多智能體足球機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

摘要.5ABSTRACT.錯(cuò)誤!未定義書簽。第1章緒論.61.1引言.61.2多智能體的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用.61.2.1多智能體系統(tǒng)（Multi-AgentSystem，簡寫為MAS）.61.2.2多智能體系統(tǒng)的理想研究平臺(tái)足球機(jī)器人.81.3足球機(jī)器人簡介.81.3.1足球機(jī)器人系統(tǒng)及其分類.81.3.2足球機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀.111.4ROBOCUP概述.121.4.1RoboCup比賽介紹.121.4.2RoboCup中的關(guān)鍵技術(shù).141.4.3研究RoboCup的意義.151.5論文的主要工作.16第2章足球機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu).182.1引言.182.2足球機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成.182.3本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件構(gòu)成.192.3.1機(jī)器人小車子系統(tǒng)構(gòu)成.202.3.2視覺子系統(tǒng)構(gòu)成.232.3.3通訊子系統(tǒng)構(gòu)成.262.3.4主計(jì)算機(jī).272.4足球機(jī)器人管理系統(tǒng).282.4.1策略庫.292.4.2機(jī)器人管理器.302.4.3機(jī)器人函數(shù)庫.302.4.4命令解釋器.302.4.5路徑規(guī)劃器.302.5小結(jié).31第3章多智能體足球機(jī)器人系統(tǒng)的底層控制策略設(shè)計(jì).323.1引言.323.2足球機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析.323.3球的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.343.4足球機(jī)器人的基本行為.363.4.1速控行為（Velocity）.363.4.2移動(dòng)行為.363.4.3旋轉(zhuǎn)行為(Angle).373.5足球機(jī)器人的基本動(dòng)作.393.5.1踢球（Kick）.393.5.2攔截(Block).413.5.3射門(Shoot).443.5.4守門(Goalkeep).463.5.5傳球(Pass).473.6小結(jié).50第4章多智能體足球機(jī)器人系統(tǒng)的高層控制策略設(shè)計(jì).524.1引言.524.2控制策略的實(shí)現(xiàn)過程.524.3基于產(chǎn)生式規(guī)則的高層策略表示.554.4全場區(qū)域控制策略.584.4.1場地劃分.584.4.2具體控制規(guī)則.594.5隊(duì)形的確定.634.5.1隊(duì)形的定義.634.5.2隊(duì)形的確定.644.6角色分配及轉(zhuǎn)換機(jī)制.654.6.1角色效用.664.6.2角色的分配與轉(zhuǎn)換.674.7機(jī)器人的路徑規(guī)劃與避障.704.7.1中垂線法.714.7.2人工勢(shì)場法.724.7.3虛力場法.744.7.4柵格法.754.7.5慣性預(yù)測法.774.7.6基于極限環(huán)的路徑規(guī)劃方法.774.8小結(jié).84第5章足球機(jī)器人的仿真系統(tǒng).855.1引言.855.2仿真比賽環(huán)境.855.3仿真比賽運(yùn)行機(jī)制.875.3.1SoccerServer的結(jié)構(gòu).875.3.2監(jiān)視器Monitor.905.4仿真體系結(jié)構(gòu).905.4.1服務(wù)器接口.915.4.2場上狀態(tài).915.4.3決策.925.5仿真球隊(duì)體系的建立.945.5.1客戶程序的體系結(jié)構(gòu).945.5.2客戶程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).975.5.3球員基本戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作.1005.5.4仿真程序策略流程.1015.6仿真比賽實(shí)驗(yàn).1025.6.1服務(wù)器與客戶程序的連接.1025.6.2RoboCup的仿真比賽過程.1035.6.3RoboCup的仿真比賽實(shí)現(xiàn).1045.7小結(jié).106總結(jié).錯(cuò)誤!未定義書簽。致謝.