光電丨rx li投球亞廣聯(lián)在2002年8月31日在日本東京舉行首屆亞太地區(qū)大學(xué)生機(jī)器人大賽，有包括中國在內(nèi)的20個(gè)國家參賽。于是中央電視臺(tái)決定從2002年開始在國內(nèi)舉行一年一度的全國大學(xué)生機(jī)器人電視大賽，以選拔代表參加?xùn)|京大賽。2002年6月中旬，兩隊(duì)中國科大機(jī)器人在中國首屆大學(xué)生機(jī)器人大賽中囊括冠亞軍，其中有視覺控制的機(jī)器人奪得冠軍。8月31日，中國科大機(jī)器人在東京的亞太地區(qū)的比賽中獲亞軍。視覺控制機(jī)器人還榮獲最高技術(shù)獎(jiǎng)，受到日本機(jī)器人專家的一致認(rèn)同，并且指出這是機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)方向。

目前工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用，日本還有類人的雙足舞蹈機(jī)器人，但是始終有一個(gè)仿生的瓶頸無法突破，那就是視覺識(shí)別。機(jī)器人視覺實(shí)際上是計(jì)算機(jī)視覺的一個(gè)應(yīng)用，但由于運(yùn)行環(huán)境，圖像采集方式及處理速度等因素的限制，機(jī)器人視覺領(lǐng)域?qū)ψR(shí)別方法和人工智能都有新的要求。在這個(gè)方面，我們做了一些嘗試。

2整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹我們的機(jī)器人的基本任務(wù)是：在場地上找到帶有彩色堅(jiān)條的有機(jī)塑料桶并將一個(gè)充氣氣球投入其中，如。機(jī)器人控制圖如所示。

主控制機(jī)控制機(jī)是機(jī)器人的大腦，處理所有信息和控制機(jī)器人的所有行為。

cpu：中央處理系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，即：工控機(jī)主板+pi866cpu+bbbbbbs操作系統(tǒng)，這樣就構(gòu)成一個(gè)視覺控制系統(tǒng)的中央處理器。imi控制示意圖圖像采集：實(shí)時(shí)圖像處理信息量大，處理速度快，對(duì)輸入設(shè)備要求很高，于是我們采用pci接口的專業(yè)圖形采集卡，可以得到每秒29幀的高保真圖像。當(dāng)取景設(shè)備較快移動(dòng)或場景較快變化時(shí)，圖像無延遲，采集的設(shè)備無關(guān)位圖基本沒有模糊和重影現(xiàn)象。當(dāng)運(yùn)動(dòng)很快時(shí)，位圖中物體的邊緣發(fā)生模糊，對(duì)識(shí)別有一些影響。實(shí)時(shí)圖像處理建議不要使用usb接口的圖像采集設(shè)備，采集速度小，容易出現(xiàn)模糊的位圖。

i/控制：計(jì)算機(jī)的浮點(diǎn)和整數(shù)運(yùn)算能力都很強(qiáng)，足以應(yīng)付一般的數(shù)字控制。為了得到更快，信息量更大的數(shù)字控制，我們采用了專業(yè)ad/da數(shù)字信號(hào)采集輸出卡，為pci接口的。這塊卡可以提供32個(gè)模擬量監(jiān)控，4個(gè)模擬量輸出，8位數(shù)字輸入，8位數(shù)字輸出，3個(gè)8位計(jì)數(shù)器等，還可以提供中斷服務(wù)。cpu處理得號(hào)輸出到模擬和數(shù)字輸出口。

驅(qū)動(dòng)器接口控制板：由ad/da卡輸出的數(shù)字信號(hào)無法直接控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，專門設(shè)計(jì)了一塊用數(shù)字電路搭建的將這些數(shù)字信號(hào)放大或轉(zhuǎn)換為可以直接發(fā)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的信號(hào)，通過數(shù)字編碼解碼電路擴(kuò)充輸入輸出信號(hào)量。還包括一塊模擬信號(hào)！pwm信號(hào)電路板。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)板：采用傳統(tǒng)的輪式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，為直流伺服電機(jī)，帶有一定的減速比。除驅(qū)動(dòng)輪外還有幾個(gè)用作其他用途的伺服電機(jī)。自制了一種驅(qū)動(dòng)板，采用成品3952a直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，用pwm信號(hào)調(diào)節(jié)速度。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括機(jī)器人地盤，投球機(jī)構(gòu)等機(jī)械機(jī)構(gòu)。

