[发明专利]双视觉信息融合的集控式足球机器人识别系统及识别方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器视觉技术领域，尤其涉及一种双视觉信息融合的集控式足球机器人识别系统及识别方法。

背景技术

机器人足球是由加拿大大不列颠哥伦比亚大学教授Alan Mackworth在1992年的一次国际人工智能会议上首次提出的，他在论文“On Seeing Robots”中提出具有视觉和决策能力的机器人追逐足球的概念，目的是通过机器人足球比赛，为人工智能和智能机器人学科的发展提供一个具有标志性和挑战性的课题。此想法一经提出，便得到了各国科学家的普遍赞同和积极响应，国际上许多著名的研究机构和组织开始开展研究，将其付诸实现并不断推动其发展。

其后，在东京的关于“人工智能领域的严重挑战”学术研讨会上，学者们认真讨论了开展机器人足球比赛对于发展科学技术的意义，认为在众多挑战性课题中让机器人踢足球是机器人与人工智能领域最具挑战性的研究课题。

目前，足球机器人系统已成为一个研究热点，究其原因，主要是由于足球机器人系统涉及图像处理与目标跟踪，多智能体协调控制，无线通信，机械结构设计以及机电控制等诸多技术于一体，机器人足球同时又提供了一个标准平台，使得研究人员能够利用各种技术，获得更好的解决方案，从而又反过来促进各个领域的发展，这也就是开展机器人足球研究的深远意义，也是机器人足球研究的魅力所在。

集控式足球机器人系统主要由视觉子系统、决策子系统、通信子系统和机器人本体子系统四部分组成，其工作原理是视觉子系统获取场上目标体的位姿信息，提供给决策子系统进行判断、决策，规划每个机器人的运动轨迹，形成每个机器人的动作指令，并通过无线通信子系统将动作指令发送给每个机器人，机器人接受、执行指令，实现各种动作，上述四个子系统不断循环往复执行，便构成了实时运行的集控式足球机器人系统。集控式足球机器人视觉系统采用集中视觉方式，即通过固定在场地上方的视觉传感器获取整个场地图像，并进行图像处理和目标识别，获取目标在图像中的位置信息，为决策提供依据。

对于集控式足球机器人系统，根据场上机器人的数量和场地的尺寸大小，可以分为3对3、5对5和11对11项目，即场上每方机器人的个数分别为3个、5个和11个。其中3对3和5对5项目的场地尺寸大小为170×130cm和240×180cm，由于场地尺寸较小，因此采用单视觉传感器完全能够满足图像采集要求，视觉传感器固定于场地正中上方约3米处，选用1/2英寸CCD的摄像机，则拍摄整个完整场地需要的镜头焦距在8-10mm，因此可选用焦距范围在4.5-10或6-13mm的手动调焦镜头，且拍摄的场地原始图像畸变不是很大，便于进行校正处理。若图像采集分辨率设为640×480像素，根据系统放大率，机器人在图像中的面积大于20×20像素，有利于图像处理时对机器人的色标进行有效识别，由于场上目标体个数较少，目标识别耗时短，系统可以保持较高的图像采集速度和处理速度，具有较高的实时性。

对于11对11集控式足球机器人系统，场地尺寸增大为440×280cm，每方机器人个数增加为11个。考虑到人类足球比赛时，每方的队员个数也为11个，因此，11对11将是集控式足球机器人系统的发展趋势，且比赛规则也和人类足球竞赛规则有很多相似之处。由于场地尺寸变大，场上机器人个数变多，因此，比赛的激烈程序、观赏性和趣味性也大大提升，同时，系统的设计难度相对3对3和5对5系统来说也明显增大。对于11对11视觉系统而言，若采用单视觉传感器，则会产生如下问题：

1、若选用1/2英寸CCD的摄像机，固定于场地正中上方3米处，则拍摄完整场地需要的镜头焦距为4mm，显然，镜头焦距过小，很难选配合适焦距的镜头；

2、若想增加镜头的焦距，可通过选用大尺寸CCD的摄像机和增加摄像机和场地间的距离，但增加摄像机和场地间的距离受限于环境，一般不会大于3米；选用2/3英寸CCD，所需镜头理论焦距在6mm，选用1英寸CCD，所需镜头理论焦距在8.7mm，由于摄像机与场地距离可能小于3m，所以理论焦距还会略小，最终需要选用超广角成像镜头，拍摄的图像畸变过大，给校正带来很大难度，大大降低目标识别的精度；

3、若采用单视觉传感器，由于场地尺寸较大，需要较大的图像分辨率才能保证系统的放大率，即保证目标在图像中的面积便于进行分割识别，若根据5对5系统的放大率，则11对11系统的图像分辨率在1144×728像素，且11对11系统中目标个数较多，因此，每帧图像扫描和目标识别的时间较长，系统的图像采集速度和处理速度都会降低，使得系统的实时性大大减弱。