計(jì)算機(jī)足球機(jī)器人決策系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 畢 業(yè) 論 文足球機(jī)器人決策系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)The Design of the Strategy Subsystem in Robot Soccer學(xué)院名稱： 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 專業(yè)班級(jí)： 測(cè)控技術(shù)與儀器0602班 學(xué)生姓名： 田 園 指導(dǎo)教師姓名： 張 世 慶 指導(dǎo)教師職稱：副教授 2010年 06 月摘 要機(jī)器人足球是人工智能領(lǐng)域與機(jī)器人領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究課題，是一個(gè)極富挑戰(zhàn)性的高技術(shù)密集型項(xiàng)目。它涉及到機(jī)器人學(xué)、人工智能、智能控制、計(jì)算機(jī)視覺等多個(gè)領(lǐng)域。決策系統(tǒng)作為整個(gè)足球機(jī)器人系統(tǒng)的核心，決定了機(jī)器人間的協(xié)調(diào)協(xié)

2、作，是機(jī)器人的“大腦”。因此，決策系統(tǒng)的研究在多機(jī)器人、多智能體領(lǐng)域具有十分重要的意義。本論文以六步推理模型為指導(dǎo)思想并且以FIRA國際足球機(jī)器人比賽的5:5模式為基礎(chǔ)，針對(duì)足球機(jī)器人決策系統(tǒng)中的態(tài)勢(shì)分析所存在的局限性，在結(jié)合模糊變量法和場(chǎng)地分區(qū)法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新的態(tài)勢(shì)分析策略，通過建立五元模糊變量（其中包括球的位置、控球狀態(tài)、機(jī)器人與足球的位置關(guān)系、障礙信息、球的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)）進(jìn)行狀態(tài)描述。在軌跡規(guī)劃方面，本文采用網(wǎng)格法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑選擇，并且在比賽局部引入人工勢(shì)場(chǎng)以完善機(jī)器人避障功能。在角色策略部分，主要設(shè)計(jì)了守門員的防守策略，在結(jié)合角平分線站位法、路線站位法以及前鋒-球站位法的基礎(chǔ)上提出關(guān)鍵點(diǎn)-

3、站位體系。后期通過Middle League SimuroSot軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)守門員策略仿真。最后，設(shè)計(jì)與制作了具備無線通訊功能的足球機(jī)器人。關(guān)鍵詞：足球機(jī)器人； 決策系統(tǒng)； 態(tài)勢(shì)分析； 軌跡規(guī)劃； 守門員；ABSTRACTRobot Soccer is a focus of research project in the field of artificial intelligence as well as roboticsIn addition, it could be regarded as a challenging high-tech-intensive project in thes

4、e fields which involve robotics，artificial intelligence，intelligent control，computervision and so onThe strategy subsystem is the core of the whole RobotSoccer system，just like the brain of the robotsIt is responsible for thecooperation of the robotsSo the research of the strategy subsystem has asig

5、nificant meaning to the multi-robot and multi-agent fieldsThis thesis is based on the 5:5 models in FIRA, a popular international robot soccer game, and regarded the six-step reasoning system as lodestar. In order to improve the disadvantage of situation analyze in the strategy subsystem, a dual str

6、ategy model based on multi-analysis fuzzy vector method is proposed. The strategy combines the fuzzy cluster method and field-division method to describe the situation of each player. The five fuzzy vectors include the situation of goal, the direction of goal, the relation between robots and goal, t

7、he information of controller and obstacle. In the aspect of path planning, a reference frame coving the whole game field is used to build movement-function to overcome the deficiency of strategy field method and situation-designing. At the same time, to avoid obstacles, the concept of situation-desi

8、gning is proposed to meet the robot soccer systems need on reactivity and intelligence. By analyzing the role assignment, this thesis designs the strategy of goal keeper through combining three popular methods and realizes this strategy through Middle League SimuroSot. Finally, the part of movement

9、in the strategy subsystem is realized by YuanMeng wireless communication robotic in the end of this project.Key words:Robot soccer; Strategy subsystem; Situation analyzing; Path planning; Goalkeeper;目 錄第一章 緒論11.1 課題研究背景11.2課題研究意義31.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.4 本課題來源及論文結(jié)構(gòu)安排6第二章足球機(jī)器人系統(tǒng)概述72.1足球機(jī)器人系統(tǒng)的分類72.2 FIRA微型機(jī)器人比

10、賽介紹72.3 足球機(jī)器人系統(tǒng)介紹92.3.1 視覺系統(tǒng)102.3.2 決策系統(tǒng)102.3.3 無線通信系統(tǒng)112.3.4 機(jī)器人小車系統(tǒng)122.4本章小結(jié)12第三章決策系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)133.1 決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則133.2 總體設(shè)計(jì)流程143.3 機(jī)器人態(tài)勢(shì)分析設(shè)計(jì)15場(chǎng)地劃分16模糊變量的引入173.4 機(jī)器人路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)18柵格法路徑規(guī)劃19人工勢(shì)場(chǎng)法解決局部避障203.5角色設(shè)計(jì)213.5.1 守門員223.5.2 前鋒233.5.3 中鋒233.5.4 后衛(wèi)233.6守門員策略改進(jìn)23守門員路徑控制233.6.2 守門員防守原則243.6.3 傳統(tǒng)的策略分析243.6.4 關(guān)鍵點(diǎn)-站位體

11、系253.6.5 區(qū)域防守策略263.7本章小結(jié)28第四章決策系統(tǒng)軟件仿真294.1 仿真的目的和技術(shù)方法294.2 Middle League SimuroSot仿真平臺(tái)介紹294.2.1 仿真平臺(tái)綜述294.2.2 仿真平臺(tái)的使用314.3 決策系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)334.3.1 基本動(dòng)作設(shè)計(jì)344.3.2 守門員關(guān)鍵點(diǎn)仿真設(shè)計(jì)384.4 本章小結(jié)42第五章決策系統(tǒng)硬件搭建435.1 足球機(jī)器人實(shí)物介紹43精簡小車配置43無線通訊部分44軌跡采樣部分445.2 足球機(jī)器人裝配步驟445.3預(yù)期實(shí)現(xiàn)功能445.4本章小結(jié)46第六章總結(jié)與心得476.1課題總結(jié)476.2 課題展望48致謝49參考文獻(xiàn)5

12、0第一章 緒論隨著社會(huì)科技的飛速發(fā)展，智能系統(tǒng)的出現(xiàn)成為科學(xué)發(fā)展歷史上耀眼的一筆。它是集機(jī)械、材料、計(jì)算機(jī)、人工智能、信息處理與通訊等技術(shù)于一體，具有多學(xué)科交叉和融合的特點(diǎn)12。通過機(jī)器人的相互協(xié)作來完成一些復(fù)雜的問題，取締了在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下的人工作業(yè)，同時(shí)，它強(qiáng)大的運(yùn)算能力、通訊能力以及事物處理能力也為人們的工作生活帶來不可估量的影響。足球機(jī)器人系統(tǒng)主要由小車系統(tǒng)、視覺子系統(tǒng)、無線通訊子系統(tǒng)以及決策子系統(tǒng)四部份組成。決策系統(tǒng)在足球機(jī)器人的研究中占有極其重要的作用。通過研究足球機(jī)器人決策系統(tǒng)有助于解決智能體的信息獲取、認(rèn)識(shí)建模、路徑規(guī)劃、策略學(xué)習(xí)以及反饋執(zhí)行等一系列問題3。本文分析了決

