如图 3 所示， xOy 为机器人运动平面，当摄像机左右转动角度为零时， x 轴为机器人的前进方向； O 点为摄像机针孔模型中镜头 C 在 xOy 的投影； P(x,y) 为目标点； h 为 C 到地面的距离；α 为摄像机竖直转动角度 ( 比赛过程中为一定值 ) ；β为摄像机水平转动角度 ( 逆时针转动为正 ，顺时针为负 ) 。摄像机象平面 x ′ O ′ y ′与光轴垂直，点 O ′为 C 在象平面上的投影， y ′轴与 y 轴平行。过点 P(x,y) 作一平面，该平面平行于摄像机光轴且与 xOC 垂直，以点 C 在平面上 的投影为原点，坐标轴与 x 轴和 y 轴在平面上的投影平行，则 P 点在该平面的坐标为 (x c ,y c ) 。从客观场景到数字图象的成像变换可看作由以下 3 步组成：

(1) 从世界坐标 (x,y,z) 到 x c O c y c 参考平面坐标 (x c, y c) 的变换，其中 z=0

(3) P ′ (x ′ ,y ′ ) 和经 A/D 转换后计算机图象坐标 (m,n) 间的线性变换

式中： f 为摄像机焦距，对固定焦距摄像机为己知参数； m,n 为目标识别后的结果；摄像机竖 直方向转动角α在比赛中为一常量； k m ,k n ,g m ,g n 为摄像机内部参数，可通过测算 获得。

上式所得 (x,y) 是在坐标系 xOy 中的坐标，比赛中摄像机在电机带动下进行水平方向上的左右 旋转，转角β可以根据电机的码盘反馈值获得， l 为镜头 c 与机器人中心位置在运动平面上投 影的距离。此时目标相对与机器人的坐标：

4 实验及结果分析

基于以上提出的机器人视觉中目标识别与定位的方法，我们以球和球门为目标进行了识别和定位的实验。图象经解码后转换为 24 位的数字信号，通过 USB 接口送到内存，实验中图象大 小为 160 × 120 象素，采集速度 30 帧 / 秒。采用 HSI 颜色空间，自动设定阈值分割图出图象中的 目标，在不同的光照环境下系统识别准确率在 90% 以上。图 5 中 (a) 为原始图象， (b) 为检测球的效果图， (c) 为检测球门的效果图。

利用拟和的定位算法估算目标相对机器人的位置，实测位置与拟和曲线对应关系如图 6 所示。从中可以发现在 100?cm 之内误差非常小，随着距离增大误差也渐渐增大。但由于系统在 定位过程中对目标方向的测算误差很小 ( θ 4 ° ) ，因此可以保证机器人在正确的运动方向 上逐渐逼近目标，当其与目标接近到一定程度时采取动物，此时定位算法的精度完全可以达到比赛要求。

5 结束语

视觉是人类感知客观世界的主要信息来源。对于提高机器人的智能化也非常重要。采用彩色图象大大丰富了信息容量，使处理更加简便，准确率提高，适合机器人足球比赛实时性的要求。采用 HSI 颜色空间进一步提高颜色识别的鲁棒性，克服了机器人视觉系统在比赛过 程中易受光照变化影响的问题。选取适当的阈值进行目标识别以及使用累计方法进行特征点的标定提高了识别结果的稳定性，有利于下一步的决策和路径规划。本文提出的识别和定位算法基本上满足了全自主型机器人足球比赛对视觉系统的要求，并在 2002 年全国机器人足球比赛及第七界世界杯机器人足球大赛中取得了很好的比赛成绩。

参考文献

［ 1 ］ Nadir Ould Khessal.Maung Yan Naing.Eric Ng Boon Hwee.et. “ Vision  based autonomous soccer robots ”［Ｊ］ .IEEE International Conference on Robotics and Automation.2000.pages 207-212. 

［ 2 ］陶霖密，徐光佑 . 机器视觉中的颜色问题及应用［Ｊ］ . 科学通报 .2001.2.178-190. 

［ 3 ］ R.C.Gonzalez.R.E.Woods. “ Digital image processing ”［Ｊ］ .Addison  wesley,3 rd  .ed.,1999. 

［ 4 ］ T.F.Bastos  Filho.R.A.C.Freitas.M.Sarcinelli  Filho et. “ An agent  based structure for mobile robots using vision and ultrasonic sensors ”［Ｊ］ .IEEE Transactions on Robotics and Automation.1998.602-605. 

［ 5 ］ Sami Atiya.Gregory D.Hager.et. “ Real  Time Vision  based robot Localization ”［Ｊ］ .IEEE Transactions on Robotics and Automation.1999.785-794.