机器人比赛心得体会（精选7篇）
中国青少年机器人竞赛活动是中国科协主办的面向21世纪青少年的系列科技创新活动之一。该活动始办于2001年，竞赛旨在以丰富多彩、形式多样的机器人探 究项目，培养青少年的创新精神和动手实践能力，激发他们对科学技术以及机器人研究应用的兴趣，提高他们的科学素质。同时，该活动还选拔国内优秀的青少年参 与国际青少年机器人竞赛和交流活动。
中国青少年机器人竞赛组织机构
主办单位
中国科学技术协会
举办地省（直辖市、自治区）人民政府
承办单位 竞赛的性质
中国青少年机器人竞赛以培养青少年的创新意识和实践能力、提高青少年的科学素质为目的，是一项将知识积累、技能培养、探究性学习融为一体，面向广大青少年机器人爱好者的科学普及性活动。2 竞赛的主办单位、承办单位、协办单位
中国青少年机器人竞赛每年举办一次。由中国科学技术协会和承办省（自治区、直辖市）人民政府主办，由中国科协青少年科技中心、主办省（自治区、直辖市）科协承办及有关部门协办。
中国青少年机器人竞赛诚邀有志于青少年机器人教育活动的国内外企业作为合作伙伴。3 组织机构
竞赛组委会由主办单位与承办单位共同组成。
竞赛组委会办公室设在中国科协青少年科技中心，负责竞赛日常工作。
竞赛组委会聘请有关专家组成专家委员会，负责竞赛活动的策划、培训、咨询等工作。中国科协青少年科技中心中国青少年机器人竞赛总则
竞赛委员会是在竞赛组委会直接领导下行使组织实施青少年机器人竞赛活动的职能机构，由各省级青少年科技工作机构机器人竞赛项目组织工作者组成，参与中国青少年机器人竞赛有关政策研究、具体活动的策划和组织实施等工作。4 比赛时间
每年暑期。5 赛事安排
中国青少年机器人竞赛的比赛项目要根据我国中小学机器人科技活动和国际青少年机器人竞赛活动的发展进行安排。比较经常性的比赛项目有机器人创意比赛、机器人基本技能比赛、机器人足球比赛、VEX和FLL机器人工程挑战赛等。6 参赛对象及组团方式
凡竞赛前在校就读的中小学生（包括中专、中技、中师、中职）均可参加各省（自治区、直辖市）举办的竞赛活动，各地通过省级竞赛选拔优秀代表队组成省参赛代表团参加全国竞赛活动。各参赛代表团以本省(自治区、直辖市)名称命名。
参赛队按小学、初中、高中三个组别组建，不允许跨组别。7 奖项设立
7.1 各单项赛事设一、二、三等奖； 7.2 若干专项奖；
7.3 优秀组织单位奖、优秀教练员奖和特殊贡献奖；
7.4 选拔优秀队伍组成中国青少年机器人竞赛代表队参加相关国际比赛。8 参赛申报 8.1 名额分配
竞赛组委会将根据各省(自治区、直辖市)组织的比赛规模，按照一定的比例，下发参赛申报名额。各省(自治区、直辖市)根据限定的名额数，择优向竞赛组委会进行申报。每名参赛选手只能申报参加一个竞赛项目。8.2 申报时间
申报时间和要求以当年下发的竞赛通知为准，如有变动，以补充通知为准。8.3 申报方式
为了加强机器人竞赛组织工作的科学性、规范性和透明度，提高工作效率，除申报书需书面填写外，其余材料一律采用网上申报方式。8.4 申报流程
请登录robot.xiaoxiaotong.org网站，进行网上申报，具体流程如下：
⑴ 组委会根据分配名额生成授权号；
⑵ 各省级竞赛组委会根据提供的账号和各省确认的密码，登录管理系统查询授权号并下发到各参赛队的教练员；
⑶ 教练员拿到授权号后，登录网站确认申报资格，然后注册参赛队的个人信息、申报项目信息、上传附件等，提交到各省级竞赛组委会；
⑷ 各省级竞赛组委会对申报信息进行首次资格审查，保证网上申报的有关信息与纸质申报表完全一致；
⑸ 全国组委会对各省级竞赛组委会申报信息进行再次资格审查，不合格者将予以淘汰；
⑹ 在网上公布确认的参赛队名单。9 未尽事宜由竞赛组委会解释
中国青少年机器人竞赛历史沿革
第一届中国青少年机器人竞赛于2001年在广州市南沙科技馆举办，当时叫“全国青少年电脑机器人竞赛”，参赛的仅有十多个省市200多名学生参加，霍英东先生亲临比赛现场，给小选手们加油鼓劲。当年，全国竞赛组委会应亚太地区青少年机器人奥林匹克竞赛组委会的邀请，首次组队参加了在香港举办的亚太地区青少年机器人奥林匹克竞赛。比赛中，我国选手一举夺得中学组、小学组两个团体总分第一名和多个单项奖的金牌，震惊了亚太各国。
第二届中国青少年机器人竞赛于2002年继续在广州南沙科技馆举行，有近二十个省市的500多名中小学生、科技辅导员和80多个代表队参加比赛。
第三届至第九届中国青少年机器人竞赛分别在河南、广西、陕西、云南、重庆、湖南、青海举行，竞赛规模不断扩大，规格不断提高，经验不断丰富，成绩不断攀升。目前，中国青少年机器人竞赛这一高科技的竞技赛事，已成为国内科技、教育界一致认同的一项青少年科技创新的重要赛事，作为一项富有时代性、创新性、参与性和普及性，适应当代青少年需求，深受当代青少年欢迎的智力开发活动，在全国各地产生了广泛的社会影响。
第十届中国青少年机器人竞赛在北京工业大学举行，自本届比赛起，竞赛充分利用信息、网络、通讯技术，全面体现科学、规范、高效、创新的组织管理特点。
第十一届中国青少年机器人竞赛将于2011年7月在河南郑州第七中学举行。自本届起，中国科协青少年科技中心与天津工程技术师范大学联合成立青少年机器人竞赛研究培训中心，启动各级裁判长和教练员的培训工作，加快推进裁判资格认证工作。开展青少年机器人竞赛发展趋势研究与分析，加强推进青少年机器人教育活动改进与创新。
关于中国青少年机器人竞赛准入器材的补充说明
2013-11-06中国科协青少年科技中心本文被阅读过665次6人次推荐
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为了维护国家进出口和税收政策，保证国家税收收入，打击重点领域、重点渠道的偷逃税和相关产品的走私、仿冒活动，进一步落实《国务院关于进一步做好打击侵犯知识产权和制售假冒伪劣商品工作的意见》，同时帮助青少年从小树立保护知识产权的概念、树立纳税意识、增强法律意识和法制观念，中国青少年机器人竞赛办公室与专家委员会重申在2014年第十四届及以后的竞赛中，参赛队使用的器材应来自合法渠道。
2014年第十四届中国青少年机器人竞赛用于FLL机器人挑战赛的器材须由LEGO在中国的唯一代理北京西觅亚科技有限公司提供，并应有“乐高中国市场专供”标识符；用于VEX机器人工程挑战赛的器材须由VEX在中国的唯一代理博思电子数码科技有限公司提供；用于机器人综合技能比赛和足球比赛的器材须由未来伙伴机器人有限公司、纳英特电脑电子工程有限公司、中鸣数码科技有限公司、西觅亚教育科技有限公司或博思电子数码科技有限公司提供。参赛报名后，将对参赛队所用器材的来源进行确认，使用来自非法渠道的参赛队不能参赛；在比赛现场，将对参赛队赛的器材再次进行赛前检查，未通过检查的参赛队将没有比赛成绩。请各省（自治区、直辖市）科协在推荐参赛队时严格审查。
