一種新的足球機器人色標設計方法

(西華大學機械工程與自動化學院，四川 成都 610039)

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

圖1(a)中，機器人小車方位角為小車頂部中心和副色標中心的連線方向，機器人的隊號通過不同的副色標顏色來區別。該方案雖然具有算法簡單、實時性較高等優點，但是非常容易發生混色現象[7](2種顏色互相干擾),如圖2所示。當2個機器人在對抗比賽中距離過近或發生相撞后，色標受干擾就非常容易出現位置和角度的偏差，影響機器人策略。圖1(b)表示通過一條矢量線確定機器人小車的正方向，通過副色標來輔助決定機器人的隊號。該方案具有色塊中心穩定，位置、角度精度高，抗干擾能力強等特點，同時避免了粘連現象的發生；但是由于識別算法復雜，導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，其中大圓為隊標，小圓為副色標(隊員號)，主副色標中心到小車中心的距離之比為1∶3。此方法的優點是發生粘連現象較少，抗噪能力較強，其缺點是辨識精度不高。

圖 1 各種色標設計方案

圖 2 粘連現象

綜上所述，目前仍然未見一種算法簡單、響應速度快、辨識精度高、抗噪能力強的色標設計方法。為此，筆者在綜合各隊的色標設計方法特點的基礎上，提出了一種新穎的色標設計方法。

1 色標的設計

1.1 色標顏色及形狀

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、準確，本方案按照國際慣例將小車分為主色標(隊標)和副色標(隊員標志 )。將主色標設計為多邊形，副色標設計為圓形。以足球機器人5VS5的比賽為例，在每個機器人小車上都使用1個主色標和2個副色標。其中主色標按照國際慣例，只取黃、藍色,2個副色標根據實際情況進行變換。其隊員號通過排列組合后按照一定規則分布來具體確定。

如圖3所示，黃隊和藍隊的隊標放在機器人的斜對正中心。副色標主要為三基色，如綠、紫、粉，這樣在本隊隊伍中就可以用3個副色標的顏色組合來區分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。其重心為隊標中心(主色標區域中心)，小車的前進方向是以小車色標的重心與副色標中心點連線成45°連線的方向。

(a)藍隊

(b)黃隊

1.2 足球機器人位姿的判定

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

設(x0,y0)為中心點坐標，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代表區域Ai(i=1,2,3,4,5,6)的相應隊標特征顏色點的x坐標及y坐標的累加值；nAi代表區域Ai的符合隊標特征顏色點的數量。

1.3 足球機器人隊員色標中心的確定

受機器人尺寸所限，隊員標志(副色標)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器人隊員的中心。

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

(3)

其中T為背景閾值。重心計算公式為：

(4)

(5)

1.4 機器人角度的求取

根據隊標特點，并綜合國內外各參賽隊中的優秀方法[9-14]，本方案利用機器人中心穩定的特點，提出了一種補償逼近算法。

足球機器人主色標(隊標)與副色標(隊員色標)中心點連線為

(6)

利用求得的中心點連線為x坐標軸建立新坐標系。

先將主副色標沿x軸和y軸分割成2個對稱部分，主副色標中心連線與x軸之間的夾角即為足球機器人的朝向角，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，則有

(11)

機器人的朝向角補償逼近具體算法如下：

(xi

(12)

xi

(13)

xi>x0,yi>y0}；

(14)

xi>x0,yi>y0}。

(15)

由此可求出補償后上下2個中心點坐標值，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 實驗結果及分析

筆者將此色標設計方案應用于FIRA足球機器人比賽中的5VS5半自主機器人足球項目。通過實驗結果表明，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果。從圖5(a)可以看出，各色標在攝像頭下所采集的圖像清晰，隊標與隊員標識之間無干涉現象。從圖5(b)中的預備情況可以看出，各色標均能被有效識別(為使視圖的清晰，這里只截取了1、2、3號機器人的預備示意圖)，從箭頭指示的情況來看，各色標的朝向角度計算正確，誤差較小。

(a)比賽實景

(b)預備時各機器人的正方向指示圖

圖 5 色標應用

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

表1 足球機器人視覺測試運行結果

3 結論

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

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