学习了足球机器人必备的相关功能模块的工作原理，包括指南针传感器模块、红外复眼传感器模块等。结合各模块功能，最终给出机器人的设计方案并使用相关器件组装形成最终足球机器人。
关键词 指南针传感器；红外复眼模块；足球机器人
1 引言
让机器人进行足球比赛是一个十分有趣却又十分复杂的课题，因为其目的是通过传感理论、算法等相关技术的有机结合，来实现机器人具备人工智能，即使机器人最终能够像人类一样可以灵活而富有策略地进行足球运动。想要让机器人能够踢好足球，必须攻克许多技术问题，比如多机器人协作、环境识别等，十分具有挑战性。正因为如此，国际上每年都举行大型的机器人足球比赛，吸引了各个国家的青年机器人爱好者参与。
人类进入新时代后，总是对机器人充满幻想，我们希望能够制造出和我们一模一样的机器兄弟，他们不仅仅是做机械的动作，甚至能够和我们一样运动，思考。如今，在某些领域实现人工智能的美好设想已经实现，这些机器人们已经无限接近于人类，甚至某些方面已经超过人类，例如国际象棋界的“深蓝”以及今年震惊世人的围棋大师AlphaGo。但这些机器人的杰出代表的成功主要依靠其算法和写入的程序，而让机器人踢足球仅有这些就不够了。因为机器人足球不仅需要聪明的大脑，还需要具有和人类一样灵活的身法，娴熟的球技，并且懂得机器人队友之间的通力协作。这对机器人的设计者来说将是一个巨大的挑战。
为了能够胜任踢足球的任务，足球机器人需要具备以下几个“技能”：能够运动；能够识别环境，避开障碍物；能够区分方向。
足球机器人运动，需要移动机构。机器人踢球是通过移动机构实现的，它相当于人的腿与脚。我们期望机器人能够移动迅速，并且移动时要稳定，不容易翻倒。为了实现这个目的，我们采用的设计类似于汽车，一般为带轮子的小车的形式。尽管这种移动机构比较难实现踢球时的突然转身、带球过人等动作，但其他移动机构构造往往过于复杂，“带轮子的小车”的设计简单容易实现，而且能够满足足球机器人设计的初级阶段提出的需求，所以我的足球机器人仍然采用了此种移动机构。
足球运动需要进攻球员带球，避开对方防守运动员，并最终将球踢入对方球门。所以足球机器人还需要“观察”周围环境并做出相应的反映。足球机器人对环境的认识主要依靠它的视觉识别系统，这相当于人类的眼睛。可人类有着天然的视觉系统，比如色彩识别、图像传感及图像信息的搜集和处理系统，机器人只能依靠相关的传感器来感应周围的环境。此外，运动中的足球机器人很容易出现视野丢失足球的情况，所以仅仅有传感器感应到足球是不够的，还需要一定范围的视野。因此，环境传感以及视野问题也是足球机器人必须解决的重要问题。
在足球比赛中，机器人在识别环境后需要通过有目的驱动来实现最终的进球任务。所以，仅能够识别是不够的，机器人必须拥有“方向感”。我们需要给机器人配备一些能够帮助它识别方向的传感器，例如角度传感器或者指南针传感器。拥有了这些角度传感器，我们的足球机器人才能够分清敌我，找到对方球门的正确方位，最终完成“射门得分”的壮举。
在参加初级的机器人足球比赛中，机器人多半是这些装备传感器的小轮车。尽管它们不是靠双腿行动，反应也不够灵敏迅速，但我们大可不必因为它和人的概念相去甚远而沮丧。因为它们尽管结构简单，但简单易行、平稳可靠并且易于控制。作为对足球运动员的最初的模仿，它们基本满足需求，所以在机器人足球的初级阶段仍被普遍采用。正因为如此，我设计的机器人仍然采用这样的设计。
2 红外复眼传感器模块——机器人的大眼睛
足球运动是一项大家都非常喜欢的运动。虽然踢足球对人来说司空见惯，但让机器人去踢球听起来却像是天方夜谭。机器人到底能不能摇身一变成为一名足球运动员呢？答案是肯定的，只要各种传感器和硬件设备密切配合，使机器人也拥有眼睛、双腿和大脑。