7月17日，在第十三届中国青少年机器人竞赛教练员论坛上，论坛特邀嘉宾伊森•丹纳赫博士说：“创新教育的目的是指导学生突破原有的框框，不局限于固有的思维，发挥出想象力和创造力。但是，在对学生进行机器人创新教育的同时，老师也要为创新设置一定的局限，这样更利于学生在现实生活中开展创造性的工作。”他认为：“学生毕业后，在工作岗位上开展创新性的工作，总会受制于资源、时间、预算等因素的限制，只有培养学生在一定的局限下开展创新工作，他们才能在以后的工作中得心应手。”
伊森•丹纳赫目前就职于美国塔夫茨大学工程教育与拓展中心，任工程项目研究主任，研究辅助教师开展工程教育及交流机器人理念的创新和交互技术，对象涵盖幼儿园到大学阶段。论坛上，伊森•丹纳赫从教育的角度，结合机器人技术，探讨如何激发学生学习科学、技术、工程、数学的兴趣。
伊森•丹纳赫向广大教练员传递了机器人课堂教学理念。他认为，进入新世纪以后，出现了许多机器人教学平台，且机器人的设计过程也逐步简化，中小学生经过培训可以轻松完成，因此广受青少年的热爱。课外教师应努力把教室转化为孩子学习工程技术的场所，激发孩子的创新能力，把创造力贯穿于机器人设计的全过程。同时，伊森•丹纳赫强调，在学生的创造过程中，可设置一些局限，教育学生在局限内对自身和外部条件进行调整，最大限度地利用各种因素，尽可能拓展创新的空间。
青少年参与机器人竞赛，除了提高竞技能力、团队协作能力，学习科学知识外，还能熟悉学科之外的知识。STEAM(科学、技术、工程、艺术、数学)应贯穿于机器人创新设计教育的全过程，伊森•丹纳赫认为好的机器人设计应融合这5方面的要素，他以一名学生设计的作画机器人为例，科学、技术、工程是机器人存在的基础，不难理解。要使机器人画出优秀的作品，设计者本人首先要具备一定的美术基础，并通过技术手段把自身的美术技能转化到机器人身上，同时，机器人作画既要考虑图画和图纸之间的比例大小，又要考虑图画各要素之间的比例大小，这就需要应用到数学知识。以设计音乐机器人为例，年龄小的学生可以了解音色、音符等基本音乐知识，年龄大的学生在熟悉这些知识之外，还能学习到音频原理等物理知识。
谈到如何处理基础课学习和开放课的关系时，伊森•丹纳赫认为，这是各国教育部门都面临的问题，现在美国也在努力提高本国学生的应试能力，要在两者之间寻求到一个平衡点，已达到全面提升学生综合能力的目的。
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机器人竞赛 教练员论坛 创新教育
机器人竞赛活动中，教师与学生共同经历，共同成长。整个过程，教师不仅是简单的技术指导的角色，也充当了与学生共同探讨、共同研究的综合性角色。因此，做好教师角色定位，把握好师生关系，把握学习和研究中教与学的度是我们应该探讨和研究的问题。
教师的引导角色
学生对机器人的兴趣，开始都是泛泛的，没有针对性，要想找到合适项目的学生，就必须对学生进行必要的引导，比如我校开展机器人足球的时候，最初这个项目对于师生都非常陌生，我就通过各种渠道搜集资料，并给学生做多角度的展示，借以激发起学生的兴趣。果然，高二年级的王农龙等一批同学兴趣浓厚，当时正值他们参加完重庆的“机器人灭火比赛”并夺得了冠军，大家都信心百倍。我趁热打铁，又为学生详细介绍了足球机器人的基本情况和规则，并且鼓励有兴趣的学生进一步了解机器人足球的细节，探索自己今后在机器人足球上发展的方向。这样我们的机器人足球队就顺利组建起来了。
最初，学生用灭火机器人的底盘为原型来进行改装，原来的风扇被拆下后装上光敏传感器和一根桅杆（用来固定罗盘）。但由于技术不成熟，其找球和控球能力极其低下，灵活度也较差。我便引导学生了解当前机器人足球的两种主要的控球方式——吸球装置和冲撞模式，并让他们自己去尝试，结果他们参考网上的方案，经过两天的努力，做出了带吸球装置的足球机器人，大大改进了控球的问题。
通过教师的引导，学生有了很浓厚的兴趣，并能自己进行不断的研究和改进，为机器人项目的开展奠定了很好的基础。
教师的决策角色
机器人活动的开展学生是主体，但针对中学生知识的局限性和实践经验的匮乏，在关键时刻教师还应充当好一个正确的决策角色，让学生能够在有限的时间内获得最大的收获和进步。
机器人足球项目起步的初期，学生用的是吸球装置来控球，但是在实战中发挥得不是很好。学生当时觉得吸球是一个新的技术比较感兴趣，希望慢慢研究，但是所设计的机器人走的又是灵活机动的方向，这种结构的机器人是很难发挥吸球装置的效果的。而且为了应对比赛，也没有过多的时间和器材来同时推进两种方案。因此我一边鼓励研究吸球装置的学生继续研究，一边同时提出用冲撞的理念来设计机器人。这样学生分成了两个组，两天以后看效果。经过两天的尝试，最终用吸球装置的学生还是转变了观念，改为用冲撞方式。我马上让他们仔细观摩机器人足球的实况录像，激励他们从这个方向去努力，学生很快就将冲撞机器人设计出来了。
在某些关键时刻，学生由于受到各方面的局限，可能会有一些不恰当的想法和方向，此时，教师的决策角色是很重要的，可以保证学生更高效地用有限的时间来开展活动。
教师的服务角色
让学生制作机器人并参加比赛，只是一种手段，目的是为了发展他们各方面的能力，而能力的发展离不开活动中学生的亲自动手和积极思考。同时，机器人比赛是学生的比赛，只有亲手去设计制作，才会完全了解它的特性，调试时得心应手，出现故障时也能很快找到原因。因此，机器人兴趣小组必须采用以学生为中心的活动方式。无论是机器人搭建、程序设计，还是机器人调试，都应该以学生为主，同时教师应该充当好服务的角色，成为学生的坚强后盾。
我要求学生有自己的想法和认识，并不断地自我学习，当学生有了自己的设计思路时，必须要他们制订出一个详细的可行性报告，当老师认可了这个设计后，就要不遗余力地支持，充当好服务的角色。