傳感器我們采用的傳感器及用途如表1.表1傳感器及用途傳感器名稱數(shù)量型號(hào)，說明及用途攝像頭1或2真彩480線，建議使用320" 240分辨率，可變焦拉伸鏡頭，建議使用數(shù)控變焦或變光圈。用來采集機(jī)器人前方圖像。

紅外近距光電開關(guān)10厘米以上感知距離，用來判斷是否將球投出。

點(diǎn)觸式碰撞開關(guān)若干用來判斷是否接觸到球桶或障礙物，并將相應(yīng)信息通過開關(guān)量傳回中央處理器。

3視覺識(shí)別系統(tǒng)視覺控制系統(tǒng)從采集的位圖中得到球桶的位置及是否有球等信息，從而決策機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。關(guān)鍵就是分析出球桶信息。但由于特定的識(shí)別環(huán)境和目標(biāo)不同，需要更新不同的識(shí)別算法。從中我們可以看到球桶的形態(tài)，規(guī)格。我們處理的圖像是通過線陣ccd攝像頭實(shí)時(shí)獲取的，通過采集卡得到bbbbbbs環(huán)境下通用的d舊位圖數(shù)據(jù)rgb24真彩），處理流程如。

3.1顏色過濾和預(yù)處理圖像在從攝像頭傳輸?shù)讲杉ǖ倪^程中，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人振動(dòng)和攝像頭采集信號(hào)失真，不同環(huán)境光線的變化，以及復(fù)雜背景等產(chǎn)生噪聲干擾。所以處理的第一步是采用一個(gè)最佳的去噪方法，并且盡量不受光線的影響。

如所示，三種球桶的顏色分別為熒光橙色，熒光綠色，熒光黃色。此三種顏色在rgb分量上都有典型的特征，如熒光橙色，在r分量上接近0xff，熒光綠色在g分量上接近0xff，而熒光黃色在g分量上也接近飽和，但是和熒光綠色在r分量上有明顯的不同。所以，通過在現(xiàn)場拍攝圖片，然后通過rgb分量分析軟件很容易取得一個(gè)較好的閾值。滿足顏色閾值關(guān)系的像素，將其三個(gè)分量均置為0xff，即黑色，而不滿足顏色關(guān)系的像素的三個(gè)分量均置為0x00，即白色。將經(jīng)過處理輸出的圖像灰度化。即將24位的真彩圖像數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)存為8位的灰度圖像數(shù)據(jù)格式。

我們還嘗試了將rgb格式轉(zhuǎn)化為hls色調(diào)，亮度，飽和度）格式再設(shè)閾值去噪聲的辦法，這樣就可以直接去除光線的影響。但是考慮到室內(nèi)比賽場地光源穩(wěn)定，并且轉(zhuǎn)化hls比較耗費(fèi)時(shí)間，這樣做是沒有必要的，只用rgb設(shè)閾值就可以滿足要求了。

直接采用rgb去噪聲的方法和將圖像先轉(zhuǎn)化為hls格式出噪的方法相比，受光線強(qiáng)弱的影響較大，但由于比賽在室內(nèi)進(jìn)行，光源穩(wěn)定，因此可以忽略光線強(qiáng)弱影響。相反，在實(shí)時(shí)圖像處理中，從rgb到hls的轉(zhuǎn)化，320"240的圖片，采用）61加1866的工控機(jī)需要30ms，耗時(shí)較長。

3.2邊緣檢測與二值化球桶的輪廓主要由兩部分主成，即橫條和堅(jiān)條。這是選擇邊緣檢測算子的出發(fā)點(diǎn)。常用的邊緣檢測算子有：laplacian算子，diff變換，sobel算子。laplacian算子對(duì)噪聲很敏感。的模板，e點(diǎn)的灰度值在水平方向上，考慮到要精確定位的原因，先用laplacian算子進(jìn)行了卷積，然后再用sobelhorizontal處理。經(jīng)過上述處理后，對(duì)圖像進(jìn)行二值化，將8位表3laplacian算子模板的位圖轉(zhuǎn)化為2位的位圖。

3.3輪廓跟蹤輪廓跟蹤的目的是確定桶的中心在拍攝圖片中的坐標(biāo)位置，從而確定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。步驟如下：d）堅(jiān)直方向和水平方向的直線檢測堅(jiān)直方向直線檢測的目的是求直線長度和直線中心的坐標(biāo)位置。因此，在輪廓跟蹤時(shí)候，必須得到完整正確的直線。經(jīng)過sobelvertical算子作用并二值化后，得到的堅(jiān)直方向的直線有以下情況：當(dāng)滿足關(guān)系：可以認(rèn)為當(dāng)前屏幕中有一球桶存在。球桶的中心坐標(biāo)即為（xayi）。

