多智能体足球机器人系统设计.doc

摘要.5ABSTRACT.错误!未定义书签。第1章绪论.61.1引言.61.2多智能体的研究现状及其应用.61.2.1多智能体系统（Multi-AgentSystem，简写为MAS）.61.2.2多智能体系统的理想研究平台足球机器人.81.3足球机器人简介.81.3.1足球机器人系统及其分类.81.3.2足球机器人的发展及现状.111.4ROBOCUP概述.121.4.1RoboCup比赛介绍.121.4.2RoboCup中的关键技术.141.4.3研究RoboCup的意义.151.5论文的主要工作.16第2章足球机器人的总体结构.182.1引言.182.2足球机器人系统构成.182.3本实验平台硬件构成.192.3.1机器人小车子系统构成.202.3.2视觉子系统构成.232.3.3通讯子系统构成.262.3.4主计算机.272.4足球机器人管理系统.282.4.1策略库.292.4.2机器人管理器.302.4.3机器人函数库.302.4.4命令解释器.302.4.5路径规划器.302.5小结.31第3章多智能体足球机器人系统的底层控制策略设计.323.1引言.323.2足球机器人的运动学、动力学分析.323.3球的运动学分析.343.4足球机器人的基本行为.363.4.1速控行为（Velocity）.363.4.2移动行为.363.4.3旋转行为(Angle).373.5足球机器人的基本动作.393.5.1踢球（Kick）.393.5.2拦截(Block).413.5.3射门(Shoot).443.5.4守门(Goalkeep).463.5.5传球(Pass).473.6小结.50第4章多智能体足球机器人系统的高层控制策略设计.524.1引言.524.2控制策略的实现过程.524.3基于产生式规则的高层策略表示.554.4全场区域控制策略.584.4.1场地划分.584.4.2具体控制规则.594.5队形的确定.634.5.1队形的定义.634.5.2队形的确定.644.6角色分配及转换机制.654.6.1角色效用.664.6.2角色的分配与转换.674.7机器人的路径规划与避障.704.7.1中垂线法.714.7.2人工势场法.724.7.3虚力场法.744.7.4栅格法.754.7.5惯性预测法.774.7.6基于极限环的路径规划方法.774.8小结.84第5章足球机器人的仿真系统.855.1引言.855.2仿真比赛环境.855.3仿真比赛运行机制.875.3.1SoccerServer的结构.875.3.2监视器Monitor.905.4仿真体系结构.905.4.1服务器接口.915.4.2场上状态.915.4.3决策.925.5仿真球队体系的建立.945.5.1客户程序的体系结构.945.5.2客户程序的数据结构.975.5.3球员基本战术动作.1005.5.4仿真程序策略流程.1015.6仿真比赛实验.1025.6.1服务器与客户程序的连接.1025.6.2RoboCup的仿真比赛过程.1035.6.3RoboCup的仿真比赛实现.1045.7小结.106总结.错误!未定义书签。致谢.错误!未定义书签。参考文献.错误!未定义书签。附录（按区域决策程序）.错误!未定义书签。第5页摘要RoboCup足球机器人是人工智能领域对多智能体系统（MAS）研究的一个具有代表性的问题，是研究多智能体系统（MAS）的理想平台，可以通过研究RoboCup足球机器人来重点突破MAS的关键技术。它综合了机器人学、机电一体化技术、通讯与计算机技术、机器视觉与传感器融合技术、决策与对策、智能控制等多学科高新技术。足球机器人系统是由机器人小车、视觉系统、通讯系统、决策系统四个子系统组成。本文对微型足球机器人决策子系统中的各种策略算法（底层策略和高层策略）做重点研究并实现了其部分代码。