通过对足球运动规则的分析，我们可以把足球运动抽象成以下的基本动作：找球、控球、找对方球门、确定进攻路线、运球射门。这其中最重要的动作就是找球，只有找到足球并控制足球，才能完成后续的进攻和射门动作。
那么如何让机器人找到球呢？这里我们使用一组红外传感器。我们使用特制的红外足球，这样机器人就可以通过感应足球发出的红外信号来确定足球的位置和方向。实际上，在足球比赛中，足球一直处于运动中，机器人和足球之间的位置关系一直在发生变化。此时仅靠一个红外探测器来精确定位足球的位置，难度很大。我们一般采用增加红外探测器的策略，即在机器人的四周以一定规律分布红外接收装置，扩大机器人的探测范围。
事实上，如果只是增加探测器的数量，会大大增加程序的代码量。这时我们引入复眼模块。复眼模块是由若干感光单元组成的、能够在同一时间从多个方位探测红外光强弱的点子元件。使用复眼模块，我们可以同时读取多个方向红外光强度，并自动计算出红外光最强值和最弱值所在方向。复眼模块可以帮助我们的足球机器人最快速定位足球的位置，配合确定方向的点子元件，我们的机器人将会更快更准确地找到足球。
3 指南针传感器模块——机器人的方向感
找球程序事实上是最基本的足球程序。因为如果我们的机器人确定了足球的位置，并上前去控制住了足球，便可以一直带球前进，直到把球带进对方球门实现射门操作。必须注意的是，如果我们只是保证机器人探测红外足球并朝着足球的方向前进，很有可能我们的机器人变成了只会追逐足球的“球痴”。因为他并不知道对方球门在哪里，甚至可能直接把球撞进自家球门形成“乌龙球”。
所以足球机器人在找到足球之后还需要确定方向，从而运球，最终完成射门操作。我们可以使用指南针传感器模块来帮助足球机器人找到进攻的方向。指南針传感器模块的工作原理和一般的指南针无异，即利用地磁场来实现方向的定位。指南针模块将利用地球磁场确定的方向信息“翻译”成模拟电信号发送给控制机器人的单片机，这样就告诉了机器人哪个方向才是对方大门所在的方向。指南针传感器会根据角度不同，返回一个在区间（0，360）之内的数。而写入单片机的程序一般每90°划分一个区域，最终将这个区间代表的空间划分为四个区域用于指示方向。
我们进行如下设定，（0°，180°）方位区间表示机器人的前方，（180°，360°）表示机器人的后方。对方球门始终保持在机器人的前方，而我方球门始终保持在机器人的后方。
下面我们模拟足球机器踢球的大致过程：
当机器人在自身前方找到球时进入进攻模式。机器人先去追球并控球，然后判断球门位置是否为前进位置。如果是，机器人直接控球进攻；如果不是，机器人先根据指南针传感器指示的数值调整角度使自身前进方向正对对方球门，再选择进攻。
当机器人在自身后方找到球时进入防守模式。此时不能盲目扑球，因为可能使足球滚入自家大门。机器人先向靠近球门的方向移动，直到足球在自身身前被发现到，即机器人先向自家球门靠拢并绕道足球后方。然后机器人在自身前方找到球，机器人进入攻击模式。
通过单片机和指南针传感器的配合，可以保证机器人能够实现简单进攻和防守动作。机器人可以通过足球与自身位置关系选择相应的反应模式，使得机器人可以进行简单足球比赛，并且避免了乌龙球，提高了进攻和防守效率。
4 总结
这样搭建出的机器人，在测试中出现了一些小问题，如机器人无法快速转向等。我们在原本设计方案的基础上，对机器人的移动机构进行改良，如将六轮改成四轮，并添加转向辅轮。
在对机器人的单片机进行编程后，机器人可以自行探测足球的位置并根据足球和自身的位置关系进入相应的运动模式。经过测试机器人能够基本完成找球、控球、带球射门以及球在身后时的防守动作。
尽管足球机器人可以完成基本的足球动作，但完整的足球程序的编写比较复杂，要考虑的情况很多，并且更复杂的足球动作也需要更加高级的硬件与之相匹配。在今后的机器人设计中，我们应该多动手做实验、多思考，在实践中总结经验，设计出越来越完善并且具有更多满足人类需求功能的机器人。