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南阳理工学院本科生毕业设计（论文）学院（系）：电子与电气工程系专业：自动化学生：李志宏学号：完成日期2010年5月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）RoboCup中型组足球机器人场地自动标定方法的研究与实现StudyandImplementationofFieldAutomaticCalibrationforRoboCupMediumSoccerRobot总计：14页表格：1个插图：19幅RoboCup中型组足球机器人场地自动标定方法的研究与实现南阳理工学院本科毕业设计（论文）RoboCup中型组足球机器人场地自动标定方法的研究与实现StudyandImplementationofFieldAutomaticCalibrationforRoboCupMediumSoccerRobot学院（系）：电子与电气工程系专业：自动化学生姓名：李志宏学号：96106014指导教师（职称）：刘忠超（讲师）评阅教师：完成日期：南阳理工学院NanyangInstituteofTechnologyRoboCup中型组足球机器人场地自动标定方法的研究与实现1RoboCup中型组足球机器人场地自动标定方法的研究与实现自动化专业李志宏[摘要]本课题以RoboCup中型组足球机器人为平台，针对比赛场地采用手动标定，以及仅利用颜色信息识别足球的缺点，设计了场地自动标定和任意颜色足球跟踪的方法。首先在HIS颜色空间对实时采集的动态图像进行颜色分类，然后运用统计学和解析几何学的知识进行足球的识别，并通过依次识别静态图像特殊标志点间的像素实现距离标定。最后，在VC++编程环境下，上位机通过串口控制实现了自制AVR小车对足球的实时跟踪。[关键词]颜色分类；足球识别；距离标定；足球跟踪StudyandImplementationofFieldAutomaticCalibrationforRoboCupMediumSoccerRobotAutomationSpecialtyLIZhi-hongAbstract:BasedonRoboCupmediumscoccerrobot,inviewofthedisadvantageoffieldmanualcalibrationandrecognizescocceronlybycolors,thistopicdesignautomaticcalibrationandanycolorscoccertracking.ThemaincontentisautomaticclassificationofcolorsofdynamicimageinHIScolorspace,usingtheknowledgeofstatisticsandanalyticalgeometrytorecognizescoccer,atthesametime,theautomaticcalibrationofdistanceisachievedbyidentifyingthedistanceamongspecialcalibratingpointsofstaticimage.Finally,undertheenvironmentofVC++,PCcontrolAVR-basedcarisrealizedforscoccertrackingbyserialcommunication.Keywords:Classificationofcolors;scoccerrecognizing;calibrationofdistance；scoccertrackingRoboCup中型组足球机器人场地自动标定方法的研究与实现2目录1引言............................................................................................................................12中型组足球机器人软硬件组成................................................................................12.1中型组足球机器人硬件介绍...........................................................................12.2中型组足球机器人软件介绍...........................................................................23中型组足球机器人场地自动标定.............................................................................23.1中型组足球机器人视频采集...........................................................................33.1.1opencv视频捕捉.........................................................................................33.1.2单帧提取.....................................................................................................43.2中型组足球机器人场地图像处理....................................................................43.2.1颜色自动分类.............................................