13、策系統(tǒng)中態(tài)勢(shì)分析和軌跡規(guī)劃兩個(gè)環(huán)節(jié)，總結(jié)國內(nèi)外設(shè)計(jì)方法，提出相應(yīng)的改進(jìn)策略。同時(shí)，針對(duì)足球比賽中極為重要的角色守門員的策略設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，通過建立站位體系和關(guān)鍵點(diǎn)以克服傳統(tǒng)的角平分站位法、前鋒-球站位法、中垂線法存在的缺陷。并且在最后通過Middle League SimuroSot 5vs5仿真平臺(tái)對(duì)守門員策略進(jìn)行仿真。此外，在運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)上，通過圓夢(mèng)二代小車實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)決策。1.1 課題研究背景足球機(jī)器人最初是由英屬哥倫比亞大學(xué)的Alan Mackworth教授在其1992年的“On Seeing Robots”一文中提出4。隨后，韓國學(xué)者金鐘煥在1996年于韓國高等技術(shù)研究院（KAIST）所在

14、的韓國（Daejeon）開始主辦機(jī)器人足球比賽（Mirosot），第二年，全球十四個(gè)國家代表成立了國際機(jī)器人足球聯(lián)盟（FIRA），決定在FIRA的組織下每年都舉辦MIROSOT。從1996年在韓國大田的KAIST舉辦第一屆MiroSot比賽至今，F(xiàn)IRA已經(jīng)舉行了十二屆世界杯比賽，足跡遍布亞洲、歐洲、美洲和大洋洲，成為各類國際機(jī)器人競(jìng)賽中最具水平和影響力的賽事之一5。在FIRA比賽蓬勃開展的同時(shí)，有關(guān)機(jī)器人足球系統(tǒng)和機(jī)器人足球競(jìng)賽的理論研究也取得了長足的進(jìn)步。在每一屆機(jī)器人足球世界杯比賽和地區(qū)性比賽期間，主辦者都會(huì)舉行相關(guān)的培訓(xùn)和研討會(huì)，并召開一些機(jī)器人足球?qū)ｎ}學(xué)術(shù)會(huì)議。例如，2002年在韓國

15、召開的2002FIRA Robot World Congress,就錄用了來自26個(gè)國家的142篇論文；2003年在北京舉行的中國機(jī)器人足球大賽錄用了全國數(shù)十所高校的近百篇論文6。這些論文集中介紹了與足球機(jī)器人相關(guān)的視覺系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、動(dòng)作設(shè)計(jì)、策略系統(tǒng)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的最新研究成果。同時(shí)，足球機(jī)器人正以一種高技術(shù)對(duì)抗的形式贏得學(xué)術(shù)界的認(rèn)同。一些學(xué)術(shù)刊物如Artificial Intelligence Journal、AI Magazine、Applied Artificial Intelligence、Advanced Robotics Journal等都出版了機(jī)器人足球?qū)］?。在國?nèi)，機(jī)器人足球的

16、研究近幾年來也取得長足的進(jìn)步9。目前，國內(nèi)有很多大學(xué)都有了自己的FIRA機(jī)器人足球隊(duì)，其中包括哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）、四川大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢科技大學(xué)、武漢工程大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)、西華大學(xué)等。從1999年開始，國內(nèi)開始組織全國性的機(jī)器人足球比賽，以及相關(guān)的學(xué)術(shù)交流活動(dòng)7。目前，從機(jī)器人足球的國際發(fā)展來看，主要有以下幾個(gè)方面特點(diǎn)。（1）發(fā)展迅速，比賽規(guī)模逐年擴(kuò)大經(jīng)過近十年的發(fā)展，F(xiàn)IRA已經(jīng)從最初參賽的37支代表隊(duì)發(fā)展到30多個(gè)國家組織的上百支球隊(duì)。RoboCup現(xiàn)有成員國近40個(gè)，參賽隊(duì)已經(jīng)從最初的37支代表隊(duì)發(fā)展到今天的

17、一百多支8?？梢姍C(jī)器人足球發(fā)展之迅速。（2）競(jìng)爭(zhēng)激烈，比賽水平提高很快由于參賽隊(duì)伍多，除了一些一流強(qiáng)隊(duì)外，大部分實(shí)力接近，競(jìng)賽趨于激烈。這表明機(jī)器人足球已經(jīng)受到各國的高度重視。每屆世界杯賽各隊(duì)的戰(zhàn)術(shù)水平都有明顯提高，都會(huì)出現(xiàn)新穎的軟件、硬件設(shè)計(jì)和巧妙的戰(zhàn)術(shù)配合。（3）得到著名期刊、國際研討會(huì)議的高度重視機(jī)器人足球正以一種高科技對(duì)抗性的形式贏得學(xué)術(shù)界的認(rèn)同。一些學(xué)術(shù)刊物如The Intelligence Journal of Intelligent Automation and Soft Computer、The Journal on Robotics and Autonomous System

18、都出版了機(jī)器人足球的專輯12。一年一度的世界杯賽也都同時(shí)召開學(xué)術(shù)會(huì)議，推動(dòng)相關(guān)學(xué)術(shù)的進(jìn)展。（4）歐美以及韓國、日本的機(jī)器人足球水平仍然處于領(lǐng)先地位1.2課題研究意義機(jī)器人足球是人工智能領(lǐng)域與機(jī)器人領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究課題，是一個(gè)極富挑戰(zhàn)性的高技術(shù)密集型項(xiàng)目。它涉及的主要研究領(lǐng)域有:小車機(jī)械、機(jī)器人學(xué)、機(jī)電一體化、單片機(jī)、數(shù)據(jù)融合、精密儀器、實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理、圖象處理與圖象識(shí)別、知識(shí)工程與專家系統(tǒng)、決策、軌跡規(guī)劃、自組織與自學(xué)習(xí)理論、多智能體協(xié)調(diào)、以及無線通訊等等9。而決策系統(tǒng)在足球機(jī)器人的研究中占有極其重要的作用，通過研究足球機(jī)器人決策系統(tǒng)有助于解決智能體的信息獲取、認(rèn)識(shí)建模、路徑規(guī)劃、策略學(xué)習(xí)以及

19、反饋執(zhí)行等一系列問題。此外，除了在智能體理論方面的研究具有重要意義外，足球機(jī)器人決策系統(tǒng)的學(xué)習(xí)還有著廣闊的應(yīng)用前景。(1)工業(yè)應(yīng)用：將機(jī)器人足球技術(shù)中的多機(jī)器人協(xié)作應(yīng)用到生產(chǎn)自動(dòng)化上，用以改造舊的企業(yè)技術(shù)或開發(fā)新型高技術(shù)產(chǎn)品。(2)軍事應(yīng)用：將多機(jī)器人協(xié)作技術(shù)及戰(zhàn)略具體應(yīng)用到機(jī)器人部隊(duì)的協(xié)同作戰(zhàn)或救災(zāi)機(jī)器人部隊(duì)的協(xié)同救護(hù)系統(tǒng)上。(3)體育應(yīng)用：將多機(jī)器人協(xié)作技術(shù)應(yīng)用到足球、籃球等體育團(tuán)體競(jìng)技項(xiàng)目中，改進(jìn)競(jìng)技策略，并使體育競(jìng)技超現(xiàn)代化方向發(fā)展。(4)太空應(yīng)用：將多機(jī)器人協(xié)作技術(shù)應(yīng)用到多衛(wèi)星協(xié)調(diào)中，使衛(wèi)星更加平穩(wěn)安全運(yùn)行。綜上所述，開展足球機(jī)器人決策子系統(tǒng)的研究對(duì)于智能體結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)和工業(yè)等領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)

