǒng)的研究涉及非常廣泛的領(lǐng)域，包括機械電子學、機器人學、傳感器信息融合、智能控制、通訊、計算機視覺、計算機圖形學、人工智能等等，吸引了世界各國的廣大科學研究人員和工程技術(shù)人員的積極參與。更有意義的是，機器人足球比賽的組織者始終奉行研究與教育相結(jié)合的根本宗旨。比賽與學術(shù)研究的巧妙結(jié)合更激發(fā)了青年學生的強烈興趣，通過比賽培養(yǎng)了青年學生嚴謹?shù)目茖W研究態(tài)度和良好的技能。

　　從1996年在韓國大田的KAIST舉辦第一屆MiroSot比賽至今，F(xiàn)IRA已經(jīng)舉行了七屆世界杯比賽，足跡遍布亞洲、歐洲、美洲和大洋洲，成為各類國際機器人競賽中最具水平和影響力的賽事之一。除了一年一度的世界杯比賽以外，每年還有許多地區(qū)性的FIRA機器人足球比賽。蓬勃發(fā)展的機器人足球比賽對機器人足球的研究起到了巨大的推動作用。FIRA機器人足球比賽的種類也由最開始的MiroSot不斷增加，目前已經(jīng)包括MiroSot、RoboSot、HuroSot、SimuroSot等多個類別。有的類別根據(jù)雙方參賽隊員數(shù)目不同還可以分為小型組、中型組和大型組等等。