当时，在解决足球机器人找球能力这个问题上，学生通过自己的研究和网上资料的查询了解到澳大利亚新出了一种传感器——飞眼，可以180°远距离找球，当学生兴奋而忐忑地说完了他们的思路之后，我立刻从西觅亚公司购买回飞眼，并交给学生去试用，不做任何干预，仅提供实时服务。飞眼装上以后，情况并不如我们想象的那么好，它极不稳定。学生通过反复测试发现，主要是因为RCX（乐高机器人核心控制器）输入端口的电压值过低。当时我们为了增加动力和灵活性，将马达的数量增加到了6个，因此在卡死的情况下，电机的负载达到了最大，此时的RCX能够提供给飞眼的电压值就远远低于它工作的正常范围了。这个问题西觅亚的技术人员也无法解决。看着学生期待的目光，我咨询了很多搞机器人的专家，又做了几种尝试，比如用12v的电压供电，制作用继电器控制的电路板来带动马达等，均以失败告终。无奈我又与学生一起仔细研究飞眼的说明书，终于，一个新的思路提出来了，既然是电压的问题，那为什么不考虑单独给它供电呢？因为当时的飞眼是两线的，与RCX的接口也是两线的，而这两根线，既要承担RCX对飞眼的供电，同时还要承担信号的读入，这样电压就常常受累于机器人的负载，不能正常工作。如果将其改为三线就可以实现单独供电。而据飞眼的说明书描述，飞眼是可以改为三线的。在分析了这个方案的可行性后，我马上表示支持。同时我马上通过网络请西觅亚的工程师提供技术支持，又联系了澳大利亚的技术人员寻求帮助，最终学生成功地将飞眼由两线改成了三线，其中有一根线是公用的，另外两根与公用线一起分别作为供电和反馈信号，反馈信号的当然还是接到RCX的输入端口，供电的接口接哪里呢？难道为了飞眼单独做一个电源吗？通过分析，我提出了将接口接到RCX输出端口上，这是一个非常大胆而有创意的想法，机器人的6个马达分成了2组，并联之后只用了2个端口，中间还有1个B端口没有用到，既然只是供电，那我们将B端口一直输出最大电压就可以实现啊！经过安装、测试，用程序监控飞眼值的变化，发现这个问题得到了有效的解决，成功的那一刻，学生和我都非常激动。
在机器人活动中，学生需要自主性的探究，但也需要强大的支持和服务，教师应该提高自身能力和素质，为学生服好务。
教师的组长角色
我将参加机器人活动的学生分成小组，并且常常强调学生的团队精神、协作精神。我告诉他们，每个兴趣小组是一个整体，一个人强不是强，组内每个同学都强才有力量，以此促使大家相互交流和帮助。而我也融入其中起到协调和一定的组织作用，成为一个隐形的组长。比如足球项目，一般都是两个同学一组，我通常要求一人做进攻机器人，一人做防守机器人。要求学生在设计时以追求最大的默契度为目标。无论是比赛还是试验都要求小组成员共同协作，密切交流磨合。同时两个小组之间相互对抗和交流，最后共同分享成功的经验。有时，尽管只有两三个同学参加比赛，没有比赛任务的同学一样会来参加他们的赛前训练，给参赛的同学提建议、出点子。因为在他们眼里，参加比赛的同学代表的是我们学校整个团体的水平。
在备战“机器人世界杯”选拔赛的时候，因为时间非常紧，而飞眼的使用还不够成熟，我们决定暂时放弃飞眼，还是用普通光敏来找球。学生的信心受到了不小的打击，担心可能要失败，这时我并没有让学生停止学习的脚步，而是要求每个小组在解决光敏问题的同时对机器人的底盘进行重新设计，加重了学生的任务。通过对小组的施压，反而激发了小组间的斗志，小组与小组间也开始共同探讨和协作，共同来解决问题，充分调动了所有成员的能力。很快小组新的改进方案就设计了出来：在机器人的前面放4个光敏，每边2个，由于RCX的输入端口只有3个，而给光敏的只剩下了2个（其中一个给了指南针），怎么办呢？开始的时候我们用2个RCX来做，将一个作为指挥者，另一个作为执行者，2个之间通过通讯来控制，但是由于通讯的方式延迟太大，根本无法实际应用，因此很快就放弃了。后来我们将2个光敏并联在一起，再接到RCX的输入端口上，这样输入端口就刚好够用了。有了这次高强度的体验，学生不仅没有被吓倒，反而体会到了协作的力量。
有的时候，需要教师以隐形组长的角色参与其中，才能充分发挥小组的力量，并能充分了解每个同学的特点，从而最大限度地提升团队的战斗力！
教师的心理辅导师角色
机器人比赛主要是以学生为主体，教师为辅。无论是在比赛过程中还是在研究试验过程中，教师除了对学生进行技术方面的引导外，更应该注重对学生的心理及应变能力等综合方面进行培养，充当好称职的心理辅导师的角色。
在我们的机器人活动刚起步的时候，无论是在平时的学习研究过程中，还是在各种各样的实际比赛中，学生会不断遇到挫折和许多未知的情况，并不是所有的问题老师都能包办，都能处理。老师越少包办、越少处理反而越好。强调学生的应变能力，独立自主地处理突发事件，提高学生挫败的承受力才是老师最应该做的事情，我想这也应该是我们组织机器人比赛的一个初衷——培养和提高学生自身的综合素质。但是，适当适时地鼓励和开导也是非常必要的，通过鼓励坚定学生的信心，通过开导舒缓学生的压力，让学生既不盲目自大，也不过分自卑，为学生创造一个良好的心理环境。这也是为什么学生在实验中经历了一次又一次的失败后还能够坚定自己的想法，坚持下去的一个关键因素。
第一次参加机器人足球正式比赛的时候，我们一路过关斩将，顺利打入了决赛。但在决赛中，由于对手的机器人力量过大，我们的机器人的程序被猛烈的冲击撞掉了，最终和冠军擦肩而过。当时学生特别的遗憾和委屈，个别学生甚至有了放弃的想法，在这个时候我慢慢地开导学生，并且带头组织所有学生对我们机器人的结构进行全方位审视，寻找出自身的优点，增强学生信心，同时也鼓励学生找出不足，让学生客观认识到我们输掉比赛的原因。通过这样的开导，学生的挫败心理得到了缓解，同时也激发了他们继续努力的决心，马上就有学生想出了新的方案。经过多次改进，新的结构可以有效防止高强度的撞击。我们还改进了找球程序，使普通光敏也可以找全场了；改进了防卡死的功能，终于在当年的中国青少年机器人竞赛（重庆赛区）联赛中囊括了中学足球“二对二”的冠亚军。而在这场比赛中学生充分体现了临场应变的能力，比起过去成熟了很多，这与平时的独立训练是分不开的，更和学生心理素质的提高有很大的关系。
教师要多学习心理学，掌握学生的心理变化，经常为他们解决心理的问题，这对推动活动的开展是非常重要的。
机器人足球成为进行科学技术研究和实验的良好平台,也是一种高智力、高趣味的高科技对抗活动[1]。目前的机器人足球比赛虽然比赛模式丰富多样,但在这些比赛中,赛场上的机器人(小车)是由计算机控制进行比赛,人参与比赛过程的程度很低。图1所示为目前FIRA微型机器人足球比赛的场景,两支球队(每队3台机器人)各自由一台计算机(PC机)控制。RoboCUP的最终目标是,在2050年左右,组成一支由类人机器人组成的足球队战胜当时的人类足球冠军队。在迈向这一目标的征程中,有必要对人参与比赛的各种模式进行研究和试验。
卡内基-梅隆大学的研究人员近年来提出一种由人参与的机器人足球比赛,比赛场景如图2所示[2]。比赛中,由人和机器人共同组成的两支球队进行对抗。比赛所使用的设备平台由专业公司生产[3]。目前,国内尚未见到由人参与的机器人足球比赛。
对现有FIRA(国际机器人足球联盟)微型足球机器人系统进行改造,提出一种人-机器人足球比赛模式,见图3。一支球队(3台小车)由计算机控制;另一支球队(3台小车)由人控制,但每台小车分别有一个人通过遥控手柄操纵,实现人-机器人博弈的过程。
2 硬件设计
2.1 结构
