关于RoboMaster2019能量机关任务

2019-03-17 本文已影响0人某科学的兄弟

一、前言

关于2019年RoboMaster（全国大学生机器人比赛）中的能量机关，也就是“大风车”，作为2018年赛季参赛者，一开始看到这道题的时候，大概有两个感觉：（1）视觉难度降低了（2）弹道要求提高了。估计很多人都有这种感觉，因为没了手写数字的识别，变成了一个8m定点打靶的任务，靶子的识别，相信做过自瞄的同学，会认为难度不大，关键是是否能打中。这么分析，今年的视觉难度真的就降低了吗？可能没那么简单。

有幸参与了官方赛事预研项目，参与了能量机关任务技术调研（实际上就是进行能量机关任务技术研发，没啥技术含量）。

二、能量机关算法方案

拿到题目，第一步大概是审题，脑海里需要构建一个能量机关任务的一个轮廓，有了2018年参赛经验，不难得到这么一个流程：

获取图像——>图像处理——>运动预测——>转动云台及射击

获取图像：使用摄像头获取能量机关图像
图像处理：识别算法部分，识别一些关键元素，如装甲板，旋转中心，旋转臂的灯效种类。
运动预测：由于大风车是在运动，还需要进行大风车运动预测，同时子弹的运动不是一条直线，也需要进行子弹弹道补偿。
转动云台及射击：预测过后，就能得到云台所要旋转的pitch,yaw角，发送给stm32底层，完成控制。

step1.获取图像

关于获取图像步骤，即需要考虑相机的要求，主要有两个因素需要考虑：

相机安装位置
相机镜头焦距选择

相机安装位置选择：

由于大风车在固定位置旋转，摄像头安装在底盘上，底盘保持不动，则摄像头相对大风车是静止的，可以大大简化图像计算，并且避免了不必要的干扰。
相对于安装云台上，提高了准确率和速度。

相机镜头焦距计算
相机参数

采用1/2” CMOS传感器芯片，130万像素分辨率
像素尺寸 4.8μm×4.8μm
分辨率 1280(H)×1024(V)

焦距计算公式：

focal_len.jpeg

具体计算：

风车半径为0.8m,则大小为1.6*1.6m，需要图像留有余量，方便机器人对位，这里视野取目标的3倍，则视野大小应为4.8 *4.8m。
大风车距离桥头（镜头）距离为8m
相机尺寸为4.8um*1024=4.8mm

则 $\frac{800*4.8}{480}=8mm$
所以，最终，考虑选择8mm的镜头。

step2、图像处理

根据比赛规则，能量机关具有大量发光特征，应该充分利用，可以方便视觉进行处理，相信做过自瞄算法的同学一定不会陌生。这里可以参考官方ICRA步兵开源项目RoboRTS（ https://github.com/RoboMaster/RoboRTS ） ,其中的roborts_detection 包中的armor_detection/constraint_set下的相关识别算法可以借鉴。

图像处理结果大致如下：（仅供参考）

red.png

threshold.png

第一幅图为原图。
第二幅图为处理后的二值图，过滤掉背景噪音后，在二值图上可以方便的提取关键元素。

提取关键元素：

装甲板：提取装甲板，后续可以使用pnp算法解算位置，得到打击目标位置。
旋转臂：由于需要区分激活状态的旋转臂和未激活的旋转臂，所以需要提取该部分元素进行区分。
旋转中心：发光R，由于大风车处于旋转状态，需要进行圆周预测，那么圆心位置是必不可少的。

如何提取关键元素：

相信大家在二值图上已经肉眼可见这些关键元素了，而且这些元素非常独立，非常容易进行提取。
这个就和自瞄算法提取装甲板用的方法一样，如果是使用opencv，可以使用两个非常强大的函数 findcontours()和minAreaRect() ，然后使用约束条件进行匹配选择，如长宽比，大小，角度等。当然这只是其中一种方法，限于才能，只能给大家介绍这一种了。

