CN110618682B - 一种集控式足球机器人色标结构及其识别方法 - Google Patents

一种集控式足球机器人色标结构及其识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种集控式足球机器人色标结构设计，包括色标主体，色标主体分为矩形区域A、直角三角形区域B、直角三角形区域C、直角三角形区域D以及剩下的其余区域，矩形区域A为机器人小车的队标，位于色标主体正中，长轴方向为机器人正方向顺时针旋转45°所指的方向，直角三角形区域B和直角三角形区域C分别位于矩形区域A的左下方和左上方，直角三角形区域D位于矩形区域A的右方。本发明还公开了其识别算法。本发明提供的一种集控式足球机器人色标结构设计及其识别算法，能够解决机器人小车碰撞时边界处色块的粘连问题、不同光照环境下色块扩散造成的混色问题以及色标中各颜色区域之间的干扰等问题，提高视觉***识别的实时性、准确性。

Description

一种集控式足球机器人色标结构及其识别方法
技术领域
本发明涉及一种集控式足球机器人色标结构及其识别方法，属于机器视觉技术领域。
背景技术
近年来，随着人工智能领域的快速发展，国际上许多著名的研究机构和组织都对其开展了各式各样的研究。早在1992年，加拿大大不列颠哥伦比亚大学教授AlanMackworth在国际人工智能会议上首次提出机器人足球的概念，目的是通过机器人足球比赛为人工智能学科的发展提供一个具有挑战性的课题。目前，国际上最具影响力的主要有FIRA和RoboCup两个系列的足球机器人比赛，集趣味性、观赏性、智能化为一体，反映了参赛国家的信息与自动化研究水平。
FIRA MiroSot足球机器人***以集中控制为主要形式，集控式足球机器人***主要由控制子***、视觉子***、通信子***、策略子***组成，涉及到机械结构和自动化控制、图像处理、无线通信与多目标路径规划等多个技术领域。集控式足球机器人***通过视觉子***获取场上机器人的位姿和队号，将信息传输至决策子***对场上的形势进行判断，随后对场上机器人做出战略规划，将任务分配至每个机器人，并通过通信子***将动作指令由上位机传输至下位机，机器人对动作指令进行相应，驱动本体执行具体的运动，至此完成了一次循环。
视觉子***作为决策子***的前提，必须保证其实时性、准确性和抗干扰性。色标作为视觉子***识别和处理的对象，包含了机器人小车的位置、角度和车号信息，色标的设计对于图像识别至关重要。现有技术中，小车碰撞时边界色块的粘连问题、不同光照环境下色块扩散造成的混色问题以及色标中各颜色区域之间的干扰等问题还不能得到有效解决。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种能够解决机器人小车碰撞时边界处色块的粘连问题、不同光照环境下色块扩散造成的混色问题以及色标中各颜色区域之间的干扰等问题，提高视觉***识别的实时性、准确性的集控式足球机器人色标结构及其识别方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种集控式足球机器人色标结构，包括色标主体，所述色标主体分为矩形区域A、直角三角形区域B、直角三角形区域C、直角三角形区域D以及剩下的其余区域，所述矩形区域A为机器人小车的队标，位于所述色标主体正中，长轴方向为机器人正方向顺时针旋转45°所指的方向，所述直角三角形区域B和直角三角形区域C分别位于所述矩形区域A的左下方和左上方，所述直角三角形区域D位于所述矩形区域A的右方，所述直角三角形区域B的斜边与所述色标主体的左边平行，所述直角三角形区域C的斜边与所述色标主体的前边平行，所述直角三角形区域D的两直角边分别与所述色标主体的右边和后边平行。
所述直角三角形区域B、直角三角形区域C和直角三角形区域D总的填充颜色不超过两种且与所述矩形区域A的填充颜色不同。
