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1. 작품명
: 로봇 축구 시스템 (TACHYON)
2. 개발 기간
: 2000.05 ~ 2002.01
3. 개발 소속
: 성균관대학교 로보트 연구회 (SIOR)
4. 개발 인원
: 단체 작품 (3인)
5. 재원
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*
Host System
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CCD Camera
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: 삼성 SSC-421 |
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렌즈 |
: 3~12mm
줌 렌즈 |
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HOST PC
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: Intel
Celeron 533MHz , Intel Pentium 3 600MHz(Ver
1.0) |
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Frame Grabber |
: Fanta Vision(TV Card)
, Metrox Meteor 2(Ver 1.0) |
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Graphic Card |
: NVIDIA RIVA TNT2 |
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Operating System |
: Windows 98 SE &
DOS , Windows 2000(Ver 1.0) |
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사용 언어 |
: C , MFC(Ver 1.0) |
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* Robot System
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CUP |
: Intel80c196SA
20Mhz , Intel80c296SA 20Mhz(Ver 1.0) |
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RAM |
: Samsung
16bit 4Mbit |
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ROM |
: Atmel
8bit 4Mbit |
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Motor Driver |
: L298 |
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Motor |
: Swiss Minimotor 1319
, Swiss Minimotor 2224(Ver 1.0) |
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Encoder Resolution
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: 512 pulse |
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Gear Ratio |
: 9 :1 |
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Power |
:
Ni-Cd 전지(600mA, 1.2V) X 12 , Ni-MH
X 6(Ver 1.0) |
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RF
Module |
:
Radiometrix 418.00MHz(BiM-418-F), 433.92MHz(BiM-433-F) |
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6. 작품 설명
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<
작품 개요 >
* 로봇축구 시스템 중 MiroSot(3vs3)
종목을 구현하였다.
* 동아리 친구들(사인규,
최창현)과 함께 팀을 만들고 KINGGO팀에서 시스템 구축을 도와주셨다.
* 처음에 KINGGO의 시스템을
돌려보는 것을 시작으로 우리만의 로봇과 시스템을 만들어 대회에 나갔다.
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< Robot Soccer
System >
* 로봇축구 시스템은 1996년 KAIST 김종환 교수님 제안하시고,
1999년 SBS 드라마 “카이스트” 로 알려졌다.
* 최첨단 과학 스포츠로서 인공지능, 영상처리, 무선통신, 전자회로,
모터제어 등의 기술을 접목한 H/W와 S/W의 Hi-tech System이며, 사람이
조종하는 것이 아닌 인공지능 시스템이다.
* 대표적인 Entertainment Robot System으로 매년
1회의 FIRA주최의 세계대회와 전국대회 개최 및 평균 5회 이상의 크고 작은 대회
개최한다.
* 로봇축구 시스템은 다음과
같이 구성된다.
* 로봇축구 시스템은 크게 세부분으로 구성된다.
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Robot System
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- 경기장을 움직이며 실제로
경기를 펼치는 로봇을 의미한다.
- 사람의 손과 발 역할을 한다.
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Vision System
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- 경기장 상단에 설치된 카메라로부터 입력된 영상 정보를
분석하여 로봇 등 경기장의 상황을 알아낸다.
- 사람의 시각, 청각, 후각 등의 역할을 한다. |
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Strategy System
|
- Vision System으로부터 얻어진 현재 상황을 바탕으로
로봇의 움직임을 만들어준다.
- 사람의 두뇌 역할을 한다. |
* 로봇축구 시스템의 종목은 다음과 같다.