20、用都具有極其重要的作用。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀MiroSot足球機(jī)器人系統(tǒng)由4個(gè)部分組成：視覺子系統(tǒng)、決策子系統(tǒng)，通信子系統(tǒng)和機(jī)器人小車子系統(tǒng)。其中，最關(guān)鍵的是決策子系統(tǒng)，它相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，因此決策子系統(tǒng)是整個(gè)足球機(jī)器人系統(tǒng)中研究最多的部分10。決策子系統(tǒng)面對(duì)的是一個(gè)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、難以得到精確模型的環(huán)境，所以決策子系統(tǒng)必須滿足實(shí)時(shí)反應(yīng)快、適應(yīng)能力強(qiáng)、智能度高等幾方面的要求。主要實(shí)現(xiàn)步驟包括場(chǎng)地信息預(yù)處理、態(tài)勢(shì)分析、隊(duì)形確定與角色分配、軌跡規(guī)劃以及基本動(dòng)作實(shí)現(xiàn)等。其中在態(tài)勢(shì)分析部分，現(xiàn)今主要的實(shí)現(xiàn)方案有以下兩種：（1）建立模糊變量基于模糊關(guān)系的模糊變換是模糊控制中極為重要的運(yùn)算過程。所謂模

21、糊變換，是指給定兩個(gè)集合之間的一個(gè)模糊關(guān)系，據(jù)此將一個(gè)集合上的模糊子集經(jīng)運(yùn)算得到另一個(gè)集合上的模糊子集的過程。模糊變換如圖1.1所示，若輸入為A，則可經(jīng)運(yùn)算，求得模糊輸出B11。RAB圖1.1 模糊變換示意圖Fig.1.1 Fuzzy Conversion Sketch Map設(shè)R為X*Y上的模糊關(guān)系，A是X上的模糊子集，則可求得相應(yīng)的B為：B=A*R12。上式就是模糊變換，結(jié)果B實(shí)際上是模糊子集A和模糊關(guān)系矩陣R的合成，它把X中的模糊集A變?yōu)閅上的模糊集B，實(shí)現(xiàn)了論域的轉(zhuǎn)換。當(dāng)R表示的是某種邏輯因果關(guān)系時(shí)，模糊變換就是一種模糊推理13。（2）狀態(tài)空間分區(qū)在機(jī)器人足球比賽中，球在場(chǎng)地中的位置及

22、人與球的相對(duì)位置，決定運(yùn)動(dòng)員應(yīng)采取的動(dòng)作,機(jī)器人足球比賽與人類足球比賽類似，球是比賽場(chǎng)上的核心，它所處的位置直接決定著每個(gè)機(jī)器人應(yīng)采取的動(dòng)作。國內(nèi)外決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上廣泛采用空間分區(qū)的方法將球場(chǎng)劃分成為不同的區(qū)域，如死區(qū)、緊防守區(qū)、松防守區(qū)、中場(chǎng)區(qū)、進(jìn)攻區(qū)。當(dāng)球、敵方或者我方進(jìn)入不同的區(qū)域內(nèi)時(shí)計(jì)算機(jī)針對(duì)不同情況做出相應(yīng)的決策14。以上兩種態(tài)勢(shì)規(guī)劃的方法分別存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。前者模糊矢量的建立較為便捷，容易上手，但是各個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域的標(biāo)定只存在于徑向的劃分，而對(duì)于寬度方向并未增加界定，這樣的設(shè)計(jì)對(duì)于最終的機(jī)器人控制具有極大的影響，怎樣進(jìn)行分區(qū)和規(guī)則建立，是設(shè)計(jì)者需要考慮的問題。而后者突出了場(chǎng)地不同位置

23、的特征值，但卻忽略了對(duì)于場(chǎng)上其他因素（例如在相同區(qū)域中對(duì)方球員的個(gè)數(shù)）對(duì)比賽的影響。此外，為了讓機(jī)器人在掌握?qǐng)錾蠎B(tài)勢(shì)的前提下準(zhǔn)確、迅速地實(shí)現(xiàn)各自角色相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)路徑，路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中的重要任務(wù)之一。路徑規(guī)劃問題可以描述成：給定一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人所處的環(huán)境，一個(gè)起始點(diǎn)和一個(gè)期望的終止點(diǎn)，機(jī)器人路徑規(guī)劃根據(jù)一定的任務(wù)要求，尋求一條連接七點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)并且能避開環(huán)境中障礙物的運(yùn)動(dòng)軌跡，即最優(yōu)或次優(yōu)有效路徑。許多研究人員針對(duì)路徑規(guī)劃問題開展了大量的理論研究。目前最常用的軌跡規(guī)劃方法如下：（1）人工勢(shì)場(chǎng)法人工勢(shì)場(chǎng)法由Khatib于1986年提出的，其基本思想是構(gòu)造目標(biāo)位姿引力場(chǎng)和障礙物周圍的斥力場(chǎng)共同作

24、用的人工勢(shì)場(chǎng)。在這個(gè)構(gòu)造出的勢(shì)場(chǎng)中，每一個(gè)點(diǎn)都具有自己勢(shì)場(chǎng)的大小和方向，機(jī)器人沿著合成的勢(shì)場(chǎng)力方向運(yùn)動(dòng)，繞開障礙物，向目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)15。人工勢(shì)場(chǎng)法結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可以考慮了多個(gè)障礙物的影響并允許機(jī)器人在一個(gè)連續(xù)變化的環(huán)境中自由移動(dòng)。它的缺點(diǎn)也很明顯，人工勢(shì)場(chǎng)法是一種局部尋優(yōu)方法，只著眼于得到一條能夠避障的可行路徑，對(duì)路徑是否最優(yōu)并未加以考察。人工勢(shì)場(chǎng)的建立結(jié)構(gòu)較為簡單，使用方便，可以考慮到多個(gè)機(jī)器人和球的共同影響。但是缺點(diǎn)也是很明顯的，運(yùn)用人工勢(shì)場(chǎng)法機(jī)器人最為關(guān)注的是怎樣避開障礙物，而對(duì)于路徑是否最優(yōu)并未有太多考慮，因此，該方法適合運(yùn)用于局部避障系統(tǒng)，而對(duì)于全局設(shè)計(jì)欠佳。（2）柵格法針對(duì)人工

25、勢(shì)場(chǎng)的缺陷，J.Borenstein設(shè)計(jì)了一種稱為VFH（vector field histogram）的方法，該方法采用柵格表示環(huán)境。其中，某一個(gè)柵格范圍內(nèi)不包含任何障礙物，則稱此柵格為自由柵格16；反之，稱為障礙柵格由這些柵格構(gòu)成了一個(gè)連通圖，在這個(gè)連通圖上搜索一條從起始柵格到目標(biāo)柵格的路徑，該路徑均由自由柵格構(gòu)成，用柵格的序號(hào)來表示。最后把柵格序號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)器空間的實(shí)際坐標(biāo)，令機(jī)器人按此路徑運(yùn)動(dòng)。柵格法路徑規(guī)劃包括建立模型、生成障礙物地圖和搜索無碰最優(yōu)路徑三個(gè)過程17。通過搜索獲取自由柵格，機(jī)器人可以有效地進(jìn)行路徑規(guī)劃，只要搜尋方法設(shè)計(jì)得當(dāng)，能夠做出最優(yōu)路徑判斷。但是在使用柵格法的時(shí)候，需

