1.2 自定位
在RoboCup 比賽中， 移動(dòng)機(jī)器人自定位是指機(jī) 器人確定其在比賽場(chǎng)中的全局坐標(biāo)和姿態(tài)(前進(jìn)方 向與假定坐標(biāo)軸的夾角)。 機(jī)器人球員的決策很大程 度上取決于其在場(chǎng)上的位置， 因此自定位的成功與 否直接決定了機(jī)器人能否有效地完成賦予它的任 務(wù)。 由于機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)打滑、制造誤差等原因， 其 自身攜帶的基于碼盤的里程儀無(wú)法提供精確的位置 信息， 必須依靠機(jī)器人的外部傳感器進(jìn)行環(huán)境的感 知和特征匹配， 以實(shí)現(xiàn)較高精度的定位。 但無(wú)論是里 程儀還是其他傳感器， 在快速變化的比賽現(xiàn)場(chǎng)獲得 的數(shù)據(jù)都具有高度的不確定性， 如何在這些不確定 信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行推理、判斷， 始終是困擾移動(dòng)機(jī)器 人的一個(gè)主要難題， 在機(jī)器人足球比賽中更是十分突出。
目前， 足球機(jī)器人定位主要采用視覺(jué)、超聲、紅外和激光等傳感器。 常用的方法有兩類：一類是通過(guò)識(shí)別標(biāo)志來(lái)自定位；另一類是通過(guò)多傳感器信息匹 配來(lái)自定位。
第1 類方法需要用視覺(jué)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 它的基本原理 是將視覺(jué)的輸入信息與事先定義的標(biāo)志的顏色特征 相比較，通過(guò)計(jì)算與已知標(biāo)志位置的相對(duì)位置關(guān)系 來(lái)推算出機(jī)器人自身的全場(chǎng)絕對(duì)坐標(biāo)。 例如，意大利 ART 隊(duì)的守門員通過(guò)視覺(jué)來(lái)實(shí)現(xiàn)自定位。 它使用兩 個(gè)攝像頭， 可分別獲得守門員左右兩邊罰球區(qū)的邊 線信息，通過(guò)幾何計(jì)算，機(jī)器人可以確定自身的位置。 但是，機(jī)器人在足球場(chǎng)上經(jīng)常處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，視覺(jué)信息中的噪聲很大，這樣，對(duì)視覺(jué)定位的抗干擾能 力提出了很高的要求。
第2 類方法的基本原理是將包括視覺(jué)的多種傳 感器的感知進(jìn)行信息融合，來(lái)克服單一傳感器解決 不確定性信息的弱點(diǎn)，提高機(jī)器人的定位準(zhǔn)確性。例如，德國(guó)弗賴堡大學(xué)隊(duì)就采用此方法。首先，機(jī)器人從激光掃描儀得到的信息中提取直線段信息， 將此 信息與事先建好的球場(chǎng)模型相匹配來(lái)確定場(chǎng)地的邊界。然后，結(jié)合里程儀的信息，通過(guò)卡爾曼濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合， 最終得到了機(jī)器人準(zhǔn)確的全局位置 信息。 Iocch i[ 4 ]提出了一種比較通用的方法， 即機(jī)器 人利用傳感器(視覺(jué)、聲納或激光) 提供的距離信息，通過(guò)霍夫變換提取出直線信息，然后將這些直線信 息與已知的RoboCup 比賽的環(huán)境模型相比較來(lái)確 定機(jī)器人的方位。
目前，機(jī)器人自定位的發(fā)展方向是在保持精確 性的前提下提高快速性和魯棒性，通過(guò)協(xié)作式定位來(lái)糾正已有的錯(cuò)誤定位也是一個(gè)值得注意的方向。
1.3 實(shí)時(shí)視覺(jué)
在RoboCup 的比賽環(huán)境中， 大部分的物體都是 通過(guò)顏色來(lái)區(qū)分的， 因此大多數(shù)的球隊(duì)利用視覺(jué)來(lái) 識(shí)別物體， 進(jìn)而標(biāo)定位置。 但是， 動(dòng)態(tài)比賽環(huán)境對(duì)視 覺(jué)的處理提出了很大的挑戰(zhàn)。 一方面， 視覺(jué)的信息量 比較大， 而且動(dòng)態(tài)的比賽環(huán)境使得視覺(jué)信息中含有 很大的噪聲， 再加上場(chǎng)上的物體之間會(huì)相互遮擋， 造 成顏色之間的干擾。 另一方面， 在激烈的比賽中， 機(jī) 器人必須在很短的時(shí)間內(nèi)(一般為100 m s) 做出決 策。 因此， 實(shí)時(shí)的視覺(jué)處理是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的技術(shù)。 常用的視覺(jué)傳感器大致可以分為： 全局視覺(jué)、單個(gè)攝 像機(jī)視覺(jué)、雙攝像機(jī)視覺(jué)(立體視覺(jué)) 和全方位視覺(jué) 系統(tǒng)。
全局視覺(jué)系統(tǒng)是指采用全局靜態(tài)彩色攝像機(jī)作為外部傳感器， 并對(duì)移動(dòng)機(jī)器人附加著色標(biāo)記， 通過(guò)識(shí)別唯一的顏色特征完成定位。 此法雖然簡(jiǎn)單， 但不符合中型組比賽的要求， 只能用于小型組的比賽中。 單個(gè)攝像機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)的幾何特性相對(duì)簡(jiǎn)單， 如果不 考慮鏡頭所引起的圖像畸變， 就可以把該模型簡(jiǎn)化為理想針孔式模型(透視投影) ， 如圖3 所示。這種模 型被大多數(shù)參賽隊(duì)所采用。 例如， 德國(guó)弗賴堡大學(xué)隊(duì) 的機(jī)器人使用單個(gè)攝像機(jī)來(lái)識(shí)別球的顏色， 它先粗 略地對(duì)球的位置進(jìn)行標(biāo)定， 然后通過(guò)多個(gè)機(jī)器人對(duì) 球的標(biāo)定來(lái)校正球的位置。 雙攝像機(jī)視覺(jué)模型主要 是用于獲得物體的深度信息， 但它需要對(duì)圖像進(jìn)行 融合， 占用的處理時(shí)間較多， 而且在中型組比賽中并 不是很有用， 因此很少有參賽隊(duì)采用。 全方位視覺(jué)傳 感器系統(tǒng)是采用反射鏡反射全方位環(huán)境， 然后輸入到單鏡頭攝像機(jī)進(jìn)行處理。 它的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得全 方位的視覺(jué)信息。 例如， 機(jī)器人可以同時(shí)看到球和球 門， 因此這種視覺(jué)傳感器系統(tǒng)為很多參賽隊(duì)采用。 例 如， 意大利ART 隊(duì)和日本大阪大學(xué)隊(duì)都自行設(shè)計(jì) 了全方位視覺(jué)傳感器系統(tǒng)。