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MiroSot
|
- 로봇 축구 시스템의 메인
종목
- 전세계 가장 많은 국가와 팀 참가
- 로봇의 크기가 7.5Cm 정육면체로 제한
- 공으로 오렌지색 골프공을 사용
- 로봇의 수에 따라 Small (3vs3), Middle (5vs5),
Large (7vs7),
- X-Large(11vs11) 의 네 종목이 있음
- 빠르고 정확한 비젼 처리와 로봇의 정확한 제어가 중요
- 특히 전략에 따라 로봇과 시스템의 설계가 달라지므로 각 팀만의 특징이
나타날 수 있는 종목
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NaroSot
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- MiroSot과 가장 비슷하지만 작은 종목
- 로봇의 크기가 4Cm X 4Cm X 5.5Cm 의 육면체로 제한
- 공으로 오렌지색 탁구공을 사용
- 각 팀마다 5대의 로봇 사용
- 로봇을 제한된 크기로 만드는 것이 관건
- 비젼 처리시 특별한 알고리즘이 필요
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HuroSot
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- 이족 보행 로봇 종목
- 아직까지는 로봇의 크기에 제한 없음
- 공으로 연두색 테니스공을 사용
- 1vs1 경기이며, 페널티킥 경기와 장애물 통과 경기가 있음
- Stand Alone Vision System 사용
- 스스로 생각하고 움직이는 시스템으로 인공지능이 가장 많이 필요한 종목
- 독립 비젼 모듈의 성능과 보행 제어가 중요
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RoboSot
|
- MiroSot과 HuroSot을 접목한 대표적인 로봇
기반의 로봇축구 시스템
- 가장 큰 로봇을 사용하는 종목
- 로봇의 크기가 20Cm X 20Cm X 40Cm 로 제한
- 공으로 연두색 테니스공을 사용
- 1vs1 경기
- Stand Alone Vision System 사용
- Vision 이외의 다른 센서 사용도 가능
- 지능형 이동로봇 시스템의 발전에 많은 영향을 줌 |
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SimuroSot
|
- 로봇이 필요 없는 유일한 종목
- S/W 만으로 가능하므로 가장 쉽게 접근하고 시작할 수 있는 종목
- C++, Lingo 언어를 사용
- 로봇의 수에 따라 Middle (5vs5), Large (11vs11)
의 두 종목이 있음
- 경기 시스템이 계속 Update 됨
- 주어진 로봇의 특성을 파악하여 효율적인 전략을 작성하는 것이 핵심 |
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KheperaSot
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- RoboSot을 축소한 종목
- 로봇의 지름이 6Cm 로 제한
- 공으로 연두색 테니스공을 사용
- 로봇의 수에 따라 1vs1, 2vs2 의 두 종목이 있음
- 카메라, 인공지능, 모터 등을 포함한 로봇을 만드는 것이 관건 |
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| |
<
MiroSot System >
* MiroSot System은 다음과 같이 세 가지의 구조를 가지고
있다.
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Vision-Based
Robot Soccer System |
원격 지능형 로봇축구 시스템 (Remote-Brainless
Robot Soccer System) |
|
- 영상 처리, 전략, 각 로봇의
속도 등 모든 인공 지능이 Host Computer에서 이루어지는 시스템
- 로봇은 구동부와 간단한 제어를 할 수 있는 연산부로 구성
- 빠른 시간 내에 모든 처리가 완료되어야 하기 때문에 Host Computer의
성능 및 알고리즘이 중요
- 로봇의 수가 늘어나면 Host Computer에 부하가 커지는 단점이
있다
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| |
지능 내재형 로봇축구 시스템 (Brain-On-Board
Robot Soccer System) |
|
- 영상 처리와 전략 등의 인공 지능이 Host Computer에서
이루어지는 시스템
- 전략 수행을 위한 위치 제어와 속도 제어를 로봇에서 처리
- Host Computer의 부하가 줄어들고, 시스템 확장이 가능하다
- 시스템의 구현이 복잡하며, 로봇간의 협동 작업이 필요하다
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| |
Robot-Based Robot Soccer System |
Robot-Based Robot Soccer System |
|
- 영상 처리만 Host Computer에서 이루어지는 시스템
- 각 로봇간의 통신에 의해 전략이 생성
- 생성된 전략에 의해 각 로봇이 위치와 속도를 생성해 움직인다
- 자체 센서가 필요하며, 순간 대처가 Host Computer가 아닌 로봇에
의해 수행되므로 빠르게 대처할 수 있다
- 로봇의 수가 늘어나도 부하가 늘어나지 않지만 로봇간의 효율적인 협동의 구현이
쉽지 않다 |
|
7. 이용 기술
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<
이용 기술>
* Vision Prosessing
*
Micro Controller
제어
* RF 무선 통신
* 제어 공학 및 로보틱스 공학
* 인공 지능 시스템
* 전자 회로