錯(cuò)誤!未定義書簽。參考文獻(xiàn).錯(cuò)誤!未定義書簽。附錄（按區(qū)域決策程序）.錯(cuò)誤!未定義書簽。第5頁摘要RoboCup足球機(jī)器人是人工智能領(lǐng)域?qū)Χ嘀悄荏w系統(tǒng)（MAS）研究的一個(gè)具有代表性的問題，是研究多智能體系統(tǒng)（MAS）的理想平臺(tái)，可以通過研究RoboCup足球機(jī)器人來重點(diǎn)突破MAS的關(guān)鍵技術(shù)。它綜合了機(jī)器人學(xué)、機(jī)電一體化技術(shù)、通訊與計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)器視覺與傳感器融合技術(shù)、決策與對(duì)策、智能控制等多學(xué)科高新技術(shù)。足球機(jī)器人系統(tǒng)是由機(jī)器人小車、視覺系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、決策系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)組成。本文對(duì)微型足球機(jī)器人決策子系統(tǒng)中的各種策略算法（底層策略和高層策略）做重點(diǎn)研究并實(shí)現(xiàn)了其部分代碼。首先介紹了足球機(jī)器人目前的發(fā)展?fàn)顩r，以及足球機(jī)器人系統(tǒng)的組成，研究了機(jī)器人足球比賽的必需的基本運(yùn)動(dòng)和基本動(dòng)作，如踢球、射門、傳球、守門等基本動(dòng)作算法。然后在基本運(yùn)動(dòng)和基本動(dòng)作的基礎(chǔ)上，采用基于產(chǎn)生式的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了足球機(jī)器人高層策略的研究，同時(shí)，根據(jù)比賽動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，對(duì)各種現(xiàn)有的路徑規(guī)劃方法進(jìn)行了比較，用基于極限環(huán)的路徑規(guī)劃方法在有眾多障礙物的環(huán)境下，使機(jī)器人可找到一條較優(yōu)化的路徑。然后對(duì)機(jī)器人足球仿真比賽系統(tǒng)作了研究,并調(diào)試了單攻、配合進(jìn)攻及11對(duì)11比賽的仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：多智能體系統(tǒng)；足球機(jī)器人；路徑規(guī)劃；仿真比賽第6頁第1章緒論1.1引言人工智能作為一門獨(dú)立的研究學(xué)科，始于二十世紀(jì)五十年代。隨著自動(dòng)化信息技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)這一強(qiáng)有力的運(yùn)算工具的進(jìn)步，對(duì)人工智能的系統(tǒng)研究半個(gè)多世紀(jì)以來，己取得了一系列成果，從“深藍(lán)”系列計(jì)算機(jī)解決的單智能體靜態(tài)可預(yù)測環(huán)境中的問題求解，到最近的多智能體動(dòng)態(tài)不可預(yù)測環(huán)境中的問題求解，成為了人工智能研究的代表性問題1。由于機(jī)器人足球賽的特點(diǎn)，決定了足球機(jī)器人的機(jī)-機(jī)對(duì)抗和人-機(jī)對(duì)抗正是研究多智能體理論的一個(gè)合適平臺(tái)。本章首先介紹了多智能體基本概念，然后介紹了足球機(jī)器人目前的發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)論文所作的主要工作作了分析。1.2多智能體的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用1.2.1多智能體系統(tǒng)（Multi-AgentSystem，簡寫為MAS）智能體(Agent)是分布式人工智能（DistributedArtificialIntelligence）的一個(gè)術(shù)語，是指運(yùn)行于特定環(huán)境，根據(jù)自身或環(huán)境的需求做出相應(yīng)的反應(yīng)，并且一旦形成某一特定目標(biāo)時(shí)，能運(yùn)用擁有的知識(shí)、能力達(dá)到這一目標(biāo)的實(shí)體2。這里所說的知識(shí)是指包括智能體所處的環(huán)境或它所要求解決問題的描述。它可以包括領(lǐng)域知識(shí)、通訊知識(shí)、控制知識(shí)等。能力是指智能體具有推理、決策、規(guī)劃、控制等能力，其能力可以是預(yù)先給定，或通過通訊獲得。第7頁目標(biāo)可以是靜態(tài)目標(biāo)也可以是動(dòng)態(tài)目標(biāo)，它可以通過算法編入、預(yù)先給定或通過通訊獲得3。