26、要注意柵格的大小設(shè)計(jì)，如果選擇過大，可能會(huì)造成機(jī)器人決策的不精確，影響軌跡規(guī)劃；反之，如果柵格分得過細(xì)，又會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)存儲(chǔ)量過大，加重計(jì)算機(jī)負(fù)荷。（3）遺傳算法遺傳算法是一種人工智能方法，在1975年左右由美國密歇根大學(xué)的Holland教授研究得出。遺傳算法模仿了生物的遺傳、進(jìn)化原理，并引用了隨機(jī)統(tǒng)計(jì)理論。在求解過程中，算法從一個(gè)初始變量群體開始，逐代尋找問題的最優(yōu)解，直至滿足收斂判據(jù)或預(yù)先設(shè)定的迭代次數(shù)為止，屬于迭代式算法18。該方法是一種自適應(yīng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，一大特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。利用遺傳算法解決機(jī)器人動(dòng)態(tài)環(huán)境的軌跡規(guī)劃問題，可以避免困難繁瑣的理論推導(dǎo)，直接獲取問題的最優(yōu)解。但遺傳算法

27、運(yùn)算速度不快，進(jìn)化過程的規(guī)劃要占用較大的存儲(chǔ)空間和運(yùn)算時(shí)間。1.4 本課題來源及論文結(jié)構(gòu)安排本文研究了足球機(jī)器人決策系統(tǒng)并側(cè)重研究決策系統(tǒng)中態(tài)勢(shì)分析和軌跡規(guī)劃兩個(gè)部分。通過綜合國內(nèi)外研究方案，建立四元模糊矢量模型和軌跡規(guī)劃方案以完善相應(yīng)的策略部分。對(duì)于角色分配部分，以守門員為例進(jìn)行策略設(shè)計(jì)。全文分為六章，本文后續(xù)章節(jié)內(nèi)容安排如下：第二章，足球機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。介紹足球機(jī)器人的分類，以及機(jī)器人在FIRA國際比賽和實(shí)際系統(tǒng)中的構(gòu)成。第三章，決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要介紹在遵循六步推理模型的基礎(chǔ)上決策系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，其中包括態(tài)勢(shì)分析、路徑規(guī)劃、角色分配等環(huán)節(jié)策略的設(shè)計(jì)。并且針對(duì)角色分配中守門員的任務(wù)要求

28、提出了關(guān)鍵點(diǎn)-站位體系。第四章，決策系統(tǒng)軟件仿真。介紹了Middle League SimuroSot 5vs5仿真平臺(tái)，并且以守門員決策系統(tǒng)為例，運(yùn)用該仿真軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案。第五章，決策系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。介紹圓夢(mèng)二代小車的實(shí)物系統(tǒng)組成，硬件搭建過程以及預(yù)期實(shí)現(xiàn)功能。第六章，對(duì)本次設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)并提出后續(xù)研究的展望。第二章 足球機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1足球機(jī)器人系統(tǒng)的分類根據(jù)感知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式和策略決策所在的位置，足球機(jī)器人系統(tǒng)可劃分為：集控式足球機(jī)器人系統(tǒng)、集中視覺式(半自主式)足球機(jī)器人系統(tǒng)、分布控制式(自主式)足球機(jī)器人系統(tǒng)19。集控式足球機(jī)器人系統(tǒng)集控式足球機(jī)器人系統(tǒng)通過由安放在球場(chǎng)上放的攝像

29、頭獲取視覺圖像，并送至主機(jī)進(jìn)行圖像分析與識(shí)別，由決策系統(tǒng)統(tǒng)一決策，以廣播的形式通過無線通訊發(fā)送給本隊(duì)各機(jī)器人，機(jī)器人進(jìn)而做出動(dòng)作反應(yīng)。該系統(tǒng)屬于集中視覺遙控?zé)o腦多機(jī)器人系統(tǒng)。FIRA微機(jī)器人賽和RoboCup的小型組機(jī)器人比賽多采用此類系統(tǒng)。集中視覺式(半自主式)足球機(jī)器人系統(tǒng)集中視覺式足球機(jī)器人系統(tǒng)是向分布式過渡的一種方案，只是將主機(jī)中的決策系統(tǒng)下載到各機(jī)器人的單片機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的獨(dú)立決策。在此系統(tǒng)中，多智能體協(xié)調(diào)問題變得突出和現(xiàn)實(shí)起來。該系統(tǒng)也常用在小型組足球機(jī)器人系統(tǒng)中。分布控制式(自主式)足球機(jī)器人系統(tǒng)自主式足球機(jī)器人系統(tǒng)中的各機(jī)器人能自主實(shí)現(xiàn)主動(dòng)感知、思維決策、動(dòng)作響應(yīng)等功能。即

30、全部功能環(huán)節(jié)均由機(jī)器人獨(dú)立實(shí)現(xiàn)。由于分別感知，攝像頭置于機(jī)器人車體之上，視場(chǎng)不斷變動(dòng)，視野局限性較大，故信息不夠完整，給決策帶來困難；并且機(jī)器人之間的溝通需靠無線通訊網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)形式和協(xié)議也是須待解決的關(guān)鍵問題。2.2 FIRA微型機(jī)器人比賽介紹FIRA是由韓國高等科學(xué)研究院的金鐘煥創(chuàng)立的機(jī)器人足球比賽組織。在1997年6月7日韓國大田召開了FIRA成立大會(huì)，通過了FIRA章程，選舉了領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)。緊接著又舉行了MiroSot97賽事，同時(shí)召開了學(xué)術(shù)會(huì)議，引發(fā)了文集和錄像帶，使這個(gè)新生事物揚(yáng)名海外，茁壯成長20。自此以后，F(xiàn)IRA每年舉辦一屆比賽。經(jīng)過近十年的發(fā)展，F(xiàn)IRA已經(jīng)從最初參賽的37支代表

31、隊(duì)發(fā)展到30多個(gè)國家組織的上百支球隊(duì)。FIRA比賽分為微型機(jī)器人足球錦標(biāo)賽（MiroSot）、仿真機(jī)器人足球錦標(biāo)賽（SimuroSot）和類人機(jī)器人足球錦標(biāo)賽(HuroSot)三種比賽項(xiàng)目，其中微型機(jī)器人世界杯足球錦標(biāo)賽是目前FIRA系列中歷史最悠久、影響最廣泛的比賽類別之一。本論文也是基于微型機(jī)器人比賽（MiroSot 5vs5）來進(jìn)行決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)的21。220cm在微型機(jī)器人比賽中，每個(gè)隊(duì)伍使用一臺(tái)或兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過置于場(chǎng)地上方支架上的攝像頭來獲取場(chǎng)地信息。在接收到場(chǎng)地信息后主機(jī)進(jìn)行信息預(yù)處理、機(jī)器人決策以及控制指令發(fā)送等工作。比賽進(jìn)行中操作人員是不允許接觸和控制機(jī)器人的。比賽每隊(duì)由

32、五個(gè)邊長不超過7.5cm的立方體的遙控小車（機(jī)器人）組成。它們的任務(wù)就是將橘紅色的高爾夫球（足球）撞入對(duì)方的球門而力保本方不失球或少失球。比賽規(guī)則與人類足球類似，也有點(diǎn)球、任意球和門球，如果需要，也進(jìn)行加時(shí)賽。只是因電池容量有限，每半場(chǎng)為5分鐘，中間休息10分鐘。與人類足球的明顯不同之處在于球場(chǎng)四周有圍墻，所以沒有界外球，而在相持10秒后判爭(zhēng)球22。球場(chǎng)標(biāo)記如圖2.1所示：25cmFIRA40cm60cm80cm7cm90cm50cm15cm55cm5cm15cm180cm37.5cm35cm30cm(FB)(FB)(FB)(FB)(PK,FK)(PK,FK)圖2.1 中型組（5vs5）場(chǎng)地標(biāo)