* DC Motor 제어
* Cooperating System
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< Each System
Parts >
[ Vision System
]
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목적
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- 경기장을 한눈에 인식하는 Global
Vision System 사용
- 영상을 얻어 최대한 빨리 로봇의 좌표와 각도, 공의 좌표를 계산하는
것이 목적
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처리 과정
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Get the vision data from CCD
camera
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Thresholding
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- 조명의 변화에 둔감하기 위해서 RGB ? YUV로
변환
- 영상처리 시간을 줄이기 위해 LUT(Look Up Table) 사용
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Labeling
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- 여러 픽셀들을 하나의 덩어리로 만들어주는 과정
- Recursive Algorithm : 순차적으로 검색하다가
원하는 픽셀을 발견하면 그 주변을 모두 검색하는 알고리즘
- Sequential Algorithm : 모든 픽셀을
순차적으로 검색한 후 두 번째 검색에서 덩어리를 만드는 알고리즘
- Dotted Scan Line Algorithm :
두 가지 알고리즘을 접목하여 만든 알고리즘으로 두세개의 픽셀을 건너 뛰어서
검색하고, 원하는 픽셀에서는 인접 화소 검색을 한다. 두 개의 스텍을 사용하지만
한번만 검색함으로써 비전 처리 시간을 줄이고, 더불어 Filtering
효과도 얻을 수 있는 알고리즘
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| |
Calculate the coordinates &
angle
|
- 패치는 Team Color (Blue, Yellow)와
Robot ID Color (except Team & Ball Color)
로 구성
- 각 팀마다 패치의 모양이 다르다
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[ Strategy System
]
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목적
|
- Vision System으로부터
현재의 상황을 얻어 골을 넣기 위한 움직임을 만들어내는 것이 목적
- 골키퍼
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- 공의 위치에 따른
최적의 위치 유지
- 순간적인 공의 방향 변화에 따른 효율적인 위치 변화
|
- 필드 플레이어
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- 공과 자신의 위치에 따른 목적점 생성
- 최적의 상황에서의 강슛 또는 적절한 움직임 생성
- 수비 진영에서 안전한 상황으로의 전환
- 세트플레이 상황에서의 정해진 움직임 생성
|
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| |
처리 과정
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|
| |
골키퍼
|
|
| |
필드플레이어
|
Approach
|
|
Status Change
|
|
Cooperation
|
|
|
[ Robot System
]
| |
목적
|
- Host Computer에서
생성된 명령을 무선 통신으로 받아 원하는 움직임을 직접 수행하는 역할
- 골키퍼
|
- 공의 위치에 따른
최적의 위치 유지
- 순간적인 공의 방향 변화에 따른 효율적인 위치 변화
|
- 필드 플레이어
|
- 공과 자신의 위치에 따른 목적점 생성
- 최적의 상황에서의 강슛 또는 적절한 움직임 생성
- 수비 진영에서 안전한 상황으로의 전환
- 세트플레이 상황에서의 정해진 움직임 생성
|
|
| |
구조
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로봇 모양
|
- 전략에 따라 로봇의 모양이 달라진다.
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로봇 설계 시 고려 조건
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- 유니폴라 vs 바이폴라 모터
- PID 제어 vs PI 제어
- 배터리를 얼마나 쉽게 교체할 수 있는가
- 양방향 로봇 vs 단방향 로봇
- 공을 포섭할 수 있는가
- 스피드 vs 힘 |
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< 대표적인 팀들의
특징 >
[ KINGGO ]
* 성균관대학교 ICON Lab.
* Vision System과 Strategy System을 각각의
컴퓨터에서 처리
* 최초로 Dotted Scan Line Algorithm 개발
* 최초로 LUT 알고리즘 개발
* 최초로 로봇 퍼레이드 개발
* 최초로 골키퍼 예측 시스템 개발
* Li-ion Battery 사용
* 자체 충전기 개발
* 세계대회 우승 5회, 전국대회 다수 우승
* 전성기 : 1999년 ~ 2003년
[ Maskaro ]
* 포항공과대학교 RA Lab.
