運動控制概論 - 期末報告

1. 運動控制概論-期末報告 資料來源: 謝銘原教授 研究生：游天龍 題目:彩色影像辨識技術應用於機器人運動控制之研究 南台科技大學 電機工程研究所 碩士學位論文 中華民國九十四年六月 指導教授:王明賢 學生:鄭建達 學號:4972c067 班級:控晶四乙

2. 大綱 • 摘要 • 前言 • 研究動機與目的 • 小型機器足球員之系統描述 • 全域影像辨識系統 • 運動控制系統之設計 • 機器足球員之責任區編制 • 總結

3. 摘要 機器足球員競賽的應用中，機器人的運動狀態可由CCD 攝影機取得球場之全域影像來進行球員辨識、定位及運動控制等設計。其運動策略的規劃，於運動進行時，系統將先依球在球場上的區域位置，決定我方機器員的主體策略；之後系統再根據敵我雙方機器足球員的相對位置，以即時策略執行整合控制，此整體策略係以機動性為主要考量，期達成機器足球員間協同合作的團體運動。

4. 前言 以五對五的小型機器足球員比賽為例，攻守各方隊最多可有五部機器人上場比賽。如何經由全域影像處理來得到這十一個物件的精確位置為系統設計之要點。由於各物件在球場上是動態的，故包含球及機器足球員在內，同時會有十一個物件在球場上，其座標位置隨時都在改變，因此如何針對多機器人進行影像辨識運動控制及策略整合為本文之重點。

5. 研究動機與目的 利用全域影像辨識技術，設計出適應性定位追蹤法，可迅速且精確地求出各物件之位置；同時配合各項運動控制策略，進行多機器人系統之團隊合作、攻擊及協防，可充分增加防守及得分之效率，以達成贏球之目的。

6. 小型機器足球員之系統描述 利用全域CCD Camera擷取比賽場地及各物體的平面物體移動影像後，將影像訊號傳至影像擷取卡，由影像擷取卡轉為數位訊號，再由主電腦接收的圖素陣列格式予以演算，之後依判斷出不同的色塊來辨識出我方球員與敵方球員以及球的世界座標位置，再依其計算的世界座標位置，決定我方球員應採取的動作。其動作指令由主電腦連接的RS-232串列埠傳輸到無限通訊模組（RF）的發射端，依照無線模傳輸串列命令格式，將命令傳到我方球員的接收端，由機器足球員上的晶片分析命令再去執行，達到尋標避障與敵我攻防等動作。

7. 全域影像辨識系統 在進行擷取影像時，由CCD Camera捕捉影像產生NTSC訊號給擷取卡，擷取卡分析NTSC訊號之後給PC電腦上的記憶體儲存數位資料，再經由記憶體傳給VGA圖形顯示卡，VGA圖形顯示卡收到資料後便顯示在電腦螢幕畫面。在連續取像方面，分為動態取像和非動態取像。在動態取像時，影像是直接擷取到顯示記憶區裡。反之，若為非動態取像模式，則影像先被擷取到主系統記憶區中，再被複製到顯示記憶區，唯此法將會造成顯示影像的延遲。一般來說，連續取像（Grab Continue）是動態式，而單張擷取則屬非動態式。

8. 全域影像辨識系統 在連續取像（動態或非動態）結束後，在主系統記憶體或卡上會複製配置影像元件，執行一個動態單張擷取的影像。本文所採用的全域與區域影像辨識過程，均以動態影像的連續取像處理方式進行，所以必須藉由非動態影像中的Double Buffering取像處理，也就是配置兩個記憶區，一個供取像用，而另一個供顯示影像用，並同時做好取像與處理的同步作業。Double buffer 是用兩個緩衝區來儲存顯示的畫面，傳統上只用一個緩衝區來儲存。這樣在顯示其中一個緩衝區畫面時，就可以使用多餘的處理器時間，來處理另一個緩衝區內的畫面。處理完成後，直接將緩衝區切換，而非重新繪製畫面。所以double buffer 可以提升顯示的速度，並避免畫面在重新繪製時會閃爍。

9. 全域影像辨識系統 全域搜尋代表是CCD Camera對於整個世界座標的場地作整張畫面擷取的動作，當全域搜尋之後得到整個球場上的球、五隻我方機器足球員以及五隻敵方機器足球員的位置之後，計算其中心點，接下來所得到的五隻我方機器人的中心點做區域鄰近搜尋，主要目的是在判別車頭方向以及車號。機器足球員機身頂部共有三種色塊，當擷取足球場上每個物件的色塊特徵時，先區分其機器足球員之確切位置，其影像的首要特徵於機器足球員的藍色為主要的目標色塊，因為置於機器人之中心點並且代表其隊伍之顏色；當我們首先搜尋到有藍色點後並記下各色塊之第一點為ith_point，並且作小區塊搜尋，如圖中紅色框所示，若區塊中搜尋的藍色圖素之總數超過一定的閥值之後，再確定藍色色塊之間是否大於最小距離(Mini_dis)，若超過了最小距離便確立了此色塊的位置，也就是確立兩隻或以上的機器人之存在。