33、記Fig.2.1 The Field of Medium-sized Competition(5vs5)FB：free-ball（爭(zhēng)球）放球點(diǎn)；PK：penalty-kick（點(diǎn)球）放球點(diǎn)；FK：free-kick(任意球)放球點(diǎn)；在MiroSot 5vs5比賽中，比賽將在兩個(gè)隊(duì)之間進(jìn)行，每對(duì)包括五個(gè)機(jī)器人，其中之一為守門員。球隊(duì)由三個(gè)人組成，分別是領(lǐng)隊(duì)、教練和訓(xùn)練員，他們只允許留在看臺(tái)上觀看。2.3 足球機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)小型足球機(jī)器人系統(tǒng)包括：視覺系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)以及機(jī)器人車體四個(gè)組成部分。足球機(jī)器人在比賽過程中首先通過安裝在球場(chǎng)上方的攝像頭攝取賽場(chǎng)上的信息，送至上位機(jī)進(jìn)行圖像分析

34、與識(shí)別；由充當(dāng)教練員的決策軟件統(tǒng)一決策，形成機(jī)器人的控制命令，然后通過無線通訊的方式發(fā)送給機(jī)器人，每個(gè)足球機(jī)器人只要負(fù)責(zé)根據(jù)主機(jī)發(fā)送來的運(yùn)動(dòng)指令通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)作即可。足球機(jī)器人結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示：視覺子系統(tǒng)圖像獲取攝像頭圖像處理模糊識(shí)別球場(chǎng)環(huán)境信息通信子系統(tǒng)決策子系統(tǒng)（推理、決策）機(jī)器人控制命令球場(chǎng)圖像機(jī)器人小車系統(tǒng)1機(jī)器人小車系統(tǒng)2電機(jī)控制無線接收.電機(jī)控制.無線接收.球場(chǎng)環(huán)境輪速控制圖2.2 足球機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2.2 Structure Chart of Robot Soccer System以上四個(gè)子系統(tǒng)必須全部正常運(yùn)行才能保證整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而系統(tǒng)

35、性能的提高也依賴于每個(gè)子系統(tǒng)統(tǒng)一提高，在系統(tǒng)中任何一個(gè)部分都有可能成為整個(gè)系統(tǒng)瓶頸，所以每一個(gè)子系統(tǒng)都需要全面均衡，并且根據(jù)其他子系統(tǒng)情況適當(dāng)調(diào)整相關(guān)性能參數(shù)。下面針對(duì)足球機(jī)器人的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。視覺系統(tǒng)視覺系統(tǒng)是足球機(jī)器人的信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，由攝像頭、采集卡等硬件處理設(shè)備和圖像處理軟件組成。每個(gè)隊(duì)有自己的顏色標(biāo)識(shí)，每個(gè)隊(duì)員也有自己區(qū)分其他隊(duì)員的顏色標(biāo)識(shí)。視覺系統(tǒng)的任務(wù)是實(shí)時(shí)采集和處理足球場(chǎng)上的比賽場(chǎng)景，從而獲得各機(jī)器人和球的速度、方位等信息23。視覺系統(tǒng)的輸出是決策系統(tǒng)的輸入，視覺部分的關(guān)鍵是獲得準(zhǔn)確的機(jī)器人的位姿信息，為決策系統(tǒng)協(xié)調(diào)策略做好準(zhǔn)備。場(chǎng)上形勢(shì)瞬息萬變，視覺系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)每秒數(shù)

36、十幅彩色圖像的辨識(shí)，并給出各實(shí)體精確的位姿，故視覺系統(tǒng)要求具有實(shí)時(shí)性，精確性；除此之外由于比賽時(shí)光照不均，還可能出現(xiàn)各類色光干擾，視覺系統(tǒng)還要考慮抗干擾性。視覺子系統(tǒng)的軟件流程如圖2.3所示。攝像頭圖像采集卡A/D轉(zhuǎn)化圖像識(shí)別算法決策系統(tǒng)圖2.3 視覺子系統(tǒng)流程圖Fig.2.3 Flow Chart of Vision System在設(shè)計(jì)視覺系統(tǒng)需要考慮的問題如下24：(1)圖像增強(qiáng)。濾除噪聲，提高質(zhì)量；(2)圖像恢復(fù)。對(duì)于幾何畸變的矯正；(3)色標(biāo)設(shè)計(jì)與辨識(shí)算法研究；(4)顏色模型的選擇與亮度不變性的考慮；(5)顏色分割與特征提取算法；(6)視覺系統(tǒng)處理信息的速度；(7)辨識(shí)精度。2.3.2

37、決策系統(tǒng)決策系統(tǒng)是整個(gè)比賽系統(tǒng)的核心，是連接視覺系統(tǒng)和無線通訊系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。決策系統(tǒng)是一個(gè)多智能體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。它主要包括：視覺信息預(yù)測(cè)處理，多智能體(MAS)協(xié)調(diào)策略、角色分配執(zhí)行、路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制這幾個(gè)主要部分。還有很多和其他系統(tǒng)的接口。由于整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)作過程中會(huì)產(chǎn)生信息傳遞延時(shí)，視覺信息不能真實(shí)的反映當(dāng)前機(jī)器人和球的位置坐標(biāo)和方向，需要對(duì)位置信息進(jìn)行預(yù)測(cè)。一般采用的辦法有擴(kuò)展卡爾曼濾波、線性模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。一段時(shí)間內(nèi)或者有一定目的的機(jī)器人隊(duì)伍整體決策稱為戰(zhàn)術(shù)，根據(jù)不同的情況采用不同的戰(zhàn)術(shù)。每個(gè)機(jī)器人都會(huì)分配到不同的任務(wù)，并且每個(gè)戰(zhàn)術(shù)都有它的應(yīng)用條件，通過戰(zhàn)術(shù)選擇算

38、法在比賽中決策系統(tǒng)能自適應(yīng)對(duì)手進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)選擇，對(duì)任何對(duì)手都能以最高效率進(jìn)行比賽。路徑規(guī)劃的問題是機(jī)器人如何避開所有的障礙從一點(diǎn)走到另一點(diǎn)，常用算法有：基于格點(diǎn)的算法，遺傳算法，人工勢(shì)場(chǎng)法，Delaunay三角法，幾何方法，隨機(jī)擴(kuò)展搜索算法等25。2.3.3無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)是聯(lián)系主機(jī)與機(jī)器人的橋梁與紐帶，主要負(fù)責(zé)把決策指令通過串行方式輸出至無線發(fā)射機(jī)，經(jīng)調(diào)制后發(fā)射出去，機(jī)器人內(nèi)的無線接收機(jī)解調(diào)出無線信號(hào)上所載命令信息。無線通信過程如圖2.4所示：數(shù)字信號(hào)PWMRF發(fā)送器R/C接收器PWMCPU通信子系統(tǒng)機(jī)器人小車圖2.4 無線通信過程Fig.2.4 Flow Chart of Wirele