* 높이가 낮은 로봇을 사용
* 최초로 Spin Kick 개발
* Host System에서 직접 프로그램 수정이 용이하도록 개발
* 정교한 Simulator 로 유명
* 정확한 로봇 제어
* 세계대회 우승 1회, 전국대회 다수 우승
* 전성기 : 1999년 ~ 2001년
[ PowerSupply ]
* 영남대학교 로봇 동아리 PowerSupply
* 역사가 가장 오래된 팀 중 하나로 현재 PS7이 활동 중
* 학부생 팀
* 수비력이 강력한 팀
* 넘어졌다 다시 일어나는 로봇
* 정확한 로봇 제어
* 세계대회 우승 1회, 준우승 3회, 전국대회 다수 우승
* 전성기 : 1999년 ~ 현재
[ TACHYON ]
* 성균관대학교 로보트연구회 SIOR
* 2000년 창단하여 현재 SIOR팀으로 활동 중
* 학부생 팀
* 최초로 S Kick 개발
* case by case 전략을 수식화하여 불안정한 움직임 제거
* 자체 NiMH Battery 충전기 개발
* 세계대회 준우승 1회, 3위 1회, 전국대회 다수 우승
* 전성기 : 2002년 ~ 현재
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< High Quality
Skill Algorithm >
[ 골키퍼 예측 ]
* 로봇의 속도가 빨라지면서 즉각적인 대응으로는 공을 막는 것에 한계가
있다
* 공의 경로를 파악하여 로봇을 미리 대기
* 성균관대 KINGGO 팀이 처음 개발
* 정확한 비젼 처리가 필요
* 갑작스런 공의 경로 변화에 골키퍼의 움직임이 최소가 되도록 해야
한다
* 골대 앞에서 경로가 갑자기 변하면 오히려 막기 힘들다
[ Spin Kick ]
* 골키퍼 예측 시스템에 대응하기 위해 개발
* 최고 속도로 직진하다가 공대 앞에서 갑자기 공의 방향을 변경
* 포항공대 Maskaro 팀이 처음 개발
* 정교한 로봇 제어가 필요
* 로봇의 각속도를 제어하는 방법과 로봇의 목적 좌표를 변경하는 방법이
있다
* 경기장의 상태에 많은 영향을 받으며, 상대 키퍼의 움직임을 고려해야
한다
[ 세트 플레이 ]
* 프리킥, 골킥 등을 하는 경우 미리 정해놓은 움직임을 만들어낸다.
[ S Kick ]
* Spin Kick은 로봇이 좌우 측면에서 직진하면서 키퍼를 골대의
한쪽으로 이동 시키고 골대 근처에서 반대쪽 골대로 공의 방향을 바꾸는 기술
* Spin Kick은 로봇이 중앙 공격 시 성공률이 작다
* 중앙 공격 시 Spin Kick을 보완하기 위해 fake motion으로
키퍼를 골대 한쪽 끝으로 이동 시킨 후 반대쪽 공대로 공을 넣는 기술
* 성균관대 TACHYON 팀이 처음 개발
* 정교한 로봇 제어가 필요
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8. 완성도
* 나에게 로봇축구 시스템은 대학 생활의
전부라고 할 수 있을 정도로 나의 모든 것을 담아 개발하고 연구했다.
* 덕분에 많은 것을 공부할 수 있었고,
해를 거듭할수록 실력이 좋아져 대회에서도 좋은 성적을 거둘 수 있었다.
* 로봇축구팀 TACHYON은 로봇축구를
하는 사람이라면 거의 모두 알 정도로 유명한 팀이 되었으며, 완성도를 떠나 해도해도 끝이 없는
튜닝으로 매일 밤을 싸워나갔다.
9. 사진 및 소스 자료
* 사진
10. 제작 후기
* 로봇축구를 하고싶어서 팀을 구성하고
포스코에서 시스템을 지원해주는 심사에 참가했다가 KINGGO팀이 성균관대학교에 존재한다는 이유로
떨어지고 말았다.
* 하지만 로봇축구를 하고 싶은 마음에
오히려 KINGGO팀을 찾아가 도움을 받을 수 있었고, 그렇게 로봇축구와의 동거가 시작되었다.
친구, 후배와 함께 TACHYON이라는 팀을 만들었고, 나에게 팀장이라는 막중한 임무를 지워주었다.
TACHYON팀 멤버 모두 로봇축구를 처음 시작하는 것이었기 때문에 처음엔 모두 막막한 생각
뿐 이었다. 그러나 팀원들은 팀장인 나보다도 더욱 열심히 연구해주었고, 우리는 차츰 로봇축구에
대해 알아가기 시작했다.
* 우리의 보금자리는 폐건물 화장실 문앞의
창문 하나 없는 방이었다. 축구판을 놓으면 문을 열고 한사람이 게걸음으로 통과해야만하는 곳이었다.