两个相邻的所述矩形区域A、直角三角形区域B、直角三角形区域C和直角三角形区域D之间边界间隔2mm。
所述矩形区域A的填充颜色包括黄色或蓝色。
所述色标主体的尺寸为7.5cm×7.5cm。
一种集控式足球机器人色标结构识别方法，包括以下步骤：
S01，根据直角三角形区域B、直角三角形区域C、直角三角形区域D的填充颜色不同将机器人小车进行编码；
S02，确定机器人位置，对视觉传感器采集的图像进行分割，按规定步长进行间隔扫描，搜索队标种子点并采用区域生长法分割队标区域，统计区域内像素块个数N和坐标(xi,yi)，队标的中心坐标根据重心法求取：
Figure GDA0003824652120000031
Figure GDA0003824652120000032
队标的中心(xp,yp)即机器人小车中心，从而确定了机器人小车所处位置；
S03，确定机器人正方向，根据获取的队标像素点坐标，通过拟合得到队标长轴的斜率k，得到队标的倾斜角θ，其中0≤θ<180°，长轴的斜率k的计算方式如下：
k＝b/(a-c) (3)
其中，
Figure GDA0003824652120000033
Figure GDA0003824652120000034
Figure GDA0003824652120000035
队标的倾斜角θ的计算方式如下：
Figure GDA0003824652120000036
队标在场地中的倾斜方向和k值正负决定了(7)式中的正负号，以队标中心为原点，倾斜角θ为y轴倾斜角，变换图像坐标系；
根据队标的正方向右侧颜色唯一这一条件进一步确定机器人小车的正方向，由矩形区域A左下、左上、右下右上、三角形区域1～4的顶点确定三角形窗口扫描像素范围，根据颜色阈值判断扫描范围内的每个像素颜色，某一相同颜色像素个数超过扫描像素总数的50％则判定该区域的颜色为当前识别的像素颜色，当矩形一侧的两三角形1、2或者3、4颜色相同时，颜色相同的一侧为队标正方向右侧，其中优先判断相同颜色是否为背景色，若不是，再判断是否为其他颜色；
S04、确定机器人小车车号，位置信息获取后，队标正方向右侧的区域即为三角形区域D，且区域D的颜色在S03中已确定，再根据S03中的方法确定三角形区域B、C位置并判断区域颜色，将三角形区域1～4的颜色对应转换到三角形区域B～D，根据S01的编码情况判断机器人小车车号。
本发明的有益效果：本发明提供一种集控式足球机器人色标结构及其识别方法，采用的斜45°矩形队标设计能够有效避免小车碰撞时色标相接处色块的粘连情况，两种颜色组合的三角形队员标志能够区分11个机器人，需要区分的颜色少，能够提高识别的阈值。同时，不同颜色区域之间保留2mm间隔，减少了混色情况的出现。本发明提供的识别方法基于新色标设计，简化了粘连、混色问题的处理和车号的识别，提高了识别过程的准确性和实时性。
附图说明
图1为本发明色标设计方案示意图；
图2为比赛碰撞过程中色标的几种粘连情况示意；
图3为本发明1～11机器人小车色标设计方案的示意图；
图4为本发明变换后图像坐标系示意。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种集控式足球机器人色标结构及其识别方法，色标的设计参考FIRA小型组比赛规则针对色标的要求：机器人的顶部不得涂桔黄色，由赛事组织者分配的黄色或蓝色色标用于标识机器人队别。每个机器人的尺寸被限定为7.5cm×7.5cm×7.5cm，所有机器人必须至少有一个3.5cm×3.5cm的实心区域用于贴黄色或蓝色的队标，机器人不得使用任何与对方球队所用颜色相同的贴片。为了识别本队的每一个机器人，各队除了蓝色和黄色外，可准备多种不同颜色的贴片。