39、ss Communication System通信系統(tǒng)分為發(fā)射系統(tǒng)和車載接收系統(tǒng)兩部分，發(fā)射裝置與主機(jī)相連，接收裝置在足球機(jī)器人上。來自主機(jī)決策系統(tǒng)的控制命令（數(shù)字信號(hào)）通過計(jì)算機(jī)的串行口送至通信發(fā)射模塊，經(jīng)過調(diào)制后發(fā)射出去，機(jī)器人的通信接收模塊接收命令并解調(diào)后傳送給車載微處理器進(jìn)一步處理，以決定機(jī)器人的行為26。在通信過程中，信號(hào)以無線電波的方式傳輸比較容易受到外界信號(hào)（各種噪聲及近頻帶信號(hào)）的干擾而產(chǎn)生誤差；同時(shí)由于機(jī)器人上的接收器與機(jī)器人的控制電路安排在一起，還裝有驅(qū)動(dòng)電路和電動(dòng)機(jī)，電磁環(huán)境惡劣也容易受到干擾而產(chǎn)生誤差，通信過程有誤差將導(dǎo)致機(jī)器人錯(cuò)誤的動(dòng)作，所以要求通信系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干

40、擾能力和可靠性。無線通信子系統(tǒng)式機(jī)器人足球閉環(huán)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其通信性能的好壞，將嚴(yán)重影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和比賽是否能夠順利進(jìn)行。為了提高通信質(zhì)量和通信效率，在設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)是應(yīng)該注意通信芯片的選擇和通信協(xié)議的制定。2.3.4機(jī)器人小車系統(tǒng)機(jī)器人車體可分為機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電路控制兩個(gè)部分，機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要功能是機(jī)械傳動(dòng)和運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，是足球機(jī)器人系統(tǒng)的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其性能的好壞在一定程度上決定了比賽的勝負(fù)，所以機(jī)器人實(shí)體必須具備良好的穩(wěn)定性和靈活性，能夠快速實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、停止等基本動(dòng)作，并根據(jù)指令要求完成戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作(帶球、射門等戰(zhàn)術(shù))。機(jī)械部分主要包括行走機(jī)構(gòu)、帶球機(jī)構(gòu)和擊球機(jī)構(gòu)；電路

41、控制部分的功能是與無線通訊接口，接受運(yùn)動(dòng)控制指令，驅(qū)動(dòng)和控制各機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)。控制電路可分為四個(gè)部分：(1)無線通訊系統(tǒng)的接收端。用來接收和解碼無線指令，獲得決策命令。(2)主控制電路。用來執(zhí)行決策命令，給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)。(3)驅(qū)動(dòng)電路，主要用來驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)和球處理機(jī)構(gòu)等驅(qū)動(dòng)電路。(4)傳感器電路。用來為執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制提供反饋信息，以達(dá)到精確、有效的執(zhí)行決策指令的目的27。2.4本章小結(jié)本章從總體上介紹了足球機(jī)器人系統(tǒng)，其中包括足球機(jī)器人分類、FIRA國際比賽規(guī)則和場(chǎng)地規(guī)劃。同時(shí)，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了總體概述，針對(duì)視覺系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)和小車系統(tǒng)分別介紹，從整體上對(duì)機(jī)器人有

42、了宏觀認(rèn)識(shí)。第三章 決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)決策子系統(tǒng)是足球機(jī)器人比賽系統(tǒng)的大腦，它以視覺系統(tǒng)處理得到的球場(chǎng)環(huán)境信息數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況（如當(dāng)前得分、控球方、對(duì)手的水平等因素）安排相應(yīng)的策略，決定是進(jìn)攻還是防守，確定機(jī)器人隊(duì)形和角色分配，然后根據(jù)從策略數(shù)據(jù)庫調(diào)用的策略，規(guī)劃機(jī)器人的任務(wù)，決定各機(jī)器人的路徑規(guī)劃，并生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，從動(dòng)作函數(shù)庫中調(diào)用相應(yīng)的動(dòng)作函數(shù)進(jìn)行軌跡跟蹤，然后形成各機(jī)器人小車左右輪輪速的控制命令，最后通過通信子系統(tǒng)發(fā)送給賽場(chǎng)上的足球機(jī)器人。決策子系統(tǒng)是決定整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的重要因素。它極大地影響著比賽的勝負(fù)結(jié)果。3.1 決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則決策子系統(tǒng)在制定決策時(shí)更多的可以參照盲人教練思維過

43、程展開，如果說決策子系統(tǒng)充當(dāng)?shù)氖墙叹殕T的職責(zé)，那么教練員是個(gè)盲人，他只能通過所接收到的關(guān)于場(chǎng)上敵我雙方的位置、局勢(shì)、陣型以及各自運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的信息來進(jìn)行比賽分析，再做出決策指揮全隊(duì)球員的左右腳行動(dòng)(左右輪速)?；诿と私叹毜乃季S過程，東北大學(xué)徐心和教授提出了六步推理模型，在機(jī)器人決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)中被廣泛使用。本課題以該模型為指導(dǎo)思想，將策略分為了以下六個(gè)步驟28：（1）輸入信息預(yù)處理。主要是計(jì)算各個(gè)實(shí)體之間的距離，雙方機(jī)器人和足球的速度矢量以及角速度。（2）態(tài)勢(shì)分析與決策選擇。通過分析球的位置和雙方機(jī)器人的位置來判斷各個(gè)機(jī)器人應(yīng)該采用進(jìn)攻策略還是防守策略。（3）隊(duì)形確定與決策分配。根據(jù)各個(gè)隊(duì)員所在位置

44、進(jìn)行角色劃分，例如：首先確定守門員，再根據(jù)所處位置判定進(jìn)攻與防守的人數(shù)比例。（4）目標(biāo)位置確定及動(dòng)作選擇。每一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)作都是由很多個(gè)基本動(dòng)作組合而成，基本動(dòng)作包括定點(diǎn)（以一定速度運(yùn)動(dòng)到某點(diǎn)）和轉(zhuǎn)角（以一定角速度轉(zhuǎn)過既定角度）。（5）運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃。從效果上來看是指在哪些條件下直接運(yùn)動(dòng)到定點(diǎn)，什么時(shí)候走曲線，哪些情況下需要避障。（6）小車輪速確定。六步推理模型很好地描述了機(jī)器人足球決策系統(tǒng)的決策思路，但在實(shí)際決策應(yīng)注意根據(jù)實(shí)際情況分解決策過程分解，避免在不必要的時(shí)候分解過細(xì)而造成機(jī)器人執(zhí)行的不連貫。3.2總體設(shè)計(jì)流程決策系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的流程圖如圖3.1所示：視覺信息信息預(yù)處理態(tài)勢(shì)分析和任務(wù)分解隊(duì)形

45、確定角色分配角色解釋技術(shù)動(dòng)作基本動(dòng)作速度指令視覺系統(tǒng)路徑規(guī)劃規(guī)則表協(xié)調(diào)、分配無線傳輸守門員前鋒中鋒后衛(wèi)自由人步進(jìn)電機(jī)控制無線通訊系統(tǒng)小車系統(tǒng)圖3.1 決策系統(tǒng)流程圖Fig.3.1 Flow Chart of Strategy System根據(jù)六步推理模型的建立，決策系統(tǒng)首先需要對(duì)所獲得的視覺信息進(jìn)行預(yù)處理，其中包括計(jì)算出雙方球員的速度大小和方向、球的位置以及球員之間的相對(duì)位置等。在獲得場(chǎng)上信息之后計(jì)算機(jī)需要對(duì)場(chǎng)上隊(duì)員情況進(jìn)行態(tài)勢(shì)分析，讓機(jī)器人了解對(duì)方球員位置，做出危險(xiǎn)判斷，采取適當(dāng)?shù)墓ナ夭呗?。此后，根?jù)已設(shè)定的規(guī)則表中調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略，從而進(jìn)一步確定比賽隊(duì)形。在隊(duì)形確立后，計(jì)算機(jī)需要對(duì)各個(gè)隊(duì)

