基于機(jī)器人足球平臺(tái)的工程訓(xùn)練研究

陳雯柏， 吳細(xì)寶， 許曉飛

(北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 北京 100192)

·實(shí)習(xí)與實(shí)訓(xùn)·

基于機(jī)器人足球平臺(tái)的工程訓(xùn)練研究

陳雯柏， 吳細(xì)寶， 許曉飛

(北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 北京 100192)

為提高工科自動(dòng)化類相關(guān)專業(yè)學(xué)生的工程“綜合、實(shí)踐”能力，基于工程型人才的素質(zhì)與能力要求，提出以機(jī)器人足球競(jìng)賽為平臺(tái)的多學(xué)科工程綜合與創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方案。首先介紹了機(jī)器人足球競(jìng)賽的相關(guān)背景，然后從本科階段工科教育模擬“解決復(fù)雜工程問(wèn)題”的角度，構(gòu)建了符合“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行”理念的基于機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)的工程訓(xùn)練方案，最后對(duì)系統(tǒng)方案中關(guān)鍵技術(shù)與訓(xùn)練內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)分析與討論。機(jī)器人足球工程訓(xùn)練活動(dòng)的開(kāi)展，有利于本科學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力的提高。

機(jī)器人足球； 創(chuàng)新實(shí)踐； 工程訓(xùn)練； 工程科技人才培養(yǎng)

0 引 言

為推進(jìn)工程教育改革，促進(jìn)教育界與工業(yè)界之聯(lián)系，2006年教育部正式啟動(dòng)了工程教育專業(yè)認(rèn)證試點(diǎn)工作[1-2]。2008年5月，“中國(guó)CDIO工程教育模式研究與實(shí)踐”課題組，開(kāi)始組織開(kāi)展CDIO工程教育模式的研究與探索。2010年6月，教育部啟動(dòng)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”重大改革。2012年，“中國(guó)工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì)”獲得教育部支持，按照華盛頓協(xié)議要求，開(kāi)展工程教育認(rèn)證工作[3-4]。相關(guān)改革工作正是解決學(xué)生的工程實(shí)際訓(xùn)練較少的實(shí)際問(wèn)題，提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量[5-8]。

機(jī)器人足球賽涉及傳感、通訊、人工智能、機(jī)器人學(xué)等諸多領(lǐng)域前沿技術(shù)，是高技術(shù)的對(duì)抗賽[9-10]。本文基于工程型人才的素質(zhì)與能力要求，從模擬“解決復(fù)雜工程問(wèn)題”的角度，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了符合“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行”理念的基于機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)的多學(xué)科工程綜合與創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方案。

1 工程型人才培養(yǎng)

1.1 工程型人才的素質(zhì)與能力要求

華盛頓協(xié)議對(duì)工程類本科生的能力要求主要有以下幾方面[7]：①在系統(tǒng)、工藝和機(jī)器的設(shè)計(jì)、操作和改進(jìn)過(guò)程中，能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程技術(shù)知識(shí)。②發(fā)現(xiàn)并解決復(fù)雜工程問(wèn)題。③了解并解決環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)與工程相關(guān)的問(wèn)題。④具有有效溝通能力。⑤能夠接受終身學(xué)習(xí)并促進(jìn)職業(yè)發(fā)展。⑥遵守工程職業(yè)道德。⑦能夠在當(dāng)今社會(huì)中發(fā)揮作用。2013年在韓國(guó)舉行的國(guó)際工程大會(huì)上，我國(guó)加入《華盛頓協(xié)議》。2015年，中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)發(fā)布了《工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)學(xué)生提出的基本要求[8]。

1.2 工程訓(xùn)練

1.2.1 “復(fù)雜工程問(wèn)題”特征

參照《華盛頓協(xié)議》要求，詳細(xì)界定“復(fù)雜工程問(wèn)題”必須具備下述特征①，同時(shí)具備下述特征②～⑦的部分或全部[8,11-12]：①基于深入原理。必須運(yùn)用深入的工程原理經(jīng)過(guò)分析才可能得到解決。②協(xié)同攻關(guān)。需求涉及多方面的技術(shù)與工程因素，并可能相互有一定沖突。③建模求解。需要通過(guò)建立合適的抽象模型才能解決，在建模過(guò)程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性。④需新方法和現(xiàn)代工具不是僅靠常用方法就可以完全解決的。⑤不確定與創(chuàng)新思維。問(wèn)題中涉及的因素可能沒(méi)有完全包含在專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中。⑥利益沖突。問(wèn)題相關(guān)各方利益不完全一致。⑦綜合性。具有較高的綜合性，包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問(wèn)題。