遥控手柄系统结构框图见图4。主要由机器人ID编码、无线模块、微处理器、键盘、电池等单元组成。
2.2 微处理器
C8051F330/1芯片是完全集成的混合信号片上系统型微处理器[4]。用户软件对所有外设具有完全的控制,可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。该微处理器的主要特性如下:高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25MIPS(百万条指令每秒)); 全速、非侵入式的在系统调试接口(片内); 真正10位200 ksps(千次采样每秒)的16通道单端/差分A/D转换器,带模拟多路器; 8 kB可在系统编程的Flash存储器,768字节片内RAM ;硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口;具有3个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列,片内上电复位、VDD监视器和温度传感器;17个端口I/O(容许5 V输入)。
C8051F330通过无线发射模块,与机器人实现无线通信。当微处理器检测到有键被操作后,先对命令进行解释,然后发出相应功能的运动控制命令,机器人接收到遥控手柄发来的信息后,先进行PID、PWM运算,再使能电机驱动电路,输出运动控制指令驱动电机,实现机器人左、右轮的启停、正反转和速度控制。
2.3 机器人ID编码电路
操作遥控手柄,会发出一帧数据(规划场上机器人运动的控制命令),每个机器人全部接收,然后机器人根据自己的地址编号(机器人ID编码),从数据串中确定发给自己的命令。因此,每个遥控手柄上也有拨码开关,通过它来设定与被控制机器人相同的ID编码。遥控手柄的ID编码电路见图5,由电阻R1～R3和拨码开关K1～K3组成。
2.4 发射电路
2.4.1 无线模块
无线模块选用英国Radiometrix公司的BIM-418 (433)-F型低功耗超高频数据收发模块,模块引脚见图6。载波频率分别为418 MHz和433 MHz,具有通信速率高、性能可靠、体积小、抑制杂波干扰强的优点,具有发送和接收功能,使用非常方便。
模块主要特性如下:微型PCB(印制电路板)叠层结构;工作在业余无线电波波段;可双向传送;单向传输速率可达到40 kbit/s;室内有效范围为20 m,空旷处有效范围为100 m;工作电流小于15 mA;可与CMOS逻辑和TTL逻辑兼容。
2.4.2 发射电路
由于足球机器人的通信系统是单向系统(即主机→机器人),机器人(小车)无线通信系统只实现接收功能。遥控手柄无线通信系统只实现发射功能,以BIM-433-F模块为例,模块与微处理器的接线电路见图7。模块引脚15(发射允许端)接低电平,使能发射功能,引脚16(接收允许端)接高电平,禁止接收功能。模块引脚12 RXD端为接收数据信息口。
2.5 键盘电路
FIRA微型足球机器人小车通常采用双轮驱动方式[5]。这种小车有2台电机,分别驱动左车轮、右车轮,实现机器人的启停、正反转、速度控制。
遥控手柄上有各种功能键,实现对机器人左、右轮的启停、正反转、速度控制等功能。电路见图8,它由电阻R4～R7、按键K4、K5和舵1、舵2组成。
K4键为使能键,K4键闭合,遥控手柄每隔20 ms发出一帧数据。K5键为急停键,K5键闭合,遥控手柄发送机器人停止运行命令,不受K4键限制。舵1用来控制机器人左轮的运行速度和方向。舵2用来控制机器人右轮的运行速度和方向。舵位置与车轮运行速度、方向的关系见图9。
2.6 电源
电池选用7.2 V可充电锂电池组,因C8051F330的CPU内核为3.3 V供电,其他外围设备采用5 V供电。系统电源有2种,其中5 V供电稳压选用LM78L05三端稳压块,3.3 V供电稳压选用SPX1117M3-3.3三端稳压块,该模块是Sipex公司生产的LDO芯片[6],其输出电流可达到800 mA,输出电压精度在±1%以内,还具有电流限制和热保护功能。
3 主程序流程
3.1 通信方式
在人-机器人对抗比赛赛场上,无线通信协议也采用广播式通信方式[7]。它的数据接收和发送帧格式见图10,包括3个字节的起始帧头(同步码)、1个字节的ID编码、2个字节的数据和1个字节的校验码,即每次一帧发送7个字节。
BIM-418(433)-F无线收发模块具有高灵敏度的特性,由于比赛环境存在各种干扰和噪声,它可能接收杂波并处理。因此,在每个数据帧之前要先发几个字节的同步码,以实现数据的区分和同步。虽然干扰基本是随机的,但是若使用1个字节的帧头,很难保证干扰和有效数据的区分。本系统协议使用3个字节的帧头,它们的字码分别是:2个55H和1个FAH。通过实践发现,干扰波产生连续55H、FAH、55H字码的概率是很小的。遥控手柄每次发射都加同步码,机器人必须通过启始同步码3道关验证,才能开始接收数据。一帧数据接收完后,字节还要进行CRC(循环冗余校验)。CRC校验字节是每个数据字节相互异或后的结果。接收到的数据校验正确则接受,否则放弃这帧数据,确保了机器人对有效数据的确认。
3.2 主程序流程框图
在软件的设计中,采用了模块化的设计思想,主程序流程框图见图11。
主程序流程由以下7个部分组成:
a) 系统初始化:主要包括引脚配置初始化、系统参数初始化、定时器中断设定和使能看门狗等。
b) “喂狗”:看门狗内部定时器清零。
c) 读ID编码:微处理器读取遥控手柄上拨码开关设定的自己地址编号,写到发送帧格式中的ID编码位置单元。
d) K5键判断:查K5按键是否操作,若是,则转到发送停止命令子程序。
e) 读舵1:检测舵1位置,完成A/D转换、进行数据处理,写到发送帧格式中的左轮数据位置。
f) 读舵2:检测舵2位置,完成A/D转换、进行数据处理,写到发送帧格式中的右轮数据位置。
g) K4键判断:查K4按键是否操作,若是,则转到发送运动命令子程序。
软件中有两个子程序。它们的功能分别是:
a) 发送停止命令子程序:主要完成启始同步码、左右轮的停止命令、校验码写到发送帧格式中对应位置,然后发送一帧数据。
b) 发送运动命令子程序:主要完成启始同步码、校验码写到发送帧格式中对应位置。开定时中断服务程序:遥控手柄每隔20 ms发出一帧数据。
4 结束语
研制过程中主要考虑到遥控手柄应具有体积小、集成度好、操作容易的特点,能满足机器人足球比赛高灵敏度、高可靠性、强实时性等品质要求,对遥控手柄的结构及元器件的选择进行了优化。该方案为人-机器人足球比赛系统的构建具有较高的参考价值。
参考文献
[1]洪炳熔.机器人足球比赛-发展人工智能的里程碑[J].电子世界,2000(4):4-5.