46、員進(jìn)行不同的角色任務(wù)分配，賦予各自的角色屬性。然后再從角色任務(wù)庫中調(diào)用對(duì)應(yīng)的執(zhí)行程序以完成對(duì)角色的解釋，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作分配。最后，通過路徑規(guī)劃，足球機(jī)器人根據(jù)自身角色定位來計(jì)算出最優(yōu)或次優(yōu)運(yùn)動(dòng)路徑，而所有的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過程都可以簡化為最基本的兩個(gè)動(dòng)作（即以一定速度運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)和以一定角速度轉(zhuǎn)過目標(biāo)角度）來實(shí)現(xiàn)。將戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作簡化為復(fù)雜動(dòng)作的組合形式，再進(jìn)一步簡化為以上兩種基本動(dòng)作，從而完成角色預(yù)定的軌跡路徑。計(jì)算機(jī)通過計(jì)算，將左右輪速通過無線通信傳達(dá)到各個(gè)足球機(jī)器人接收器中，再輸出命令實(shí)現(xiàn)最終的小車運(yùn)動(dòng)。3.3 機(jī)器人態(tài)勢(shì)分析設(shè)計(jì)人類在球場(chǎng)上對(duì)信息的處理通常是在模糊概念上，如遠(yuǎn)近、快慢、有利或是無利等，通過

47、大腦權(quán)衡做出判斷。但是，作為足球機(jī)器人系統(tǒng)核心部分的決策子系統(tǒng)面對(duì)的是精確的數(shù)據(jù)和刻板的程序，如同盲人教練一樣需要外界告訴它當(dāng)前的比賽情況，然后做出決策判斷。如何將教練員的決策思維過程形式化、規(guī)范化，并用計(jì)算機(jī)程序表現(xiàn)出來，這便是態(tài)勢(shì)分析需要完成的任務(wù)。所謂的態(tài)勢(shì)分析是指機(jī)器人如何識(shí)別和分析場(chǎng)上局面的方法。足球機(jī)器人在場(chǎng)地中需要了解對(duì)方球員位置，做出危險(xiǎn)判斷，采取適當(dāng)?shù)墓ナ夭呗裕c此同時(shí)，掌握我方隊(duì)員的情況，準(zhǔn)確地進(jìn)行傳球或者配合助攻。如何讓球員準(zhǔn)確地感知場(chǎng)上局面，怎樣正確認(rèn)識(shí)并且快速做出角色判斷是態(tài)勢(shì)分析的主要任務(wù)，同時(shí)也是衡量決策系統(tǒng)優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)29。目前廣泛流行的態(tài)勢(shì)分析主要有模糊

48、變量法、狀態(tài)空間分區(qū)等等。本文在第一章中針對(duì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，在此，提出將模糊變量和狀態(tài)空間分區(qū)相結(jié)合的決策方法來進(jìn)行態(tài)勢(shì)分析，在綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上有效地對(duì)各自存在的缺點(diǎn)進(jìn)行彌補(bǔ)。場(chǎng)地劃分球是比賽場(chǎng)上的核心，它所處的位置直接決定著每個(gè)機(jī)器人所應(yīng)分配的角色以及執(zhí)行的動(dòng)作。根據(jù)敵我兩方位置關(guān)系，將球場(chǎng)劃分為六個(gè)區(qū)，場(chǎng)地劃分示意圖如圖3.2所示。A1A2A3A4A5A6緩沖帶圖3.2 場(chǎng)地分區(qū)示意圖Fig.3.2 Sketch Map of Field Division我方球門對(duì)方球門A1：危險(xiǎn)區(qū)，包括我方罰球區(qū)域（含球門區(qū)）所屬范圍。當(dāng)足球處于該區(qū)域內(nèi)時(shí)，我方受到極大的威脅，對(duì)方前鋒很有可

49、能射門進(jìn)球，除了守門員進(jìn)行防守以外，我方需要增加防守力度。因此，此時(shí)采用陣型分配0-1-3-1（前鋒-中鋒-后衛(wèi)-守門員，下同）進(jìn)行緊密防守，減小失球率。A2：防守區(qū)，靠近我方的四分之一場(chǎng)地區(qū)域。在該區(qū)域中我方仍處于被動(dòng)防守狀態(tài)，采用陣型0-2-2-1，后衛(wèi)加強(qiáng)防守的同時(shí)，中鋒可以盯住對(duì)方其他球員或協(xié)助傳球。A3：助防區(qū)，我方球場(chǎng)除去防守區(qū)外剩下的區(qū)域。當(dāng)球處于該區(qū)域時(shí)，我方存在略微弱勢(shì)，在不放松防御的警惕性基礎(chǔ)上增設(shè)一名前鋒，攻守兼顧，一旦防守成功便可以立即轉(zhuǎn)為進(jìn)攻模式，因此該區(qū)的陣型設(shè)置為1-1-2-1。A4：助攻區(qū)，對(duì)方球場(chǎng)中靠近中線的四分之一區(qū)域。我方占據(jù)場(chǎng)上的主動(dòng)權(quán)，采用1-2-1-

50、1進(jìn)攻模式，中鋒在中場(chǎng)一方面盯住對(duì)方球員，為前鋒制造良好的局勢(shì)；另一方面?zhèn)鬟f足球，協(xié)助前鋒射門，從而使前鋒可以主動(dòng)尋找進(jìn)球機(jī)會(huì)。與此同時(shí)，在我方球場(chǎng)區(qū)域仍然保留一名后衛(wèi)進(jìn)行防守。A5：進(jìn)攻區(qū)，對(duì)方場(chǎng)地靠近球門區(qū)域的四分之一球場(chǎng)區(qū)。當(dāng)球位于該部分區(qū)域時(shí)，我方具有很強(qiáng)的進(jìn)攻性。在仍然保持防守力度的同時(shí)增加前鋒人數(shù)，主動(dòng)出擊增加進(jìn)球機(jī)會(huì)。采用陣型為2-1-1-1。A6：射門區(qū)，對(duì)方罰球區(qū)域（含球門區(qū)）所屬范圍。我方逼近對(duì)方球門，占據(jù)極大的主動(dòng)權(quán)和進(jìn)攻性，此時(shí)我方采用2-2-0-1，前鋒球員主動(dòng)出擊尋求射門機(jī)會(huì)，增加命中率，中鋒協(xié)助前鋒射門，同時(shí)若射門失敗，中鋒可以立即轉(zhuǎn)為防守狀態(tài)。由于雙方球員在兩個(gè)

51、相鄰區(qū)域的分界線附近搶球，會(huì)導(dǎo)致球在這兩個(gè)區(qū)域中來回滾動(dòng)，若頻繁變換陣型、切換各機(jī)器人角色以及所執(zhí)行的任務(wù)，會(huì)影響決策系統(tǒng)速度。因此，在場(chǎng)地劃分時(shí)每兩個(gè)相鄰區(qū)域之間分界線出增設(shè)10cm的彈性區(qū)域，例如球從A3助防區(qū)向A4助攻區(qū)滾動(dòng)時(shí)，若球處于彈性區(qū)域中，則我方仍然保持助防陣型不變，只有當(dāng)足球越過彈性區(qū)域后，我方才轉(zhuǎn)變?yōu)橹リ囆汀７粗?，?dāng)球從A4向A3區(qū)域滾動(dòng)時(shí)，也只能當(dāng)球滾過彈性區(qū)域后陣型才發(fā)生變化，由進(jìn)攻變?yōu)榉朗?。彈性區(qū)域的增設(shè)為模式切換增加了緩沖帶，能夠有效地避免機(jī)器人過于頻繁的目標(biāo)跳變。模糊變量的引入在足球比賽中，除了球在場(chǎng)地上的不同位置對(duì)比賽結(jié)果產(chǎn)生影響外，球的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)、一定范圍內(nèi)是否