如图1所示，本发明一种集控式足球机器人色标结构，包括色标主体，7.5cm×7.5cm色标主体分成2cm×8.6cm矩形区域A、4cm×4cm直角三角形区域B、C、5.8cm×5.8cm直角三角形区域D和其余区域。矩形区域A为机器人小车的队标，位于色标主体正中，长轴方向为机器人正方向顺时针旋转45°所指的方向。矩形区域A的填充颜色包括黄色或蓝色。由于机器人小车在比赛碰撞过程中边界处发生粘连情况，影响队标的识别，而队员标志与队标相对位置确定，不受影响。如图2所示，本发明的队标(c)与其他经典队标(a)(b)在易发生粘连的碰撞情况如图2所示，斜45°矩形的设计有效地避免了粘连情况地发生。
直角三角形区域B的斜边与色标主体的左边平行，直角三角形区域C的斜边与色标主体的前边平行，直角三角形区域D的两直角边分别与色标主体的右边和后边平行。直角三角形区域B～D表示队员标志，直角三角形区域B和直角三角形区域C分别位于矩形区域A的左下方和左上方，直角三角形区域D位于矩形区域A的右方。两个相邻的矩形区域A、直角三角形区域B、直角三角形区域C和直角三角形区域D之间边界间隔2mm，间隔区域属于背景区域，有效地减少了不同光照环境下色块扩散造成的混色情况。
如图3所示，直角三角形区域B～D填充颜色不超过两种，且填充颜色不同于双方队标颜色和球的颜色，作为机器人小车的队员标志，根据填充颜色1、填充颜色2及所在区域对11个机器人小车进行编码。区域B、C、D为队员色标，用于判别车号，边界的作用是防止不同颜色的混色现象，因此当两区域颜色相同时，不会存在混色情况，因此第3和第6个小图中的边界可去除。
本发明一种集控式足球机器人色标结构识别方法，包括以下步骤：
步骤一，根据直角三角形区域B、直角三角形区域C、直角三角形区域D的填充颜色不同将机器人小车进行编码。根据填充颜色1、填充颜色2及所在区域对11个机器人小车进行编码，编码情况如表1所示：
表1
车号 B区域 C区域 D区域
1 填充颜色1 背景色 背景色
2 背景色 填充颜色1 背景色
3 填充颜色1 填充颜色1 背景色
4 填充颜色2 背景色 背景色
5 背景色 填充颜色2 背景色
6 填充颜色2 填充颜色2 背景色
7 填充颜色1 填充颜色2 背景色
8 填充颜色2 填充颜色1 背景色
9 填充颜色2 背景色 填充颜色1
10 背景色 填充颜色2 填充颜色1
11 填充颜色1 背景色 填充颜色1
根据表1的编码情况，1～11号机器人小车的色标设计如图3所示。
步骤二，确定机器人位置，对视觉传感器采集的图像进行分割，按规定步长进行间隔扫描，搜索队标种子点并采用区域生长法分割队标区域，统计区域内像素块个数N和坐标(xi,yi)，队标的中心坐标根据重心法求取：
Figure GDA0003824652120000061
Figure GDA0003824652120000071
队标的中心(xp,yp)即机器人小车中心，从而确定了机器人小车所处位置。
步骤三，确定机器人正方向，根据获取的队标像素点坐标，通过拟合得到队标长轴的斜率k，得到队标的倾斜角θ，其中0≤θ<180°，长轴的斜率k的计算方式如下：
k＝b/(a-c) (3)其中，
Figure GDA0003824652120000072
Figure GDA0003824652120000073
Figure GDA0003824652120000074
队标的倾斜角θ的计算方式如下：
Figure GDA0003824652120000075
队标在场地中的倾斜方向和k值正负决定了(7)式中的正负号，以队标中心为原点，倾斜角θ为y轴倾斜角，变换图像坐标系如图4所示；
根据队标的正方向右侧颜色唯一这一条件进一步确定机器人小车的正方向，由矩形区域A左下、左上、右下右上、三角形区域1～4的顶点确定三角形窗口扫描像素范围，根据颜色阈值判断扫描范围内的每个像素颜色，某一相同颜色像素个数超过扫描像素总数的50％则判定该区域的颜色为当前识别的像素颜色，当矩形一侧的两三角形1、2或者3、4颜色相同时，颜色相同的一侧为队标正方向右侧，其中优先判断相同颜色是否为背景色，若不是，再判断是否为其他颜色。