1.2.2 “解決復(fù)雜工程問(wèn)題”與工程屬性“綜合、實(shí)踐、創(chuàng)新”的關(guān)系

工程教育專業(yè)認(rèn)證的畢業(yè)要求是對(duì)原有“科學(xué)教育”烙印的課程體系提出了挑戰(zhàn)，融合理論課程與試驗(yàn)課程以及實(shí)踐環(huán)節(jié)是必然趨勢(shì)。本科階段工科教育要求以模擬“解決復(fù)雜工程問(wèn)題”為載體，根據(jù)成果反向設(shè)計(jì)理念，按照核心能力，以現(xiàn)代實(shí)際、成熟的復(fù)雜工程問(wèn)題研發(fā)過(guò)程典型化為載體，轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)化、可操作的教學(xué)過(guò)程，其重點(diǎn)是“綜合、實(shí)踐”?！皠?chuàng)新源于實(shí)踐”，培養(yǎng)工程“綜合、實(shí)踐”能力是本科階段畢業(yè)生具有創(chuàng)新意識(shí)的基礎(chǔ)。

2 機(jī)器人足球

1992年，加拿大大不列顛哥倫比亞大學(xué)An Mackworth教授首次提出機(jī)器人足球的概念，旨在通過(guò)機(jī)器人足球比賽，為人工智能和智能科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展提供一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。表1、表2分別列出了目前最為主流的兩大機(jī)器人世界杯比賽的機(jī)器人足球比賽項(xiàng)目信息。圖1所示為足球機(jī)器人比賽場(chǎng)景示意圖。

表1 FIRA比賽項(xiàng)目的設(shè)置

表2 RoboCup比賽項(xiàng)目的設(shè)置

圖1 足球機(jī)器人比賽場(chǎng)景示意圖

3 基于MiroSot機(jī)器人足球的工程綜合與創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

MiroSot比賽系統(tǒng)的硬件平臺(tái)具體可分為機(jī)器人小車、視覺(jué)、決策和無(wú)線通訊4個(gè)子系統(tǒng)[13-14]。

3.1 MiroSot創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練方案

機(jī)器人足球目標(biāo)任務(wù)是通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)獲得小球坐標(biāo)、小車編號(hào)、位姿等信息，通過(guò)決策系統(tǒng)得到小車動(dòng)作任務(wù)，最后由通信系統(tǒng)發(fā)出小車控制指令。可見(jiàn)，機(jī)器人足球是涉及機(jī)械、模式識(shí)別、信號(hào)處理、電路設(shè)計(jì)等多方面理論技術(shù)的多學(xué)科綜合，是一個(gè)理想的解決復(fù)雜工程問(wèn)題的訓(xùn)練平臺(tái)?；贛iroSot機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)的工程綜合與創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練方案見(jiàn)圖2。

圖2 MiroSot工程綜合與創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練方案

由圖2可見(jiàn)，系統(tǒng)涉及了人工智能、機(jī)器人學(xué)、通信、傳感、精密機(jī)械等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)。訓(xùn)練方案基于“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行”理念，從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施到運(yùn)行環(huán)環(huán)相扣，緊密聯(lián)系，充分做到了讓學(xué)生“學(xué)中做、學(xué)中思、做中學(xué)、做中思”。這種CDIO以構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施及運(yùn)作全過(guò)程為載體培養(yǎng)的工程能力，不僅包含個(gè)人的學(xué)術(shù)知識(shí)，還包含終生學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)交流能力和大系統(tǒng)掌控能力[15-16]。

3.2 MiroSot創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練方案的復(fù)雜工程性特征分析

(1) 必須運(yùn)用深入的工程原理經(jīng)過(guò)分析才可能得到解決。根據(jù)機(jī)器人足球的目標(biāo)任務(wù)，攝像頭需要獲取場(chǎng)上實(shí)時(shí)情況，決策系統(tǒng)需要分析得到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指令，機(jī)器人需要通過(guò)追球、帶球，進(jìn)而完成進(jìn)球任務(wù)。

① 機(jī)械與電路方面。進(jìn)球不僅與決策算法有關(guān)還與小車的性能有著很大的關(guān)系，在機(jī)械結(jié)構(gòu)以及小車動(dòng)力系統(tǒng)上的改進(jìn)有利于贏得比賽。信號(hào)的收發(fā)、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制都必須有電路為支撐。

