一種新的足球機(jī)器人色標(biāo)設(shè)計方法

(西華大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，四川 成都 610039)

半自主足球機(jī)器人的色標(biāo)設(shè)計方法是實現(xiàn)對機(jī)器人進(jìn)行編程控制的基礎(chǔ)。色標(biāo)設(shè)計的好壞直接影響到整個機(jī)器人的對抗性能和對抗策略的執(zhí)行能力[1-2]。目前，國內(nèi)的半自主足球機(jī)器人色標(biāo)設(shè)計方法是根據(jù)不同顏色、不同形狀或者是不同顏色與形狀的組合來確定機(jī)器人小車的位置、朝向、隊員號以及運(yùn)動方向等。其中具有代表性的色標(biāo)設(shè)計方法[3-6]大致有如圖1中所示幾種。

圖1(a)中，機(jī)器人小車方位角為小車頂部中心和副色標(biāo)中心的連線方向，機(jī)器人的隊號通過不同的副色標(biāo)顏色來區(qū)別。該方案雖然具有算法簡單、實時性較高等優(yōu)點(diǎn)，但是非常容易發(fā)生混色現(xiàn)象[7](2種顏色互相干擾),如圖2所示。當(dāng)2個機(jī)器人在對抗比賽中距離過近或發(fā)生相撞后，色標(biāo)受干擾就非常容易出現(xiàn)位置和角度的偏差，影響機(jī)器人策略。圖1(b)表示通過一條矢量線確定機(jī)器人小車的正方向，通過副色標(biāo)來輔助決定機(jī)器人的隊號。該方案具有色塊中心穩(wěn)定，位置、角度精度高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，同時避免了粘連現(xiàn)象的發(fā)生；但是由于識別算法復(fù)雜，導(dǎo)致在對抗激烈的賽場上實時性差，策略容易滯后等[8]。圖1(c)表示利用2個圓形的色標(biāo)，其中大圓為隊標(biāo)，小圓為副色標(biāo)(隊員號)，主副色標(biāo)中心到小車中心的距離之比為1∶3。此方法的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)生粘連現(xiàn)象較少，抗噪能力較強(qiáng)，其缺點(diǎn)是辨識精度不高。

圖 1 各種色標(biāo)設(shè)計方案

圖 2 粘連現(xiàn)象

綜上所述，目前仍然未見一種算法簡單、響應(yīng)速度快、辨識精度高、抗噪能力強(qiáng)的色標(biāo)設(shè)計方法。為此，筆者在綜合各隊的色標(biāo)設(shè)計方法特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種新穎的色標(biāo)設(shè)計方法。

1 色標(biāo)的設(shè)計

1.1 色標(biāo)顏色及形狀

基于比賽場地光照等因素的影響，為使圖像識辨算法盡量簡單、快速、準(zhǔn)確，本方案按照國際慣例將小車分為主色標(biāo)(隊標(biāo))和副色標(biāo)(隊員標(biāo)志 )。將主色標(biāo)設(shè)計為多邊形，副色標(biāo)設(shè)計為圓形。以足球機(jī)器人5VS5的比賽為例，在每個機(jī)器人小車上都使用1個主色標(biāo)和2個副色標(biāo)。其中主色標(biāo)按照國際慣例，只取黃、藍(lán)色,2個副色標(biāo)根據(jù)實際情況進(jìn)行變換。其隊員號通過排列組合后按照一定規(guī)則分布來具體確定。

如圖3所示，黃隊和藍(lán)隊的隊標(biāo)放在機(jī)器人的斜對正中心。副色標(biāo)主要為三基色，如綠、紫、粉，這樣在本隊隊伍中就可以用3個副色標(biāo)的顏色組合來區(qū)分5個隊員。在確定隊員編號時，可以按不同順序排列，例如把綠、紫、粉作為0、1、2號球員，組合顏色粉紫、綠紫分別作為4、5號隊員。其重心為隊標(biāo)中心(主色標(biāo)區(qū)域中心)，小車的前進(jìn)方向是以小車色標(biāo)的重心與副色標(biāo)中心點(diǎn)連線成45°連線的方向。

(a)藍(lán)隊

(b)黃隊

1.2 足球機(jī)器人位姿的判定

足球機(jī)器人的位姿是以足球機(jī)器人的中心位置來判定，即求得中心點(diǎn)就能知道機(jī)器人的位姿。其中心是通過對主色標(biāo)的劃分和統(tǒng)計獲得的。方案中將主色標(biāo)分為A1、A2、A3、A4、A5、A6，6個分區(qū)，如圖4所示，中心坐標(biāo)求解方法見式(1)和(2)。

設(shè)(x0,y0)為中心點(diǎn)坐標(biāo)，則(x0,y0)為：

x0=(∑xA1+∑xA2+∑xA3+∑xA4+∑xA5+
∑xA6)/(nA1+nA2+nA3+nA4+nA5+nA6)

(1)

y0=(∑yA1+∑yA2+∑yA3+∑yA4+∑yA5+
∑yA6)/(nA1+nA2+nA3+nA4+nA5+nA6)