................................................53.2.2任意颜色球的自动识别.............................................................................63.2.3足球跟踪.....................................................................................................83.2.4距离自动标定...........................................................................................10结束语..........................................................................................................................12参考文献......................................................................................................................13致谢................................................................................................错误!未定义书签。RoboCup中型组足球机器人场地自动标定方法的研究与实现11引言世界范围内研究RoboCup比赛的主要是一些发达国家，还有少数的发展中国家如中国和伊朗。中型组比赛冠军历年来主要被德国和日本瓜分，他们都是最早开始进行中型组比赛的国家。葡萄牙的CAMBADA可以做到传球，这要求整个机器人系统具有足够高的精度，硬件必须精确达到软件所要求的力度。伊朗的MRL可以使用任意颜色的球正常进行比赛。识别任意颜色的球是目前RoboCup中型组比赛的难点。我国对中型组足球机器人研究起步比较晚，和世界顶尖球队还存在着一些差距。为缩小差距，我国每年举办RoboCup中国公开赛。随着国内研究投入力度的加大，以及科研能力的提高，在中型组项目中，陆陆续续有球队闯入世界八强。它们是上海大学、国防科技大学、北京信息科技大学。在比赛规则上也越来越向国际规则靠近。从2008年开始，取消了2对2的中型组比赛，只有6对6的比赛。2009年，机器人摆位不用人为摆位，机器人实现了完全自主定位，球门改成了白色网状球门，足球也采用国际比赛标准球。足球机器人要想在球场上自由运动就必须获取球场上的信息。那就是机器人的球场标定。目前大多数足球机器人采用人工手动标定，这种标定方法不仅耗时较长，识别球能力较弱，受人为操作影响比较大，而且适应性较差，往往在机器人进入另一个场地后，还需要重新标定。针对以上缺点，本课题主要完成以下任务：（1）颜色自动分类。标准足球场地上主要有白线、绿色地毯和橙色的足球。足球机器人在场地上将采集进来的图像转换成HSI空间域，并对绿色、白线和橙色进行自动阈值划分[1]。（2）识别任意颜色球。任意颜色足球识别的一个关键问题就是如何识别圆。识别圆可以根据圆的几何特征来识别。就是求圆心到圆边界上点的距离，然后将其映射到一维图像上，如果在一维图像上这些距离的变化在一个很小的范围，则认为其是一个圆。（3）距离自动标定。距离标定就是将实际的距离与图像像素距离对应起来。本课题采用了依次识别实际一些特殊的标记点来实现距离标定。2中型组足球机器人软硬件组成2.1中型组足球机器人硬件介绍足球机器人硬件由全景摄像头、上位机、DSP运动控制卡、电机和全向轮组成[2]。全景摄像头就像人的眼睛一样，机器人通过全景摄像头来获取外界的球场RoboCup中型组足球机器人场地自动标定方法的研究与实现2的信息。上位机就好像是人的大脑一样，全景摄像头将获取的图像传输给上位机，上位机对采集进来的图像，经过一系列的处理与运算，生成相应的策略，并将这些策略传给下层的DSP控制部分。DSP运动控制卡、电机和全向轮合起来就好像人的腿一样。DSP接受上位机发送的命令并执行相应的程序，控制电机完成比赛规则所要求的动作。2.2中型组足球机器人软件介绍在中型组足球比赛中，参赛方主要编写三部分程序。它们分别是球场标定程序、比赛程序和教练机程序。球场标定程序作为足球机器人比赛的基础，是参赛队员赛前主要使用的程序之一。其主要完成的任务有：球场颜色信息采集、距离标定、指南针标定、确定盘球阈值、标定镜头误差、标定镜头正向误差。教练机程序主要负责连接裁判盒，接受裁判盒发送的命令，然后把这些命令分发给球场上己方的机器人，并且接收场上己方机器人发送过来的信息。在比赛开始时，教练机还起到为球场上己方机器人设置角色机器人的初始位置、进攻方向。在平时训练时，教练机还起到类似教练的作用，指挥机器人完成比赛规则要求的动作。比赛程序就是将全景摄像头采集进来的图像，根据球场标定的结果，进行分析处理符合比赛规则的策略，最后通过串口通信将这些策略传送给下层DSP运动控制器[3]，来完成足球机器人比赛。3中型组足球机器人场地自动标定中型组足球场地是18m*12m大小，场地是绿色地毯和白色边界线组成,如图1所示。本人代表学校参加了2008和2009赛季的RoboCup中型组足球机器人大赛，亲身感受到了在球场上技术不进则退的局面。针对足球场地颜色采用手动标定效率不高，足球识别仅靠颜色和距离标定稳定性不高的缺点,本课题通过VC++程序设计实现了颜色自动分类、任意颜色球识别和距离自动标定[4]。鉴于实验室的条件，本课题，模仿中型组足球机器人，用普通摄像头做视频采集与图像处理，用乒乓球模拟实际足球，用Atmege128单片机开发板搭建两轮差动控制底层模拟下位机运动控制器[5]。本课题研究的内容：视频捕捉与单帧