In dieser Arbeit werden die zwei gängigsten in den Soccer-Ligen des Robocup-Junior verwendeten Ballerkennungstechniken hardware- und softwaretechnisch analysiert, bewertet und miteinander verglichen.
In der „Soccer Open League” des Robocup-Juniors treten zwei Roboter gegen zwei Gegnerische an und verfolgen das Ziel, Tore zu schießen und dabei die weiße Seitenlinie nicht vollständig zu überfahren, da dies Zeitstrafen zufolge hat. Bis zum Jahr 2017 wird in dieser Liga – wie in allen anderen Soccer-Ligen auch – mit einem infrarotausstrahlenden Ball (Ball RCJ-05R, Fa. Elekit) gespielt.
Dieser ist unter den Teilnehmern aufgrund der Lichtausstrahlung auch als „aktiver Ball“ bekannt. Vor der Saison des Jahres 2017 erfolgt eine Regeländerung des „SoccerTechnicalCommittee“, das die internationalen Regeln dieser Liga festlegt. Diese Änderung besagt, dass als Spielball ein hohler, orangener Gummiball, der unter den Teilnehmern auch als „passiver Ball“ bekannt ist, verwendet wird. Als Hauptgrund wird genannt, dass die Ballsuche nach einigen Jahren mit demselben Ball keine Herausforderung mehr für die Teams darstellt.
Durch diese Änderung wird das Niveau des Teilnehmerfelds durch die neuen Anforderungen angehoben. Für die Erkennung und Verfolgung des aktiven Infrarotballes sind Infrarotsensoren rund um den Roboter notwendig. Davon werden von den Teams zwischen acht und 64 in einem Ring um den Roboter herum einmontiert. Softwaretechnisch gibt ein solcher Werte in Form eines 8-Bit großen, pulsweiten-modulierten Signals (im weiteren Verlauf der Arbeit kurz: PWM) aus, wobei der Wert 255 die maximale Infraroteinstrahlung darstellt. Seit 2017 ist nun lediglich eine Kamera pro Roboter zugelassen. Neben der Aufgabe, diese zu programmieren, den Ball zu erkennen und dessen Position auszugeben, müssen die Teilnehmer auch eines von zahlreichen Modellen aussuchen und dieses in ihre Hardware mechanisch und elektronisch integrieren.
Auch ist zu bewerten, ob der Einbau eines Spiegels zur Rundumsicht als moderner Lösungsansatz sinnvoll ist. Dabei gilt zu beachten, welche Vor- und Nachteile ein solcher bietet, welche Herausforderungen zu bewältigen sind und welche Arten von Spiegeln infrage kommen. Schlussendlich wird ein Ausblick gegeben, in welche Richtung sich die Soccer Open League des Robocup-Juniors entwickelt und welche Ballerkennungstechnik sich dabei etabliert.
Inhaltsverzeichnis
1 Spielbälle in der Soccer Open League des Robocup-Junior
2 Erkennung des infrarotausstrahlenden Balles
2.1 Hardwaretechnische Aspekte – Einbindung des Infrarotsensors in die Hardware
2.2 Softwaretechnische Aspekte – Auslesen und Auswerten der Sensorwerte
3 Erkennung des passiven Balles
3.1 Der Kamerasensor „Pixy CMU Cam5“ und mögliche Alternativen
3.2 Unterschiedliche Verwendung und Profilierung der Kamerasensoren
3.3 Hardwaretechnische Aspekte – Einbau in die Hardware, Elektronik
3.4 Softwaretechnische Aspekte – Auslesen der Sensorwerte
3.5 Softwaretechnische Aspekte – Auswertung der Sensorwerte
4 Folgen und Auswirkungen der Regeländerung
4.1 Höherer Schwierigkeitsgrad und folglich gestrecktes Teilnehmerfeld
4.2 Verschiedene Lösungsansätze zum Einbau der Kamera
4.3 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit analysiert und vergleicht die hardware- und softwaretechnischen Verfahren zur Ballerkennung in der Soccer Open League des Robocup-Juniors, um den durch eine Regeländerung gestiegenen technischen Anforderungen gerecht zu werden.
- Analyse von aktiver Infrarot-Ballerkennung mittels IR-Sensoren.
- Untersuchung der kamerabasierten Erkennung des passiven Balls (Pixy CMU Cam5).
- Integration und Softwareimplementierung von Sensoren und Kameramodulen.
- Entwicklung von Algorithmen zur Positionsbestimmung und Distanzberechnung.
- Bewertung der Auswirkungen der Regeländerungen auf das Teilnehmerfeld und die Lösungsansätze der Teams.
Auszug aus dem Buch
3.1 Der Kamerasensor „Pixy CMU Cam5“ und mögliche Alternativen
Die aktuell am häufigsten im Roboterfußball verwendeten Kameramodule sind die „Pixy CMU Cam5“ (im weiteren Verlauf der Arbeit kurz: Pixycam) sowie die „Raspberry Pi Cam“ (im weiteren Verlauf der Arbeit kurz: PiCam). Im weiteren Verlauf dieses Kapitels wird auf die Unterschiede in deren Funktionsweise näher eingegangen:
Die PiCam wird durch das 15-polige Camera Serial Interface Bus-System (kurz: CSI-Bus) angeschlossen. Der eingeschränkten Anschlussmöglichkeit zufolge ist man in der Auswahl des Entwicklerboards begrenzt auf ein RaspberryPi. Dies wiederum setzt ein für die Anwendung im Roboterfußball ungeeignetes Betriebssystem voraus. Ein solches Konzept geht auf Kosten der Rechenleistung, des Stromverbrauches und des begrenzten Bauraumes (I_Picam).