가장 중요한 컴퓨터를 맨 안쪽 자리에 두고 컴퓨터를 쓰려면 모두 밖으로 나왔다가 다시 순서대로
들어가야하는 곳이었다.^^;; 그래도 우리는 이 공간이 너무 소중해 불만하나 없이 한겨울이면
손이 꽁꽁 얼고, 한여름이면 화장실 악취와 더위와 싸우면서 개발했던 소중한 추억을 가지게 되었다.
* 이 곳에서 열심히 준비한지 반년만에
전국대회에 출전했다. 우리가 가지고 나간 시스템은 지난해 KINGGO팀이 아시아 대회에서 준우승을
차지한 시스템이었기 때문에 자신만만 기고만장했다. 너무 자만했던 탓일까? 아직도 로봇축구 시스템을
이해하기에 우리의 실력이 못미치는 것일까? 우승후보들을 잇달아 격파하며 호조의 출발을 보였지만
우리의 첫 도전은 8강까지였다.
* 첫 대회의 실패로 우리는 아쉬웠지만
우리의 문제점을 알 수 있었다. 그리고 곧바로 우리만의 시스템을 개발하기 시작했다. 로봇도 호스트
시스템도 우리가 원하는 방향으로 우리가 생각해서 만들었다. 정말 어렵고 힘든 도전이었지만 하루빨리
우리만의 시스템을 만들고 싶다는 생각이 간절했다.
* 그리고 1년 후 다시 전국대회에 출전했다.
물론 예선전은 가볍게 통과했다. 예선전에서 후반 1분만에 31:0 에서 기권승을 받았다. (지금의
규칙대로라면 51:0 이다.) 예선대회는 천안에서, 전국대회는 대전에서 열렸다.
* 전국대회에서는 내가 조추첨을 했다.
역시 '악마의 손' ㅡㅡ;; 강팀과 계속 경기였다. 한경기한경기가 모두 결승이나 다름없는 경기였다.
첫날 첫경기를 써든데쓰로 이겼다. 이대로라면 다음날 이길 가망이 없다는 판단하에 카이스트팀에게
부탁해서 연습실을 얻었다. 그리고 밤새 튜닝을 했다.
* 다음날.. 네오센세이션 팀은 전날
우리의 경기 모습을 봤기 때문에 자신만만한 모습이었다. 관중들도 네오센세이션의 우세를 점쳤다.
모두 우리가 밤새 준비해서 많이 달라졌다는 걸 모르는 눈치였다. 경기가 시작되고 모두 긴장한
상태로 지켜봤다. 그동안 쏟아부은 모든 노력의 결실을 맺을 시기였다. 그리고 예상을 뒤업고 우리가
5:1로 승리했다.^^V 그리고 연산오류 팀과의 준결승은 한점차이 승리..^^;;
* 드디어 결승전.. 상대는 전통의 강호
영남대학교 PowerSupply4.. 막상막하의 경기였고, 우리 로봇이 넘어진 것을 상대가 밀고
들어와 패널티킥을 허용해 한점을 주었다. 분위기는 이제 우리팀에게 넘어왔다. 그래도 우리도 필드골을
성공해 2:2로 경기가 끝났다. 역시 써든데쓰가 시작되었다. 밀고밀리는 접전끝에 아쉽게 골든골을
허용해 우리의 두번째 도전은 준우승으로 끝이났다. 준우승이었어도 우승 못지않은 경기였고, 그동안의
노력이 결실을 보았다. 팬클럽도 생겼다.^^ 우수 논문상도 탔다.^^ 세계대회 출전권도 획득했다.^^
* 전국대회가 끝나고 나는 영국으로 어학연수를
갔고, 남은 두 친구가 세계대회에 출전해서 세계 3위를 차지했다. 그리고 세계대회를 마지막으로
TACHYON 팀은 해체되었다.
11. 출품 및 수상
* 2001.08.24 : 제 1 회
로봇축구 중부리그대회 매너상
* 2001.10.14 : 전국체전기념
로봇축구대회 우승 (대학부 1위 )
* 2002.01.19
: 2002 FIRA-POSCO CUP 로봇축구 전국대회 은상 (2위)
* 2002.01.19 : 2002 FIRA-POSCO
CUP 로봇축구 전국대회 우수 논문상
* 2002.05 : 제어자동화시스템
공학회지에 논문 발표 (제8권 제3호)
* 2002.05.29 : 2002 FIRA
Cup Korea 세계 로봇축구대회 3위
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