上述列举的主要的普通关键元素，也不是所有关键元素都是必须的，也可以自己构建其它关键元素，如不使用装甲板，提取整个旋转臂元素，利用旋转臂来做PnP解算位置也是可以的。

step3、运动预测

大风车运动模型：
由于大风车旋转，对于识别到的打击目标，需要进行预测才能真正的打中目标。大风车做匀速圆周运动，需要获取圆周运动的圆心（待测），半径（已知）和速度（已知），通过建立大风车运动模型来进行预测。

这里给出几种预测方案：

方案一：记录多个装甲板点（开始只进行图像处理），建立装甲板运动在3维空间的圆的方程，从而进行预测。
方案二：平面简化版模型，在图像上，得到大风车中心点，得到装甲板目标中心，直接得到图像平面圆方程，从而进行预测。

由于方案一比较复杂，这里为大家介绍一种简单近似方案，即求平面圆的方案二。
二维简化模型：
$\begin{array} \\ 对于目标点(x,y)，假设大风车中心点（cx,cy）旋转角速度为\omega 。\\ 则经过时间t,旋转角度为\theta=\omega t \\ 目标点向量为\vec{v}_{target}=(x-cx,y-cy)\\ 旋转矩阵有\\ R= \begin{bmatrix} cos\theta&-sin\theta\\sin\theta&cos\theta \end{bmatrix} \\ 即预测向量为\vec{v}_{predict}=R\cdot \vec{v}_{target} \\ 预测点为p=(cx,cy)+\vec{v}_{predict} \end{array}$

并且，进一步简化模型，即固定预测时间t，从而固定的预测旋转角度theta。

固定预测时间t：在stm32端实现，采用一个定时器，固定延时发射子弹。

方案二的优、缺点很明显，

优点：简单，便于实现。
缺点：对于打击能量机关的位置很敏感，必须正对能量机关，不正对会带来预测误差。

子弹抛物模型：
由于距离较远，必须考虑重力对子弹的影响，可以建立重力模型，对子弹进行建模，从而对云台所需要的仰角进行补偿。

在官方ICRA步兵开源项目RoboRTS（https://github.com/RoboMaster/RoboRTS）中，有一个一个抛物线弹道修正模型，可以进行参考。

在这里，依然采用简化模型，主要考虑到是定点打靶，所以重力偏移变化不会太大，所以给出一下方案：

建立一个pitch偏移表，通过偏移量查表来进行补偿。

方案总结

大致的能量机关方案设计如上所述，总结一下，就是下面一张（看似简单的）图。

power_rune.png

三、误差分析

在经过测试后，对能量机关打击任务进行了分析，发现打不中目标的概率较大，对于打不中目标给出合理解释，对于误差来源大概从以下几个方面分析：

相机标定误差
相机安装位置误差
算法误差（图像识别与单目定位）
弹道误差

1.相机标定误差：

由于涉及视觉测量，相机参数在进行视觉测量中，具有重要的作用，其误差会直接导致视觉测量误差。所以，需要减小其相机标定误差。

减小误差方法：

多次标定，去掉偏差较大的标定结果，取中位标定结果。

2.机机安装位置误差:

由于相机安装在底盘上，相机与发射云台有个坐标变换，包含一个平移向量和一组旋转参数，理想安装位置，相机与云台安装没有旋转关系，只有平移关系。

平移向量直接采用直尺测量，精度在mm级别，不会引入太大误差。
旋转参数选择参数采用欧拉角方式，理想状态均为0，由于误差，其真实值并不为0。
目前，通过经验补偿方式减小误差。

3.算法误差

目前能量机关算法，通过识别装甲板矩形目标，采用PnP定位算法，来对目标进行定位。
在动态能量机关测试中：
装甲板矩形的像素大小大概为30×56，在识别过程中，像素波动在1个像素左右。