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[4]潘琢金.C8051F330/1混合信号ISPFLASH微控制器数据手册[M].新华龙电子有限公司,2003.
[5]程福,赵臣,甄宗雷.双轮驱动足球机器人动态性能分析[J].机械科学与技术,2004,23(6):640-642.
[6]周立功,张华,等.深入浅出ARM7-LPC213X/214X[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.
在高中阶段，学生经过了9年义务教育，储备了一定的知识，对于新知识有自己的理解能力和学习方法，最重要的是他们有较强的举一反三能力和创新能力，参加综合技能比赛更能发挥他们的能力。针对以上特点，我在普通高中开展综合技能比赛的辅导工作中特别注意了以下3个方面。
精选参赛学生
普通学校的高一新生大多没有接触过机器人，那么，如何挑选出合适的学生呢？如果学校有在高一全体新生中开设机器人校本课程，教师可以通过几次课堂教学对学生进行选拔。如果没有开设机器人校本课程，教师们就需要通过其他课程进行挑选。综合技能比赛考查学生两方面的技能：动手搭建与计算机编程。我作为信息技术课与通用技术课教师，通过观察学生的课堂表现来确定合适人选。例如，在通用技术课上观察学生的动手能力与创造能力，在信息课上考查学生的编程能力，然后选拔部分学生进行有针对性的专门培训，最后通过测试考核确定人选，我个人认为综合技能项目需要精选人才，不需要大规模培训。
既要分工也要全面训练
综合技能是两人合作参赛的项目，在后期训练时可以一人主攻搭建，一人主攻编程。虽然程序是项目取胜的关键，但是我并没有采用以编程学生为主、搭建学生为辅的方式进行训练。因为在训练中每个学生都希望得到教师的重视，一旦主攻搭建的学生发现自己不受重视时就会变得消极怠工，这样不仅削弱队伍的力量还会影响到编程学生的心理。此外，机器人的搭建也并不仅仅是辅助任务，它在比赛中也起着至关重要的作用，搭建的快慢决定了赛前场地调试时间的长短。在2010年北京市青少年机器人竞赛综合技能比赛中，我校获得一等奖，主要是因为负责搭建的学生快速完成了搭建任务，为队友抢出了20分钟无人干扰的场地调试时间。就是这20分钟的时间对比赛的胜利起到了决定性的作用。在前期训练时不分搭建与编程任务，赛前2周再根据学生的表现确定搭建与编程人员，不仅能促进学生全面掌握技能，还可以让学生沉着应对赛场上的突发事件。在2013年中国青少年机器人竞赛综合技能比赛中，我校负责编程的学生突发肠胃炎住院，裁判们认为负责搭建的学生不可能一人同时完成两项技能，劝我们退赛，然而这位负责搭建的学生独自奋战8小时，最终摘取了银牌。仅仅一个人就能取得这样的好成绩，就是因为知识全面。在校训练时，他在练习机器人搭建的同时也学习了所有的编程技能。
培养持续的兴趣
综合技能是极其考验学生耐心与毅力的项目。刚开始学习时，学生会被具有挑战性的任务所吸引，但当各项任务的解决方案确定后，需要千百次的重复练习来完善时，面对各项数据的精准调试，好多学生都会觉得枯燥乏味。尤其是当他们面对会考、高考的压力和繁重的课业负担时，很多普通学校高中生都难以坚持下来。作为教师，要尽量想办法提高学生学习综合技能的兴趣，给予学生更多的鼓励与肯定。我建议教师们不要把完成每项任务的方法直接传授给学生，而是教给学生机器人的各个传感器、马达、伺服电机的使用方法，让学生在不断的实验中自己找寻方法，锻炼他们的耐心，增强意志力。这样他们愿意用更多的时间去练习和证实，不仅能提高学习兴趣，而且他们会更加珍惜这来之不易的解决方案。在平时的训练活动中，我经常鼓励学生发现自己的才能，并充分显示自己的个性。在解决每一个任务的讨论交流中，我注意引导学生发表自己的意见，并鼓励学生对同学们提出的各种观点相互评议，相互补充。在师生交往中，要消除教师在学生心目中的绝对权威地位。我经常告诉学生，在多次的练习后，他们应该比我对机器人的某些性能、属性更了解，掌握更精准。我还会鼓励学生大胆质疑我提出的方法，激励他们更加深入和精准的掌握機器人的性能，帮助他们树立自信心。
在一次机器人比赛中，小红和小蓝被分配到一组。
比赛开始，只听哨声一响，小红立即奋力拼装，不一会儿就完成了，而小蓝呢，他不慌不忙，一会儿卡顿，一会儿迅速，也不知道他会不会，只能看到他在努力拼装。
小红拼装完成后，一看时间还早，就想试试怎么把机器人做的更坚固，就想三角形是最稳定的图形，加入机器人一定会更坚固，想到这，立即拿起三根梁把车轮和控制器给连到了一块，就这样它的四个轮子都加固了，他想机器人不仅霸气了，还很坚固，觉得自己实在是太完美了，还能拼装出这么牛的机器人。
又过了一段时间，小蓝也拼装好了，可刚编写程序时，没想到开始比赛了，只好匆匆忙忙用小红编好的程序。
执行任务开始了，小红的机器人车轮都加固了，所以根本跑不动，另外，小蓝和小红的机器人放的地方不相同，跑的位置也不相同，所用程序不能完全一样，然而小蓝完全用小红的程序控制机器人，小蓝的机器人一开始就瞎跑，扣了5分，到最后他们这一队就只有-5分，淘汰出局了。
这次比赛，小红应能得满分的，并且和小蓝配合也应该很好的，但由于他的画蛇添足，马马虎虎，为了自己的小聪明，最终他们小队得了-5分，初赛就被淘汰出局。
在机器人比赛中，并非只要集聚优秀队员即可，团队合作也是极为重要的因素。
在著名吸金好莱坞大片《复仇者联盟》中，各个成员的身份设定可谓各行各业的精英人员。但是在各自为营，互相指指点点的情况下，还是遭到了很大的损失。在机器人比赛中同理，具备优秀的队员固然可喜可贺，但若是各成员在遇到团队作战时还是各自仰仗自己的能力，而不是把自己看作时集体的一部分，那么这个比赛的结果便极为让人担忧。或许这样的团队也能侥幸获胜，但在后续的晋级赛中，情势便会不乐观的多。
硬件：
软件：
操作系统：
Windows 2000，Windows XP 或更高。
比赛平台：
FIRA SimuroSot 5vs5仿真平台1.5a版（EXE文件）
下载网址：www.fira.net/soccer/simurosot/R_Soccer_v15a_030204.exe
FIRA SimuroSot 11vs11仿真平台20030904版（RAR文件）
下载网址：www.fira.net/soccer/simurosot/2003_11vs11Server.rar
人员要求：
裁判员一名，负责比赛时特殊情况的判别和处理。
记分员一名，负责对比赛记录比分，由于平台对进球比分统计有误，帮必须由人手工统计。 比赛规则：