步骤四、确定机器人小车车号，位置信息获取后，队标正方向右侧的区域即为三角形区域D，且区域D的颜色在S03中已确定，再根据S03中的方法确定三角形区域B、C位置并判断区域颜色，将三角形区域1～4的颜色对应转换到三角形区域B～D，根据表1的编码情况判断机器人小车车号。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种集控式足球机器人色标结构，其特征在于：包括色标主体，所述色标主体分为矩形区域A、直角三角形区域B、直角三角形区域C、直角三角形区域D以及剩下的其余区域，所述矩形区域A为机器人小车的队标，位于所述色标主体正中，长轴方向为机器人正方向顺时针旋转45°所指的方向，所述直角三角形区域B和直角三角形区域C分别位于所述矩形区域A的左下方和左上方，所述直角三角形区域D位于所述矩形区域A的右方，所述直角三角形区域B的斜边与所述色标主体的左边平行，所述直角三角形区域C的斜边与所述色标主体的前边平行，所述直角三角形区域D的两直角边分别与所述色标主体的右边和后边平行，相邻的所述矩形区域A、直角三角形区域B、直角三角形区域C和直角三角形区域D之间边界间隔2mm。
2.根据权利要求1所述的一种集控式足球机器人色标结构，其特征在于：所述直角三角形区域B、直角三角形区域C和直角三角形区域D总的填充颜色不超过两种且与所述矩形区域A的填充颜色不同。
3.根据权利要求1所述的一种集控式足球机器人色标结构，其特征在于：所述矩形区域A的填充颜色包括黄色或蓝色。
4.根据权利要求1所述的一种集控式足球机器人色标结构，其特征在于：所述色标主体的尺寸为7.5cm×7.5cm。
5.一种权利要求1到4任一项所述集控式足球机器人色标结构的识别方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01，根据直角三角形区域B、直角三角形区域C、直角三角形区域D的填充颜色不同将机器人小车进行编码；
S02，确定机器人位置，对视觉传感器采集的图像进行分割，按规定步长进行间隔扫描，搜索队标种子点并采用区域生长法分割队标区域，统计区域内像素块个数N和坐标(xi,yi)，队标的中心坐标根据重心法求取：
Figure FDA0003824652110000021
Figure FDA0003824652110000022
队标的中心(xp,yp)即机器人小车中心，从而确定了机器人小车所处位置；
S03，确定机器人正方向，根据获取的队标像素点坐标，通过拟合得到队标长轴的斜率k，得到队标的倾斜角θ，其中0≤θ<180°，
长轴的斜率k的计算方式如下：
k＝b/(a-c) (3)
其中，
Figure FDA0003824652110000023
Figure FDA0003824652110000024
Figure FDA0003824652110000025
队标的倾斜角θ的计算方式如下：
Figure FDA0003824652110000026
队标在场地中的倾斜方向和k值正负决定了(7)式中的正负号，以队标中心为原点，倾斜角θ为y轴倾斜角，变换图像坐标系；
根据队标的正方向右侧颜色唯一这一条件进一步确定机器人小车的正方向，由矩形区域A左下、左上、右下右上、三角形区域1～4的顶点确定三角形窗口扫描像素范围，根据颜色阈值判断扫描范围内的每个像素颜色，某一相同颜色像素个数超过扫描像素总数的50％则判定该区域的颜色为当前识别的像素颜色，当矩形一侧的两三角形1、2或者3、4颜色相同时，颜色相同的一侧为队标正方向右侧，其中优先判断相同颜色是否为背景色，若不是，再判断是否为其他颜色；S04、确定机器人小车车号，位置信息获取后，队标正方向右侧的区域即为三角形区域D，且区域D的颜色在S03中已确定，再根据S03中的方法确定三角形区域B、C位置并判断区域颜色，将三角形区域1～4的颜色对应转换到三角形区域B～D，根据S01的编码情况判断机器人小车车号。
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