52、有對(duì)方球員、是否需要避障等因素也會(huì)對(duì)比賽造成不同程度的影響。因此，在上面介紹的場(chǎng)地劃分基礎(chǔ)上，本文引入模糊變量對(duì)場(chǎng)地信息加以描述，使計(jì)算機(jī)能夠全面、精確地了解場(chǎng)上態(tài)勢(shì)，從而做出正確決策。為了描述場(chǎng)上的比賽態(tài)勢(shì)，本文將球在場(chǎng)地中的位置、機(jī)器人與球的位置關(guān)系、控球狀態(tài)、障礙信息以及球的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)五個(gè)集合作為狀態(tài)空間變量，用五元列表S=(A,B,C,D,E)描述比賽態(tài)勢(shì)，進(jìn)行狀態(tài)描述，其中：A：球所在的位置；按照球場(chǎng)分區(qū)可以得AA1，A2，A3，A4，A5，A6B：控球狀態(tài)；指該周期內(nèi)足球的控球方，B1，01：表示我方機(jī)器人控制足球；0：表示對(duì)方機(jī)器人控制足球；C：機(jī)器人與足球的位置關(guān)系；以球?yàn)閳A心一

53、定范圍為半徑的區(qū)域內(nèi)是否有對(duì)方球員，C1，01：表示該區(qū)域內(nèi)存在對(duì)方球員；0：表示該區(qū)域內(nèi)沒有對(duì)方球員；D：障礙信息；在機(jī)器人和目標(biāo)點(diǎn)之間是否存在障礙物。若存在的話則開啟人工勢(shì)場(chǎng)避障功能，否則不需要進(jìn)行避障。D1，01：表示有障礙物；0：表示沒有障礙物；E：球的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；該變量用來描述當(dāng)前情況下球的運(yùn)動(dòng)方向是朝向我方半場(chǎng)還是背離我方半場(chǎng)（即朝向?qū)Ψ桨雸?chǎng)）。E1，01：表示球的運(yùn)動(dòng)方向朝向我方半場(chǎng)；0：表示球的運(yùn)動(dòng)方向背離我方半場(chǎng)；在決策過程中，球的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是以預(yù)測(cè)球的位置的形式加以考慮的，基于上述模糊變量集合的定義，可以很好地描述場(chǎng)地態(tài)勢(shì)；集合S可以描述N=624=96種狀態(tài)，針對(duì)每一種狀態(tài)建

54、立不同的狀態(tài)-動(dòng)作映射關(guān)系就可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地態(tài)勢(shì)的分析和反饋。3.4 機(jī)器人路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)足球機(jī)器人當(dāng)中的角色就是指能完成特定任務(wù)的邏輯機(jī)器人，角色是通過調(diào)用機(jī)器人動(dòng)來完成任務(wù)的。角色需要完成運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，即角色每次執(zhí)行任務(wù)，通常是從當(dāng)前位置運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置，這期間的運(yùn)動(dòng)軌跡如何是需要進(jìn)行規(guī)劃的，而不是簡單的調(diào)用基本動(dòng)作來完成，而且還需要考慮機(jī)器人避障。下面分別討論這幾個(gè)問題。路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中最重要的任務(wù)之一。路徑規(guī)劃問題可以描述成：給定一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人所處的環(huán)境，一個(gè)起始點(diǎn)和一個(gè)期望的終止點(diǎn)，機(jī)器人路徑規(guī)劃根據(jù)一定的任務(wù)要去，尋求一條連接起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)并且能避開環(huán)境中障礙物的運(yùn)動(dòng)軌跡，即最優(yōu)有效

55、路徑。移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃問題可以總結(jié)為由Durrant-Whyte H F提出的三個(gè)問題：（1）“我現(xiàn)在何處？”（2）“我要往何處去？”（3）“應(yīng)如何到該處去？”大多數(shù)路徑規(guī)劃系統(tǒng)由兩級(jí)規(guī)劃組成，即局部規(guī)劃（local planning）和全局規(guī)劃（global planning）。前者主要解決問題（1）和問題（3），即機(jī)器人定位和路徑跟蹤問題；而后者主要解決問題（2），即將全局目標(biāo)分解成局部目標(biāo)，再由局部規(guī)劃實(shí)現(xiàn)局部目標(biāo)30。機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制問題上具有典型性，同時(shí)，足球比賽這種應(yīng)用環(huán)境也使得機(jī)器人的路徑規(guī)劃具有鮮明的特點(diǎn)。一方面，機(jī)器人足球比賽的環(huán)境相對(duì)來說比較簡單。機(jī)器人在一個(gè)尺寸

56、場(chǎng)地固定的環(huán)境中進(jìn)行比賽，通過視覺系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)地信號(hào)的獲取，機(jī)器人可以掌握整個(gè)比賽場(chǎng)地的數(shù)據(jù)信息，其中包括物體的相對(duì)位置、速度矢量以及簡單的幾何形狀等，這些都給路徑規(guī)劃帶來了便利。另一方面，足球機(jī)器人系統(tǒng)需要保證極強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，這就使得很多復(fù)雜的路徑規(guī)劃方法不再實(shí)用。機(jī)器人不可避免的會(huì)產(chǎn)生相互之間的碰撞，而這種碰撞又往往是需要避免的，這就需要在路徑規(guī)劃中實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制的同時(shí)引入避障策略加以改善。同時(shí)，足球機(jī)器人系統(tǒng)由多個(gè)行為主體構(gòu)成，機(jī)器人之間如何實(shí)現(xiàn)相互協(xié)作、相互配合，也成為路徑規(guī)劃中需要解決的問題。目前，在路徑規(guī)劃方面常見的包括路標(biāo)法、柵格法、人工勢(shì)場(chǎng)法以及遺傳算法等等，結(jié)合各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用柵格法對(duì)總體進(jìn)行設(shè)計(jì)，以上提到的局部碰撞問題通過建立人工勢(shì)場(chǎng)加以解決。柵格法路徑規(guī)劃柵格法是目前研究比較廣泛的路徑規(guī)劃方案，該方法是講機(jī)器人的工作空間劃分成為多個(gè)簡單的格子，成為柵格。若某一柵格范圍內(nèi)不包含任何障礙物，則稱此柵格為自由柵格；反之則稱為障礙柵格。由這些柵格構(gòu)成了一個(gè)連通圖，在這個(gè)連通圖上搜索一條從起始柵格到目標(biāo)柵格的路徑，該路徑全部由全部自由柵格組成，用柵格的序號(hào)來表示。最后把柵格序號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)器人空間實(shí)際坐標(biāo)，令機(jī)器人按照此路徑運(yùn)動(dòng)31。用柵格法進(jìn)行路徑規(guī)劃可以分為以下三步（見圖3.3）：+目標(biāo)點(diǎn)開始點(diǎn)圖3.3 柵格法路徑規(guī)劃Fig.3.3 Reference