(2)

式中：∑xAi和∑yAi代表區(qū)域Ai(i=1,2,3,4,5,6)的相應(yīng)隊標(biāo)特征顏色點(diǎn)的x坐標(biāo)及y坐標(biāo)的累加值；nAi代表區(qū)域Ai的符合隊標(biāo)特征顏色點(diǎn)的數(shù)量。

1.3 足球機(jī)器人隊員色標(biāo)中心的確定

受機(jī)器人尺寸所限，隊員標(biāo)志(副色標(biāo))在攝像頭上所成的像比較小，一般只占幾個到十幾個像素；因此，在此方案中采取帶閾值的重心法確定足球機(jī)器人隊員的中心。

設(shè)圖像灰度標(biāo)志為f(x,y)，x=1,…，m,y=1,2,…,n，那么對所采集圖像進(jìn)行閾值化可表述為

(3)

其中T為背景閾值。重心計算公式為：

(4)

(5)

1.4 機(jī)器人角度的求取

根據(jù)隊標(biāo)特點(diǎn)，并綜合國內(nèi)外各參賽隊中的優(yōu)秀方法[9-14]，本方案利用機(jī)器人中心穩(wěn)定的特點(diǎn)，提出了一種補(bǔ)償逼近算法。

足球機(jī)器人主色標(biāo)(隊標(biāo))與副色標(biāo)(隊員色標(biāo))中心點(diǎn)連線為

(6)

利用求得的中心點(diǎn)連線為x坐標(biāo)軸建立新坐標(biāo)系。

先將主副色標(biāo)沿x軸和y軸分割成2個對稱部分，主副色標(biāo)中心連線與x軸之間的夾角即為足球機(jī)器人的朝向角，如圖4所示，其求解方程為：

(7)

(8)

(9)

(10)

式中(xu0,yu0)和(xd0,yd0)分別為x軸上半部分和下半部分的中心坐標(biāo)，則有

(11)

機(jī)器人的朝向角補(bǔ)償逼近具體算法如下：

(xi

(12)

xi

(13)

xi>x0,yi>y0}；

(14)

xi>x0,yi>y0}。

(15)

由此可求出補(bǔ)償后上下2個中心點(diǎn)坐標(biāo)值，其求取公式如下：

(16)

yd′=(∑yA2+∑yA5+∑yA4+∑xA6-∑xA6′)/(nA2+nA5+nA4+nA6-nA6′);

(17)

xu′=(∑xA1+∑xA2+∑xA3+∑xA6-∑xA6′)/(nA1+nA2+nA3+nA6-nA6′);

(18)

yu′=(∑yA1+∑xA2+∑xA3+∑xA6-∑xA6′)/(nA1+nA2+nA3+nA6-nA6′)。

(19)

則有

(20)

2 實驗結(jié)果及分析

筆者將此色標(biāo)設(shè)計方案應(yīng)用于FIRA足球機(jī)器人比賽中的5VS5半自主機(jī)器人足球項目。通過實驗結(jié)果表明，這種方式能很好滿足圖像掃描的實時、快速性要求。圖5為采用本方案后的辨識結(jié)果。從圖5(a)可以看出，各色標(biāo)在攝像頭下所采集的圖像清晰，隊標(biāo)與隊員標(biāo)識之間無干涉現(xiàn)象。從圖5(b)中的預(yù)備情況可以看出，各色標(biāo)均能被有效識別(為使視圖的清晰，這里只截取了1、2、3號機(jī)器人的預(yù)備示意圖)，從箭頭指示的情況來看，各色標(biāo)的朝向角度計算正確，誤差較小。

(a)比賽實景

(b)預(yù)備時各機(jī)器人的正方向指示圖

圖 5 色標(biāo)應(yīng)用

本文利用游程編碼的方法與網(wǎng)格掃描的方法進(jìn)行了對比分析，掃描對象為比賽雙方的10名隊員和小球，一共11個目標(biāo)，研究結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，本文提出的方法具有用時少、實時性高、算法簡單等優(yōu)點(diǎn),可以很好地提升足球機(jī)器人視覺系統(tǒng)的辨識能力，對于贏得比賽起到了一定的作用。這種方法在提高系統(tǒng)辨識精度和響應(yīng)速度方面具有更大的優(yōu)勢。

表1 足球機(jī)器人視覺測試運(yùn)行結(jié)果

3 結(jié)論

針對現(xiàn)有大部分方案缺乏實時性的缺點(diǎn)，本文提出一種新穎的足球機(jī)器人色標(biāo)設(shè)計方案，同時對該方法進(jìn)行了實驗研究。通過主色標(biāo)是多邊形副色標(biāo)是圓形的混搭方案，增強(qiáng)了抗噪能力也避免了色標(biāo)間的粘連現(xiàn)象，利用圓形副色標(biāo)與多邊形主色標(biāo)之間的距離減少了色塊邊界的模糊及擴(kuò)散造成的影響，從而提高了足球機(jī)器人視覺系統(tǒng)的辨識精度、響應(yīng)速度和抗噪能力,減少其信號丟失。

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