② 位姿識(shí)別方面。小車編號(hào)及位姿識(shí)別、對(duì)方小車位姿識(shí)別以及小球位置的識(shí)別，精準(zhǔn)的位姿識(shí)別是比賽的前提。

③ 控制與決策方面。為實(shí)現(xiàn)指定的目標(biāo)，運(yùn)用路徑規(guī)劃得到小車的運(yùn)動(dòng)控制指令，路徑規(guī)劃必須清楚認(rèn)識(shí)場(chǎng)地實(shí)時(shí)組合特征才能設(shè)計(jì)合理的控制方案。決策算法在精準(zhǔn)識(shí)別的基礎(chǔ)上，分析場(chǎng)上態(tài)勢(shì)得到各個(gè)小車動(dòng)作目標(biāo)。

④ 使用現(xiàn)代工具方面。機(jī)器人足球競(jìng)賽是一個(gè)跨學(xué)科的工程設(shè)計(jì)競(jìng)賽，需要團(tuán)隊(duì)掌握多種電路設(shè)計(jì)、圖像處理、程序開(kāi)發(fā)等多種現(xiàn)代工具。

(2) 需要涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突。

① 綜合性。比賽系統(tǒng)涉及模式識(shí)別、信號(hào)處理、路徑規(guī)劃、電路設(shè)計(jì)等多方面的理論技術(shù)，具體需要考慮比賽場(chǎng)地光學(xué)環(huán)境競(jìng)對(duì)識(shí)別算法的影響、穩(wěn)定性、適應(yīng)性等多方面的技術(shù)、工程和其它因素。

② 沖突性。精準(zhǔn)識(shí)別與系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，運(yùn)動(dòng)速度和穩(wěn)定性等問(wèn)題均有一定沖突。

(3) 需要建立合適的抽象模型才能解決，在建模過(guò)程中需要體現(xiàn)創(chuàng)造性。小車位姿識(shí)別的過(guò)程中，也有明顯的建模問(wèn)題，模式識(shí)別問(wèn)題等；系統(tǒng)決策也是在建模的基礎(chǔ)上完成的；運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程本身就是一個(gè)基于模型的控制過(guò)程。

(4) 不是僅靠常用方法就可以解決的。在識(shí)別過(guò)程中，由于場(chǎng)地光線的影響沒(méi)有通用的圖像預(yù)處理參數(shù)能夠適應(yīng)所有情況，必須在比賽前大量采樣場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)才能降低誤識(shí)別率。好的決策算法能夠大大提高系統(tǒng)效率，是贏得比賽的關(guān)鍵因素。但決策算法是在分析場(chǎng)上態(tài)勢(shì)，根據(jù)人的先驗(yàn)知識(shí)得到的，并沒(méi)有通用的解決辦法。

(5) 問(wèn)題中涉及的因素可能沒(méi)有完全包含在專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中。線性系統(tǒng)是理想條件下的控制問(wèn)題。而對(duì)于機(jī)器人小車的控制，存在各種類型的非線性。圖像處理需要解決如何適應(yīng)環(huán)境光線變化等問(wèn)題。這些都需要能夠靈活應(yīng)用相關(guān)基本知識(shí)原理，閱讀大量學(xué)術(shù)文獻(xiàn)予以考慮。

(6) 具有較高的綜合性，包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問(wèn)題。機(jī)器人小車系統(tǒng)是控制單元、速度檢測(cè)單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元等不同單元的關(guān)聯(lián)綜合，各個(gè)單元的協(xié)調(diào)配合是精確控制小車的前提，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)全面考慮相互關(guān)聯(lián)的子問(wèn)題。

4 MiroSot創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練內(nèi)容

4.1 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖3所示，MiroSot足球機(jī)器人小車采用兩輪差動(dòng)式運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，幾何尺寸為7.5 cm×7.5 cm×7.5 cm，電機(jī)采用Series 2224U006SR，質(zhì)量小于550 g。在MiroSot系統(tǒng)中，機(jī)器人的基本動(dòng)作主要包括跑位到定點(diǎn)、轉(zhuǎn)到定角、原地轉(zhuǎn)動(dòng)等。從控制的角度來(lái)看就是不斷減小機(jī)器人當(dāng)前位置、角度與目標(biāo)位置、角度的差值，從而使機(jī)器人快速地完成任務(wù)。

圖3 MiroSot足球機(jī)器人

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括CPU控制單元、電機(jī)速度檢測(cè)單元與電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元等模塊，完成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制電路板如圖4所示。