Die Pixycam hingegen verfügt über ein Onboard Auswertemodul. Sie gibt Bilddaten über diverse, frei auswählbare Bussysteme (UART, SPI, I²C, USB oder Digital-/Analog-Ausgang) aus. Der 10-polige Wannenstecker ermöglicht eine bedarfsgerechte Belegung der Pins. Zur Pixycam gehört die beigestellte Software „Pixymon“ dazu. Diese ist unter einer „Open source Lizenz“ veröffentlicht, also frei verfügbar und veränderbar falls erforderlich (I_Pixymon). Sie unterstützt und erleichtert die Kalibrierung zum Erkennen eines Objektes und ist sehr flexibel und einfach zu bedienen. Die Kalibrierung besteht in der Anpassung der Helligkeit (bei jedem Einsatz unterschiedliche Lichtverhältnisse) sowie der Anpassung der Farbempfindlichkeit (z.B. Unterscheidung des orangefarbenen Balles von einer Schiedsrichterhand). Dieser Vorgang wird jeweils vor Ort unkompliziert auf einem Windows-Laptop durchgeführt (I_Pixydaten).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Spielbälle in der Soccer Open League des Robocup-Junior: Einleitung in die Thematik der Ballerkennung vor dem Hintergrund der Regeländerung von 2017 vom Infrarotball zum passiven orangenen Ball.
2 Erkennung des infrarotausstrahlenden Balles: Erläuterung der hardware- und softwaretechnischen Umsetzung der Infrarotsensorik zur Erkennung des aktiven Balls.
3 Erkennung des passiven Balles: Detaillierte Untersuchung des Einsatzes der Pixy-Kamera, deren Einbau in die Roboter-Hardware sowie die Programmierung zur Objekterkennung und Abstandsbestimmung.
4 Folgen und Auswirkungen der Regeländerung: Diskussion der Konsequenzen der neuen Regeln für die Roboterentwicklung und Ausblick auf moderne Lösungsansätze wie die 360°-Rundumsicht durch Spiegel.
Schlüsselwörter
Robocup-Junior, Soccer Open League, Ballerkennung, Infrarotsensor, Pixy CMU Cam5, PiCam, I²C-Bus, Regeländerung, Positionsbestimmung, Distanzberechnung, Bildverarbeitung, 3D-Druck, Robotik, Sensortechnik, Automatisierung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit den technischen Herausforderungen und Lösungen bei der Ballerkennung in der Roboterfußball-Liga "Soccer Open League" infolge eines Wechsels der verwendeten Spielbälle.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Zentrale Themen sind die Hardware-Anbindung von Sensoren und Kameras, die softwareseitige Datenverarbeitung, die algorithmische Positionsbestimmung des Balles sowie die mechanische Integration der Komponenten.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, die Umstellung von einer Infrarot-basierten Ballerkennung auf eine kamerabasierte Lösung zu dokumentieren, zu bewerten und einen funktionalen Lösungsansatz für die Hindernisse der neuen Regelwerke aufzuzeigen.
Welche wissenschaftlichen oder technischen Methoden werden verwendet?
Es werden methodisch die Hardware-Integration, die Programmierung von Mikrocontrollern (z.B. ATmega32), mathematische Entzerrungsverfahren mittels Ausgleichspolynomen sowie CAD-Konstruktion und 3D-Druck für die Kamerahalterungen genutzt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Analyse der Infrarot-Technik, den Vergleich verschiedener Kameramodule, die detaillierte Beschreibung der I²C-Kommunikation und Programmierung sowie die Entwicklung von Formeln zur präzisen Abstandsberechnung des Balls.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Robocup-Junior, Ballerkennung, Pixy-Kamera, Sensortechnik, I²C-Bus und Robotik-Automatisierung charakterisiert.
Warum ist die Wahl auf die Pixy CMU Cam5 gefallen?
Die Pixycam wurde aufgrund ihres integrierten Prozessors zur Auswertung von Bilddaten gewählt, was Rechenleistung auf dem Hauptprozessor des Roboters für andere Aufgaben spart.
Welche Rolle spielt die I²C-Datenübertragung in diesem Projekt?
Der I²C-Bus dient als standardisierte Schnittstelle zur Kommunikation zwischen der Kamera und dem Mikroprozessor, wobei zusätzliche Schutzschaltungen für die Stabilität der Signale sorgen.
Wie gehen die Autoren mit der Krümmung der Kameralinse um?
Durch empirische Messungen der Abstände und der daraus resultierenden Kamerawerte wurden mathematische Ausgleichsfunktionen in der Software implementiert, um die durch die Linse verursachte Verzerrung rechnerisch zu korrigieren.
Was ist der Zweck des "Pixyturms"?
Der Pixyturm dient dazu, durch einen gekrümmten Spiegel oberhalb der Kamera eine 360°-Rundumsicht des Spielfelds zu ermöglichen, um den Roboter effizienter steuern zu können.
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- Anonym (Author), 2020, Ballerkennungstechniken im Roboterfußball. Bewertung und Vergleich, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1128332