堅(jiān)直方向的直線長度為l，中心坐標(biāo)位置為、/，2"則0sobelhorizontal并二值化后x，y：x代表橫坐標(biāo)的增量，代表縱坐標(biāo)的增量再回到1）。

總之，通過方向數(shù)組的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)直線的矯正，斷點(diǎn)的跳躍，達(dá)到求得完整直線長度的目的。

水平方向和堅(jiān)直方向情況類似，不再贅述。

2）水平方向和堅(jiān)直方向的匹配關(guān)系和球桶中心位置的確定水平方向的直線長度為lx，中心坐標(biāo)為（x“堅(jiān)直方向的直線長度為ly，中心坐標(biāo)位置為（x2，y2）。則3.4實(shí)際處理結(jié)果每幅圖像的處理時(shí)間<30ms.）當(dāng)有球桶在視野內(nèi)時(shí)，有以上算法可以得到它的水平坐標(biāo)x設(shè)x為圖像寬度）如果x小于x/2-d時(shí)，機(jī)器人向左偏移行走；如果x大于x/2+d時(shí)，機(jī)器人享有偏移行走；如果x介于x/2-d和x/2+d之間時(shí)，認(rèn)為目標(biāo)在視野正中，機(jī)器人直走。

其中，d表示擬定的中心區(qū)域的寬度，一般設(shè)為10~20像素。這樣就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人跟蹤目標(biāo)行走。當(dāng)機(jī)器人行至球桶前時(shí)，一旦前方的碰撞開關(guān)撳動(dòng)，則認(rèn)為已經(jīng)到位，開始投球。前方光電開關(guān)檢測到球已通過，則結(jié)束所有動(dòng)作，尋找下一個(gè)投球目標(biāo)。

當(dāng)沒有球桶在視野內(nèi)時(shí)，機(jī)器人原地旋轉(zhuǎn)與前后行走隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，直至捕獲下一個(gè)目標(biāo)在視野中，重復(fù)以上動(dòng)作。

4結(jié)束語我們所研制的機(jī)器人實(shí)際上是一個(gè)比較完整的機(jī)器人視覺系統(tǒng)，根據(jù)不同的條件，可以更新不同的視覺識(shí)別算法，甚至采用更高級(jí)的帶有人工智能模式匹配的識(shí)別算法。但其系統(tǒng)的原理和構(gòu)成和上述基本是一致的。

通過比賽，驗(yàn)證了我們的完全基于視覺的機(jī)器人控制系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。而且這一類機(jī)器人有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)在比賽中得到了肯定，就是抗干擾能力強(qiáng)。在日本東京的比賽中，我們遇到了兩個(gè)非常強(qiáng)勁的對(duì)手，一個(gè)是日本的冠軍豐橋科學(xué)技術(shù)大學(xué)，一個(gè)是泰國的冠軍隊(duì)。日本代表隊(duì)的機(jī)器人動(dòng)作非常迅速，10秒鐘就可完成所有投球，我們的視覺機(jī)器人出發(fā)后直接行駛到對(duì)方的路線上，結(jié)果成功阻擋了對(duì)方，發(fā)生碰撞后兩方的機(jī)器人都偏離了既定路線，豐橋的機(jī)器人完全無法繼續(xù)工作，而我們的機(jī)器人在搜索過后又返回場地中央繼續(xù)投球，結(jié)果我們以18比5勝出。泰國隊(duì)有一個(gè)非常長而堅(jiān)固的鏈條機(jī)器人，可以橫亙?cè)趫龅厣鲜箤?duì)方機(jī)器人無法通過，比賽開始后我們的視覺機(jī)器人直接向泰國的阻擋機(jī)器人開去，兩個(gè)機(jī)器人沖撞到一起，使對(duì)方的阻擋策略完全實(shí)效，我們的其他自動(dòng)機(jī)器人順利出發(fā)完成投球，而我們的視覺機(jī)器人感知到障礙存在后，前后移動(dòng)左右旋轉(zhuǎn)，終于擺脫泰國阻擋機(jī)器人回到中心場地繼續(xù)投球，結(jié)果我們以17比1勝出。

視覺的采用在一定程度上替代了一部分人工智能的作用，使其更容易適應(yīng)復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，并且更容易從外界獲取更多，變化更快的信息。這也就是為什么人類不能沒有眼睛的原因。參與這次亞廣聯(lián)機(jī)器人競賽評(píng)獎(jiǎng)的日本機(jī)器人專家對(duì)我們的視覺控制系統(tǒng)給與很高的評(píng)價(jià)并且指出這是機(jī)器人發(fā)展的重要方向之一。