定位深度距离误差估计为 $8m*\frac{1}{50}*100\%=16cm$ 。

同时使用三维数据可视化软件，将所有定位结果画在3D散点图上，如下图所示：

front_view.png

up_view.png

第一个是正视图：理想是一个圆，效果较为理想。
第二个是俯视图：理想是一条直线，效果不理想。

所以，算法测量误差主要来源于深度信息的误差，经过测量，最大误差在基本上在20cm左右，与之前估计的16cm相差不大，定位的像素不稳定，这是误差的来源。

对于单目测距来说，远距离识别误差大，很大原因是被测量物体分辨率不够，像素波动对于定位误差影响很大。
可以考虑其他的一些高精度定位方案，如双目定位等，来减小算法误差。

4.弹道误差

由于能量机关需要射击。弹道误差对于能量激光的实现也影响重大，在进行射击测试时，发现误差主要来源与两个因素。

机械因素：包含枪管等子弹发射经过的机构设计，导致子弹发射并不是平行于枪管中轴线，而形成散射的效果。
射速因素：由于远距离设计，子弹并不是直线发射，所以，还受发射速度的影响，不稳定的发射速度也会影响弹道的上下偏移。

射速影响理论计算：（理想抛物线模型）

$\begin{array}\ 抛物线模型: \begin{cases} x=vcos\theta \cdot t\\ y=vsin\theta\cdot t-\frac{1}{2}gt^2 \end{cases} \\ 则y=xtan\theta-\frac{1}{2}g\cdot \frac{x^2}{v^2\cdot cos^2\theta} \\假设速度v1存在微小波动，变成了v2.\\ 则\Delta y=y2-y1=\frac{gx^2}{2cos^2\theta}(\frac{1}{v_1^2}-\frac{1}{v_2^2})\approx \frac{gx^2}{2cos^2\theta}\frac{2(v_2-v_1)}{v_1^3}= \frac{gx^2\Delta v}{cos^2\theta \cdot v_1^3} \end{array}$

在距离8m，速度为23m/s的情况下，计算速度波动1m/s情况下：

在0度仰角下，偏移误差为5cm左右。
在25度仰角下，为6cm。

误差总结

总的来说，能量机关任务实现不了，误差是来自多方面原因的。

相机标定误差和相机位置误差是绝对误差，是可以通过修正方式进行补偿的。
算法定位误差（识别像素波动）和弹道误差是随机误差，只能通过改变手段来减小误差。

同时由于子弹射击目标，由于目标具有一定大小，是允许一定误差的，在进行方案设计时，需要考虑各个因素引入的误差，并不断减小误差。

四、结果与总结

a.结果

目前，在比较稳定的弹道下，测试了静止能量机关和动态能量机关（正常状态），可以达到的精度如下：

静止能量机关：平均击中一个目标所消耗子弹1-1.5。
动态能量机关：平均击中一个目标所消耗子弹2左右。

这个结果虽然不是很好，但是还算勉强完成了能量机关任务。

b.关于赛题的总结

对于2019年的能量机关，或许视觉算法真的不难，视觉难度真的降低了，但是确实是一个好的题目，整体难度并没有降低，比较锻炼人的综合能力，给了我们很大的空间去分析一个问题。

在实现能量机关算法的过程中，由于本身存在的一些误差，包括一些步骤由于采用了近似处理或近似方案而引入的误差，导致最后实现的结果并不是太乐观，没法达到百发百中，特别对于动态，效果不是很理想。

其中的误差分析，本文分析的还比较粗略，远远达不到工程要求，甚至还有一些错误，不过，在分析的过程中也逐渐深入理解这个任务，不同于看题目一开始，知道这个题目难，但不知难在哪里，不知道从哪一步解决问题，拿到题无从下手。

c.关于技术的总结

在做能量机关任务时，并没有用到什么高深的理论，高深的技术，学到的更多的是工程分析，不至于盲目下手，而无从下手，在做技术的过程中，也不是一开始就分析到位的，也发现自己很多低效的开发，缺乏一个分析流程，等到无从下手时的一步，才开始分析一步，没法做到先分析，再解决问题的流程，不过这确实是需要经验积累的，做这个项目也相当一次技术积累吧，也确实从这个任务学习到了一些开发经验。

（本文遵循开源协议：CC-BY-SA 4.0。首发于RoboMaster论坛）