圖4 控制板平面布置圖

4.2 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，主機(jī)通信程序向無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射器給出機(jī)器人左右輪速度指令，無(wú)線數(shù)據(jù)接收器解碼獲得左右輪速度等機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)。通信系統(tǒng)采用廣播方式，每個(gè)控制周期內(nèi)發(fā)射一幀數(shù)據(jù)，各機(jī)器人根據(jù)自身編號(hào)讀取數(shù)據(jù)幀的不同字段，獲得運(yùn)動(dòng)指令。

圖5 無(wú)線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

4.3 視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

足球機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)主要有圖像獲取、預(yù)處理和圖像處理3部分，如圖6所示。

圖6 視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖像處理包括圖像分割和目標(biāo)識(shí)別，它是整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)的核心。足球機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別機(jī)器人頂部不同色標(biāo)(由隊(duì)標(biāo)、隊(duì)員標(biāo)組成)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙方機(jī)器人與球的識(shí)別。識(shí)別過(guò)程包括：目標(biāo)采樣與顏色分析、圖像分割等步驟[13-14]。識(shí)別出己方隊(duì)員后進(jìn)一步進(jìn)行處理得到各機(jī)器人的編號(hào)以及位姿信息。色標(biāo)與各足球機(jī)器人一一對(duì)應(yīng)，用來(lái)區(qū)分不同足球機(jī)器人；位姿識(shí)別通過(guò)計(jì)算隊(duì)標(biāo)與初始設(shè)定坐標(biāo)軸之間的夾角來(lái)實(shí)現(xiàn)。

MiroSot視覺(jué)處理算法流程如圖7所示。

圖7 視覺(jué)算法流程圖

4.4 決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)雙方機(jī)器人位姿信息、球的信息，決策系統(tǒng)需要分析攻防態(tài)勢(shì)，然后進(jìn)行任務(wù)分解、角色分配，給出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)可分為協(xié)調(diào)層、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃層與基本動(dòng)作層。協(xié)調(diào)層著眼于機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)組織，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃層重在將協(xié)調(diào)層意圖分解為各個(gè)機(jī)器人的目標(biāo)。決策系統(tǒng)需要考慮球的位置、運(yùn)動(dòng)方向及機(jī)器人的位置、姿態(tài)4個(gè)關(guān)鍵因素。

5 結(jié) 語(yǔ)

機(jī)器人足球的工程訓(xùn)練方案符合“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行”理念。項(xiàng)目的完成需要多名學(xué)生組成跨學(xué)科的團(tuán)隊(duì)并進(jìn)行協(xié)作，需要同學(xué)們就最終目標(biāo)的達(dá)成進(jìn)行有效溝通和交流。如參加國(guó)際比賽，還要求在跨文化背景下進(jìn)行溝通和交流。學(xué)生通過(guò)競(jìng)賽享受到自主學(xué)習(xí)的快樂(lè)，具有持之以恒為學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力?；跈C(jī)器人足球的工程訓(xùn)練方案的開(kāi)展有利于應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，有利于本科學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力的提高。

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Engineering Training Based on Robot Soccer

CHENWenbai,WUXibao,XUXiaofei

(School of Automation, Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192, China)

In order to improve practice ability and compound quality of students majored in automation，a multidisciplinary engineering comprehensive and innovative teaching scheme based on robot soccer competition platform is proposed. Firstly, the background of robot soccer competition is introduced, then engineering training plan which matches the concept of CDIO based on robot soccer competition system is built to improve the ability of “solving complex engineering problems” for undergraduates. Finally, The key technologies and the training Content in the scheme are analyzed and discussed in detail. Practice shows that the robot soccer training activities are benefit to improve undergraduate students' engineering innovation and practice ability.

robot soccer; innovative practice; engineering training; engineering talents training

2016-05-20

北京市教師教學(xué)促進(jìn)-雙培計(jì)劃虛擬教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)PXM2016_014224_000048；北京市屬高等學(xué)校青年拔尖人才培育計(jì)劃CIT&TCD201404125；北京信息科技大學(xué)2014年教學(xué)改革立項(xiàng)項(xiàng)目2014JG08

陳雯柏(1975-),男，四川廣安人，博士，副教授，中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)理事、機(jī)器人文化藝術(shù)專業(yè)委員會(huì)副主任委員、青年工作委員會(huì)副主任委員，，北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院副院長(zhǎng)，從事人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、智能機(jī)器人方面的教學(xué)與科研。

Tel.:010-82427155；E-mail:chenwb@bistu.edu.cn

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1006-7167(2017)05-0228-04