规则0：一般规则
比赛目的
（a）用以发展足球机器人基本的动作算法与比赛策略。
(b)为每个队提供了比赛训练与策略学习的环境。
(c)用以测试每队比赛策略的可行性与进步。
基本原理
?(a)用计算机图形来模拟场地、机器人与球。
(b)用运动学与动力学来模拟机器人与球的运动。
(c)首先将各队的比赛策略输入到客户端程序，再将客户端连到服务器。接下来是比赛准备，包括系统启动与各队机器人的位置。最后，比赛开始。
裁判的作用
?(a)控制比赛的开始，暂停与结束。
(b)对犯规进行处罚。
规则1：场地
（1）场地尺寸（附录1）
赛场为黑色长方形场地，尺寸为1130pixel x 788pixel ，有5 个像素宽的淡蓝色围墙。在场地四角固定四个42pixel×42pixel 的等腰三角形以避免球进入角落。
（2）场地标记（附录2）
比赛场地标记如附录2 所示。中圈半径是123pixel。作为门区的一部分的圆弧沿球门线长123pixel，垂直于球门线28pixe第一文库网l 。主要直线/圆弧（中线、门区边界线和中圈）均为灰色，4pixel 宽。争球时机器人的站位（圆）标记为蓝紫色。
（3）球门
球门宽246pixel，没有横梁和网。
（4）门线与门区
门线是恰好位于球门前长246pixel 的直线。门区包括位于球门前尺寸为426pixel×90pixel 的长方形区域以及附属的弧形区域，弧形区域平行于球门线长度为123pixel，垂直于球门线高度为28pixel。
（5）球
用桔黄色的高尔夫球作比赛用球，直径5pixel。
（6）机器人
机器人为10pixel×10pixel 的正方形。每个机器人着赛前选定的队服。
（7）场地位置
场地位于屏幕中央。
（8）控制菜单
控制菜单在场地上面。
（9）时钟
时钟位于控制菜单左边。
（10）记分牌
记分牌在控制菜单右边。
规则2：比赛次序
（1）准备
各队将自己的客户端程序输入客户端电脑并运行，将自己的客户端连接到服务器。
（2）开始
当裁判按下服务器菜单的“start” 比赛开始，按下“break”比赛中断，按下“stop”比赛终止。按动键盘上的`“Esc”键回到Windows。
规则3：比赛时间
比赛分两个半场，每半场5 分钟，中场休息10 分钟。在换人、更换场上受伤的机器人、暂停或其它必要情况下，计时员应暂停计时。
如果一支球队在中场休息时间没有准备好，不能继续开始下半场比赛，休息时间可以延长5 分钟。若在延时之后球队仍未准备好继续比赛，则将取消其比赛资格。
规则4：记分方法
?(1)获胜者
当整个球越过门线时即破门得分，此时该球队计分牌就自动加1。根据记分牌数据大小决定获胜队。
（2）平局处理
下半场比赛结束后，若双方打成平局，则通过突然死亡法决定获胜者。休息5分钟后，进入加时赛，加时最大周期为3分钟，其间先得分的球队为获胜者。如果追加3分钟后仍是平局，则通过点球决定获胜者。每个球队可射3次点球。在这时只有一个踢球员和一个守门员上场比赛。守门员在自己的球门区内，踢球员和球的位置同规则7。裁判吹哨后，允许守门员走出球门区。如果3次点球后仍是打成平局，则一次一次地增加点球次数，直到决定获胜者为止。所有点球均由一个机器人踢。裁判员吹哨后，点球即可开始。 规则5：犯规
下列情况视为犯规：
（1） 与对方球队的机器人相撞，不论是否是故意的，如果裁判员认定这种冲撞直接影响了比赛或对对方机器人有潜在的伤害，均视为犯规。当一名防守的机器人故意推一个对方机器人时，将给对方球队以任意球机会。假如推球的队员接触着球，则允许连球和对方队员一起推进。
（2） 如果球位于进攻队员和守门员之间，允许在门区内推守门员。但是不得推着守门员和球一起进入球门。如果一个进攻的机器人推着守门员和球一起进入球门或进攻机器人直接推守门员，则判发任意球。
（3） 当非守门员机器人抓到了球，则被视为手球。如果一个机器人紧紧粘住球以致于其他机器人无法得球，亦被视为手球，将被罚以点球。
（4） 守门员应在10 秒钟内把球从门区踢出去。否则将被罚以点球。
（5） 在门区内阻碍守门员的行为将导致判争球。
规则6：任意球FK（Free Kick）
下列情况下判罚任意球：
1．同一支球队中多于两名机器人阻碍球超过10秒钟；
2．没有外界其他机器人的接触，一名机器人阻碍球；
3．罚球区（大禁区）内有三名机器人，包括守门员；(区别于规则7.1,规则7.3)
4. 处于防守的机器人故意推对方机器人，将由对方球队罚任意球。
将球置于场地上相应的任意球位置（FK）（附录2）。罚球的机器人站于球的后边。进攻球队在其半场内可任意放置它的机器人。防守队的机器人被置于贴近门区圆弧两端的位置。随着裁判的哨声，所有机器人开始自由移动。
规则7：点球PK (Penalty Kick)
在以下情况下罚点球：
1.在球门区内防守方的机器人多于一个(不包括守门员)。
如果多余的机器人并不具有防守意图或不直接影响比赛，可以不算犯规。这种情况将由裁判判断。
2.守门员没能在10 秒钟内将球踢出门区。
3. 在球门区及罚球区内防守方的机器人多于4个(包括守门员)，对防守方罚点球。
罚点球时，球置于场地相应的罚点球位置（PK）（附录2）。罚球的机器人置于球的后边。面对罚点球时，守门员的一边必须与门线相接触。守门员可朝向任意方向。其它机器人可自由地放置于中线的另一边，但进攻球队有放置机器人的优先权。裁判哨响之后，比赛重新开始，所有机器人开始自由移动。罚点球的机器人可以踢球或运球。
规则8：争球FB (Free Ball)
在下列情况下判争球：
（1）在球门区外出现僵局达10 秒钟。
（2）对手在球门区阻碍守门员。
（3）在对方球门区用多于一个机器人进攻。
在任意一个1/4 场地内争球时，球将置于相应的争球位置（FB）（附录2）。每队的一名机器人将放在沿场地的纵向离球14pixel 远的位置。两支球队的其他机器人可自由地放置在争球所在的1/4 场地之外。按照规则，防守球队有权优先安排它们的机器人。比赛随裁判的信号重新开始，所有机器人可自由移动。
附录1：
智能足球机器人是属于机器人的一个分支,就是训练机器人代替人类或机器人与人类进行足球比赛[1],通过这种方式来提高人工智能、机器人等相关领域的研究水平。小型组足球机器人比赛是Robocop中相对比赛场地大小机器人运动速度最快的项目,机器人最大速度超过3 m/s,能在不到2 s的时间内掠过全场[2],是一个对实时性要求很高的比赛,而决策子系统作为整个系统的中心枢纽,上接视觉,下连通信,对比赛成绩的好坏起着至关重要的作用[3]。由于系统处在高速动态环境下,机器人需要实时控制,造成了信息与动作之间的延时误差,决策系统需要对当前和未来态势做出预测分析,获得当前动作点的准确信息[4]。