所謂多智能體系統(tǒng)是由多個(gè)智能體組成的集合。在多智能體系統(tǒng)中主要研究的問題是將一個(gè)集團(tuán)（群體）要完成的目標(biāo)和任務(wù)分配給各智能體使各智能體根據(jù)總目標(biāo)，通過相互協(xié)商、協(xié)調(diào)來完成任務(wù)4。根據(jù)MAS的特點(diǎn)，它適用于如下情形的問題研究5：（1）分布式結(jié)構(gòu)的對(duì)象（2）復(fù)雜的計(jì)算（3）柔性的相互關(guān)系（4）動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境當(dāng)待求解問題具有以上特性時(shí)，用MAS的理論或技術(shù)來處理是非常適合的。典型的應(yīng)用如下6：足球機(jī)器人智能交通管理與控制智能制造系統(tǒng)電子商務(wù)醫(yī)療信息系統(tǒng)工作流程管理系統(tǒng)論文研究的足球機(jī)器人就是研究多智能體系統(tǒng)的理想平臺(tái)。第8頁1.2.2多智能體系統(tǒng)的理想研究平臺(tái)足球機(jī)器人為什么足球機(jī)器人會(huì)成為研究多智能體的理想平臺(tái)？這是由機(jī)器人足球比賽的特點(diǎn)所決定。一、足球機(jī)器人比賽是一個(gè)機(jī)器人群體對(duì)另一個(gè)機(jī)器人群體對(duì)抗的多機(jī)器人系統(tǒng)。雙方都為了一個(gè)共同目標(biāo)，不但發(fā)揮個(gè)人技能，而且必須發(fā)揮集體力量，共同合作與協(xié)同；二、在比賽場地上，雙方的形勢(shì)是時(shí)時(shí)刻刻變化的。雙方機(jī)器人必須實(shí)時(shí)了解我方和對(duì)方陣營布局的動(dòng)態(tài)變化，并根據(jù)這一變化判斷出目前的形勢(shì)，重新組織隊(duì)伍，這是機(jī)器人群體的動(dòng)態(tài)組織過程；三、比賽雙方除了要進(jìn)行實(shí)時(shí)的判斷之外，還要在己方各智能體之間通過相互間的通信來進(jìn)行協(xié)調(diào)。這是機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)機(jī)制和實(shí)時(shí)知識(shí)處理的問題7；綜上所述，足球機(jī)器人比賽不僅包含多智能體系統(tǒng)要研究的全部內(nèi)容,而且通過比賽來驗(yàn)證各方策略的優(yōu)劣。因此可以說足球機(jī)器人比賽是研究多智能體系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，是繼計(jì)算機(jī)象棋之后出現(xiàn)的人工智能研究的第二個(gè)里程碑8。1.3足球機(jī)器人簡介1.3.1足球機(jī)器人系統(tǒng)及其分類足球機(jī)器人賽顧名思義是用機(jī)器人來完成的足球比賽。因其涉及實(shí)時(shí)視覺信息處理、無線通信、多機(jī)器人協(xié)作等多項(xiàng)高新技術(shù)，具備MAS系統(tǒng)的全第9頁部基本特點(diǎn)，因而成為多智能體技術(shù)研究中的一個(gè)理想研究平臺(tái)9。專家學(xué)者希望通過研究足球機(jī)器人技術(shù)來重點(diǎn)突破MAS的各項(xiàng)關(guān)健技術(shù)，對(duì)MAS系統(tǒng)的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)問題和典型問題進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。一套典型的足球機(jī)器人系統(tǒng)通常具備如下四個(gè)基本部分：足球機(jī)器人、視覺子系統(tǒng)、決策子系統(tǒng)和無線通信子系統(tǒng)。視覺子系統(tǒng)用來獲得比賽信息，包括足球和球員的位置等；決策子系統(tǒng)用來進(jìn)行攻、防決策并協(xié)調(diào)隊(duì)員間的相互配合問題：隊(duì)員間的相互溝通通過無線通信子系統(tǒng)完成，足球機(jī)器人則用來完成要求的運(yùn)動(dòng)10。根據(jù)足球機(jī)器人的工作模式可將系統(tǒng)分為兩大類：基于視覺集中控制型足球機(jī)器人系統(tǒng)和基于機(jī)器人的分布控制型足球機(jī)器人系統(tǒng)11。1、基于視覺的集中控制型足球機(jī)器人系統(tǒng)在這種系統(tǒng)中，每個(gè)足球機(jī)器人只負(fù)責(zé)根據(jù)主機(jī)發(fā)送來的運(yùn)動(dòng)指令實(shí)現(xiàn)要求的動(dòng)作，視覺數(shù)據(jù)處理、行動(dòng)策略決策以及機(jī)器人的控制參數(shù)都在一臺(tái)主機(jī)上完成，所有足球機(jī)器人的行為都由主機(jī)通過無線方式控制。2、基于機(jī)