10. 運動控制系統之設計 設計一個模糊規則庫來使機器足球員於運動中之軌跡更加平滑且流暢，在此規則庫中，設計其模糊輸入變數為目標點與機器人之間的距離為d，且目標點與機器人之間與水平的夾角為φ，再設定其左右輪馬達的轉速為模糊輸出變數。其中使用重心解模糊化法(Center of Gravity Defuzzification)計算馬達的轉速，當機器足球員與目標之距離為正的最大值為PB，且與水平之間的夾角為負的最大值為NB時，左輪工作時脈採中速為0.5也就是M，右輪工作時脈採最快速度為1也就是VF；因此，機器足球員將會往左邊的方向作目標定位之動作，並依各種情況根據此模糊規則庫為運動控制之依據。

11. 運動控制系統之設計 設計之機器足球員捨棄了射門機構，而在ROBOT前後加了6ｍｍ的壓克力板，用來直接撞擊球至射門方向。一般有射門機構的ROBOT射門時，若球正好在ROBOT的後方，則必須將車頭轉向之後，方可進行射門動作，若採用本文設計之機構並採用雙面移動之策略，則無須考量車頭方向，以最少的偏轉角度使車頭進行移動及射門，可發揮雙輪自走車之最大效率。雙面移動控制法則，令θrx=A，θrb=B，根據機器足球員偏向之象限以及球與機器足球員之間的關係，針對每一種情況作判斷式，可計算每種情況必須偏轉之角度和動作。

12. 運動控制系統之設計 機器足球員運動策略之避障模式，其中θa與θb互為補角，θc與θb及θc與θd亦互為補角，故可得θa=θc及θb=θd。取一適當距離k，定義左方避障點( , ) L L X Y 為（hr.x+ksinθc , hr.y-kcosθc），右方避障點( , ) R R X Y 為（hr.x-ksinθc ,hr.y+kcosθc），避障成立之條件為我方機器足球員之中心與球中心連線與水平線夾角正負30°內，若有敵方機器足球員，則繼續判斷我方機器足球員與球的距離r是否大於我方機器足球員與他方機器足球員之距離t，若此二條件皆成立，便算出其避障點。若有多台敵方機器足球員皆成立時，便先刪除在邊界線外的避障點，再比較出與球最近的避障點，距離最近的避障點即為所要執行的避障點。 機器足球員之防守模式，如圖3.31所示，其中θa為球和敵方機器足球員與x軸之間的夾角。當θb為防守點和球與x軸之間的夾角，θb等於θa時，便找一段適合距離k（防守點至球中心點之間的距離），若敵方機器足球員的y值大於球的y值則防守點( , ) D D X Y 為（ball.x-kcosθb， ball.y-ksinθb）若敵方機器足球員之y值小於球的y值則防守點( , ) D D X Y 為（ball.x-ksinθb， ball.y+kcosθb）防守條件為球在防守半場內，我方機器足球員與球的距離大於敵方機器足球員與球之距離

13. 機器足球員之責任區編制 足球之責任區編制，在策略上，分為主體策略及即時策略。於運動進行中，控制系統將先依據球所在球場的區域位置，決定各機器足球員的主體策略；之後再根據敵方機器足球員的相對位置，以即時策略對各機器足球員進行整合控制，以機動性為要求，達成機器足球員間協同合作的團體運動。 此外，於比賽進行中，當球到前半場並不在邊界時，前鋒移動到目標區作射門的動作，當球到了前半場但是在邊界區時，這時候前鋒直接往球的方向前進，並利用掃球的方式將球掃離邊界，製造更多的進攻機會。首先本文定義了4條邊線易於掃球，位置在由上下左右四個球場邊界量起，減掉1個車身距離的範圍。若球的座標在此4條邊線外的區域，則認定為需要執行邊界掃球的工作。 由於進攻的球門方向只有一個，所以當足球員比球更靠近球門時 （亦即足球員位在球跟球門之間），程式必需調整足球員的位置，使其進攻方向正確，這個動作稱之為迴球。在全域影像技術應用的機器足球員競賽中，每隻球員都有各擁有的責任區；在場地中，一號和四號為前鋒，當球進入他們的責任區內時，將會依照球與球門中心點的兩條垂直線來射門，將不會用射門的位置作定點的動作，因為那樣反而更花時間，本文講求速度和效率所以用此方法達成。

14. 機器足球員之責任區編制 三號為中鋒，球若跑到我方區域則負責將球踢至攻方，另一個功能則是抵擋球以免球往我方區域移動；二號為後衛，負責將球踢至中心點讓三號機器足球員踢至敵方。 最後只有兩個辨識色塊的為守門員，它根據球的Y軸來移動方向，依此可以防止敵方得分，在這裡守門員跟二號機器足球員會做協調部分，如果守門員被牽制住無法移動時，二號機器足球員將會做角色對調為守門員來防止敵方得分。

15. 總結 以全域影像辨識方法應用於機器足球員之運動控制，採用RGB色彩空間模型即時性之優勢，加上跳點搜尋法，使得機器足球員競賽之影像定位辨別發揮最高效率。除了在影像外，本文提出雙面移動控制法則融入機器足球員運動控制的策略設計，使所提架構沒有射門機構的缺點變為優點，因機器足球員的移動能力在攻擊及防守等運動控制上實為重要因素之一。在機器足球員競賽的即時策略上，本文提出邊界處理、射門攻擊、避障模式、防守模式、守門員防守模式等等五種即時策略，達成尋標避障與敵我攻防等動作。