在足球机器人的信息预测中常用的算法有最小二乘法、BP神经网络算法和卡尔曼滤波算法,但是它们都有其应用中的缺点和不足。最小二乘法对视觉信息的依赖较大,一旦视觉系统通过摄像头获得的位置信息出现误差,预测结果也将会出现很大偏差[5];BP神经网络算法需要获得大量的机器人连续运动的数据来进行训练和学习,一旦环境条件发生变化就要重新采集数据来训练网络,且其算法本身有一定的运算复杂度[6]。卡尔曼滤波算法由于其算法流程简单,在信息预测和估计中一度得到广泛应用。
本研究根据足球机器人比赛系统的特点,提出一种扩展卡尔曼滤波算法,算法易于实现,计算复杂度低,以满足机器人足球比赛高实时性的要求,具有一定的应用价值。
1 足球机器人比赛的实时性要求及控制延时问题
小型足球机器人系统由场地上方的摄像机获得场地图像,将图像输出到视觉子系统计算机并分析处理图像信息,输出机器人的位置、方向和球的位置到决策子系统计算机;决策子系统根据信息计算控制指令;无线通信子系统将指令发送到机器人子系统;机器人子系统实现对控制指令的响应。重复上述过程,实现闭环控制。
小球足球机器人比赛在6.1 m×4.7 m的绿色地毯场地上进行,上下半场各10 min;机器人最大直线运行速度大于2.5 m/s,最小加速度大于2.5 m/s2,机器人击球速度不小于5.0 m/s,系统运行周期只有40 ms,这些数据说明足球机器人系统是一个对实时性要求比较高的项目,机器人必须能够在复杂多变的足球场上作出迅速的判断,采取有效的行动。整个系统从场地图像捕捉到响应控制指令积累了一个相当大的延时,尤其是在足球机器人运动速度越来越快的情况下,延时对比赛的影响也越来越大,机器人的真实位置和用来进行控制计算的位置之间的误差可达到20 cm,这会造成机器人运动超调或者振荡。由于系统延时的存在,能够准确、快速地估计出运动小球的状态成为机器人足球决策系统中迫切需要解决的问题。在闭环系统中,一般通过加入预测模块来抵消延时的影响。
事实上,足球机器人系统的实时性要求决定了解决控制延时问题的必要性。在机器人足球比赛过程中,噪声干扰都可视为随机过程,应用卡尔曼滤波理论对小球的运动状态进行轨迹预测,可以比较准确地预测出小球几个周期后的运动状态,提前将其预测数据用于控制指令从而抵消系统延时的影响,卡尔曼滤波算法预测的精确度和收敛速度的快慢决定此算法的优劣,精确度越高,收敛速度越快,就能将更加接近实际结果的数据提早用到比赛中去,从而满足系统的高实时性要求,提高比赛性能。
2 卡尔曼滤波算法
2.1 基本卡尔曼滤波算法原理
卡尔曼滤波属于一种软件滤波方法[7],其基本思想是:以最小均方误差为最佳估计准则,采用信号与噪声的状态空间模型,利用前一时刻的估计值和当前时刻的观测值来更新对状态变量的估计,求出当前时刻的估计值,该算法根据建立的系统方程和观测方程对需要处理的信号做出满足最小均方误差的估计[8]。
本研究定义系统状态变量Xk∈Rn,系统控制输入为Uk,系统过程激励噪声为Wk,其中Wk~N(0,Q),Vk~N(0,R),可得出系统的状态随机差分方程为:
观测方程:
从建立的数学模型出发,可以导出卡尔曼滤波的计算原型,包括时间更新方程和测量更新方程[9]。
时间更新方程为:
测量更新方程为:
卡尔曼滤波的原理可以用如图1所示。
时间更新方程和测量更新方程是卡尔曼滤波算法的核心,在每个采样周期内KF都是用上一次的后验状态估计时间更新方程和测量更新获得一个新的后验状态估计。
2.2 扩展卡尔曼滤波算法
基本的卡尔曼滤波只能应用于线性系统,对于实际应用系统的非线性很难得到满意的效果。扩展卡尔曼滤波(EKF)将其应用推广到非线性系统,其基本思想是:首先在当前状态均值和协方差处对被估计过程作一阶线性化处理,将问题转化为线性系统的估计问题,再用基本卡尔曼滤波进行估计。考虑非线性过程:xk=f(xk-1,uk-1,wk-1),测量值:zk=h(xk,vk);与线性卡尔曼滤波过程相似,由推理得到扩展卡尔曼滤波的时间更新和测量更新方程如下:
时间更新方程(预测):
测量更新方程(修正):
式中:Ak、Wk、Hk、Vk—部分派生的函数f()对x,w和h对x,v的雅克比矩阵;矩阵Qk、Rk—噪声方差,每一时刻k都对A,W,H,V进行更新。
其实EKF和KF一样,实质就是一种预测加修正的思想,足球机器人比赛中对球的位置预测正是基于上述方法来实现的,将滤波器的先验输出作为状态预测值。
3 小型足球机器人系统中小球的预测建模
小型足球机器人系统是典型的非线性系统,采用扩展卡尔曼滤波算法对系统进行分析建模。小球运动模型分析如下:
(1)小球在运动过程中,属于自由运动状态,不接受任何的人为控制信号,所以没有控制输入。但是由于比赛场地是绿色的地毯,小球不可避免地受到摩擦力的作用。通常情况下本研究将摩擦力视为一个恒定的与小球滚动方向相反的阻力,所以在没有碰撞的情况下小球在做匀减速直线运动。
(2)经过实际的试验证明,比赛场地各个地方的受力情况不完全一致,说明确实存在动态噪声Wk。场地不均匀的随机性也决定了噪声的随机特性,所以可以认为这种噪声满足上述卡尔曼滤波要求的噪声条件,即为服从正态分布的白噪声。
(3)对小球信息的获取是通过置于场地上方的摄像头实现的,摄像头捕获图像,并通过计算捕获到的小球像素中心点坐标来决定小球的位置。无论是捕获图像时的不完整性还是处理计算时的误差都会给测量方程带来影响,从而造成了观测误差即观测噪声的存在。小球的直径为42 mm,所以观测误差可以限制在这个范围内。
(4)通过以上分析建立小球的运动模型如下:
首先本研究把捕捉到的小球的运动状态用4个变量来描述:球的X坐标、球的Y坐标以及球在X坐标方向和Y坐标方向的速度值。
于是得到球的运动模型:
其中:
式中:Δt—决策系统运行周期;N—预测周期数;φ—小球的运动方向;v—是球的速度值;afr—由摩擦力产生的加速度恒量。
4 改进扩展卡尔曼滤波算法的应用及其实现流程
4.1 提高系统实时性的改进方法
EKF算法中一个很重要的步骤就是每一时刻都要对非线性函数f()进行泰勒展开求雅克比矩阵,在实际应用中雅克比矩阵很难求,计算复杂度比较大,从而严重影响系统实时性。针对EKF算法的以上缺点,根据滤波过程的原理和需要,文献[10]提出用函数f()的线性组合来代替其导数,然后用泰勒公式确定其中的系数,加快了计算速度,提高了计算精度,其改进算法如下:
式中:am—待定因子,v—使用f()函数的个数。
Km满足:
式中:h—计算步长。
4.2 改进后EKF算法在足球机器人环境下的应用
针对小型足球机器人系统的特点及上述小球的预测模型,本研究结合改进后的EKF对算法中的相关参数进行了进一步简化,得到如下数据:
系统延时为120 ms,决策周期为40 ms,取N=3,经反复试验测得afr=23 cm/s2,本研究取初值τxy=100 mm/s和τv=100 mm/s,δxy=25 mm;此处并没有对机器人和球的碰撞建模,为了提高两者相撞时系统反应的快速性,状态变量应该随着球和机器人距离的减小呈上升趋势,这可以通过机器人和球之间距离的远近来调整;速度标准差δv的确定取决于球与机器人发生碰撞或者球在机器人的控球、踢球机构的影响下运动状态发生突变的概率,简单来说,当球距离某个机器人很近时,球的运动状态的变数增加,定义如下关系式:
式中:d—离球最近的机器人与球之间的距离;R—机器人的半径,取75 mm;r—球的半径20 mm,一般情况下(R+r)≤d;k—增益,取为10,δR=100 mm·s-1。
系统在第1,2,…,Num周期没有对应于卡尔曼先验输出值的图像测量值输入,只执行时间更新过程;从第1+Num周期开始,系统通过第n+Num周期的图像测量值对第n周期的卡尔曼输出值进行修正,执行测量更新,优化第n+Num+1周期的输出。此时时间更新过程和测量更新过程交替执行。
4.3 算法实现流程
本研究采用浙江大学研发的Robocup5VS5小型组足球机器人为实验平台,足球机器人系统采用单独的计算机进行实时图像处理,把得到的信息通过Windows Sockets与决策计算机进行对等传输。为了得到一组小球运动的位置信息,本研究借助简单的UDP协议把图像处理计算机中的小球信息输出并存入一个文本文件中以供后续仿真使用。通过分析原程序,得出图像处理计算机与决策处理计算机之间以Class Message的数据包形式发送,通信端口号为12345,本研究截取数据包中的float_ballx,float_bally进行输出,将得到的数据存入文件ballposition.txt,文件作为小球实际运动轨迹数据供后续Matlab仿真使用。程序编写涉及客户端和服务器端,即发送端和接收端,本研究采用C语言编程实现,发送端和接收端具体实现流程如图2所示。
小球轨迹预测仿真实验基于Matlab实现,程序流程图如图3所示。
5 仿真及实验结果分析
本研究通过对小型足球机器人比赛中球的运动建模分析,得出了小球的扩展卡尔曼滤波模型,鉴于仿真的需要,忽略了小球实际运动过程中的次要因素,通过多次反复试验测得由于地毯摩擦力产生的加速度afr=23 cm/s2,决策周期为40 ms,δxy=25 mm,和机器人碰撞后的速度偏差δR=100 mm·s-1,本研究将以上数据代入已经建好的球的运动模型中去,得到仿真结果如图4、图5所示。
算法改进前后的仿真结果分别如图4、图5所示,改进后的EKF算法比未改进EKF能提早两个周期实现小球运动轨迹的跟踪和预测,并且在碰撞发生时,由于计算复杂度降低,可以提前4个周期实现精确预测,提高了系统实时性。因为时间较短,在无碰撞发生的情况下,小球基本在做直线运动;曲线发生弯折处,表示小球与比赛场地边界发生碰撞而偏离原来的路线,球被反弹后以一定角度继续做直线运动。
有两点需要特别说明,即初始阶段和碰撞发生时刻:初始阶段,卡尔曼滤波算法按照系统预设初始值进行时间更新即预测过程,而后进行测量更新即校正过程,预测和校正都是基于初始值进行的,并且机器人刚启动时,由于机械惯性、轮子打滑等原因,机器人的执行命令实际结果与期望值难免有偏差,从仿真曲线上可以看出,经过一段时间后,机器人的运动也趋向平稳,算法经过预测修正之后,预测曲线逐渐收敛,可以准确地预测到小球的实际位置。在碰撞发生时,虽然扩展卡尔曼滤波算法是针对非线性系统的解决方案,但是碰撞发生时非线性因素比重增多,球的运动状态变数增加,再加上没有对小球的碰撞建立精确的模型,导致碰撞发生时预测轨迹有一定偏差。
改进后的扩展卡尔曼滤波算法继承了原卡尔曼滤波算法预测简单等优点,并且由仿真曲线可以明显看出,预测精度得到很大提高,跟踪速度也有很大提高,小球位置预测误差在算法改进前范围在0~0.5 cm,改进后扩展卡尔曼滤波算法可以将预测误差降低在0.25 cm以内,并且可以提前2~4个机器周期实现预测,对于智能足球机器人这样一个复杂多变、对精确度和实时性要求比较高的系统而言,提高了系统运行效率,能显著提高比赛性能,具有非常实际的利用价值。
为了明显突出扩展卡尔曼滤波的优越性,本研究采用传统的最小二乘法算法对同一次小球的运动轨迹也同样进行了预测分析,得出的实验结果表明,扩展卡尔曼滤波算法能快速、准确地跟踪小球的运动轨迹,相比之前用传统的最小二乘法进行预测,精确度明显得到提高。扩展卡尔曼滤波算法下,预测曲线可以很快在若干周期内收敛,准确跟踪小球的实际位置;并且当碰撞发生时,可以尽快排除干扰,迅速收敛。这是最小二乘算法做不到的,也就是说EKF算法解决了简单预测不排除外界干扰(碰撞、打滑等原因)的问题,可以明显优化预测轨迹的生成。
6 结束语
本研究提出了一种对Robocup小型组足球机器人的目标对象小球进行运动轨迹预测的方法,仿真实验结果表明,改进后的EKF算法不仅充分发挥了卡尔曼滤波算法不依赖历史数据的优越性,也克服了最小二乘法、BP神经网络预测精确度不高的缺点,提高了预测的准确度,并且能在较短的时间内对图像观测值进行修正,之后系统输出误差非常小。该算法实现流程简单,计算复杂度低,适用于实时比赛环境下的小球运动轨迹预测,减少了系统延时对比赛的影响。尤其是对守门员来讲,小球的运动轨迹预测可以提前安排守门员的站位,从而大大提高守门员的拦截防守能力。但是足球机器人比赛是一个对实时性要求比较高的项目,需要提高算法的精确度和快速性,并且小球的运动模型也需要进一步改善,以提高比赛成绩。
摘要：为了减少系统延时对高实时性机器人足球比赛的影响,在深入研究卡尔曼滤波算法原理的基础上,提出了一种改进的扩展卡尔曼滤波(EKF)算法,建立了足球机器人竞赛中小球的运动模型,通过仿真实验给出了小球运动状态的预测轨迹。实验结果表明,改进后的EKF算法可以有效地解决以往算法在高度非线性化区域的不稳定性等问题,同时改进后的算法提高了系统实时性,算法易于实现且预测效果较好。
关键词：足球机器人,位置预测,决策子系统,卡尔曼滤波算法,状态估计
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