首先介绍了足球机器人目前的发展状况，以及足球机器人系统的组成，研究了机器人足球比赛的必需的基本运动和基本动作，如踢球、射门、传球、守门等基本动作算法。然后在基本运动和基本动作的基础上，采用基于产生式的设计方法进行了足球机器人高层策略的研究，同时，根据比赛动态、实时的特点，对各种现有的路径规划方法进行了比较，用基于极限环的路径规划方法在有众多障碍物的环境下，使机器人可找到一条较优化的路径。然后对机器人足球仿真比赛系统作了研究,并调试了单攻、配合进攻及11对11比赛的仿真结果。关键词：多智能体系统；足球机器人；路径规划；仿真比赛第6页第1章绪论1.1引言人工智能作为一门独立的研究学科，始于二十世纪五十年代。随着自动化信息技术的迅速发展，特别是计算机这一强有力的运算工具的进步，对人工智能的系统研究半个多世纪以来，己取得了一系列成果，从“深蓝”系列计算机解决的单智能体静态可预测环境中的问题求解，到最近的多智能体动态不可预测环境中的问题求解，成为了人工智能研究的代表性问题1。由于机器人足球赛的特点，决定了足球机器人的机-机对抗和人-机对抗正是研究多智能体理论的一个合适平台。本章首先介绍了多智能体基本概念，然后介绍了足球机器人目前的发展状况，对论文所作的主要工作作了分析。1.2多智能体的研究现状及其应用1.2.1多智能体系统（Multi-AgentSystem，简写为MAS）智能体(Agent)是分布式人工智能（DistributedArtificialIntelligence）的一个术语，是指运行于特定环境，根据自身或环境的需求做出相应的反应，并且一旦形成某一特定目标时，能运用拥有的知识、能力达到这一目标的实体2。这里所说的知识是指包括智能体所处的环境或它所要求解决问题的描述。它可以包括领域知识、通讯知识、控制知识等。能力是指智能体具有推理、决策、规划、控制等能力，其能力可以是预先给定，或通过通讯获得。第7页目标可以是静态目标也可以是动态目标，它可以通过算法编入、预先给定或通过通讯获得3。所谓多智能体系统是由多个智能体组成的集合。在多智能体系统中主要研究的问题是将一个集团（群体）要完成的目标和任务分配给各智能体使各智能体根据总目标，通过相互协商、协调来完成任务4。根据MAS的特点，它适用于如下情形的问题研究5：（1）分布式结构的对象（2）复杂的计算（3）柔性的相互关系（4）动态变化的环境当待求解问题具有以上特性时，用MAS的理论或技术来处理是非常适合的。典型的应用如下6：足球机器人智能交通管理与控制智能制造系统电子商务医疗信息系统工作流程管理系统论文研究的足球机器人就是研究多智能体系统的理想平台。第8页1.2.2多智能体系统的理想研究平台足球机器人为什么足球机器人会成为研究多智能体的理想平台？这是由机器人足球比赛的特点所决定。一、足球机器人比赛是一个机器人群体对另一个机器人群体对抗的多机器人系统。双方都为了一个共同目标，不但发挥个人技能，而且必须发挥集体力量，共同合作与协同；二、在比赛场地上，双方的形势是时时刻刻变化的。双方机器人必须实时了解我方和对方阵营布局的动态变化，并根据这一变化判断出目前的形势，重新组织队伍，这是机器人群体的动态组织过程；三、比赛双方除了要进行实时的判断之外，还要在己方各智能体之间通过相互间的通信来进行协调。这是机器人之间的协调机制和实时知识处理的问题7；综上所述，足球机器人比赛不仅包含多智能体系统要研究的全部内容,而且通过比赛来验证各方策略的优劣。因此可以说足球机器人比赛是研究多智能体系统的标准实验平台，是继计算机象棋之后出现的人工智能研究的第二个里程碑8。1.3足球机器人简介1.3.1足球机器人系统及其分类足球机器人赛顾名思义是用机器人来完成的足球比赛。因其涉及实时视觉信息处理、无线通信、多机器人协作等多项高新技术，具备MAS系统的全第9页部基本特点，因而成为多智能体技术研究中的一个理想研究平台9。专家学者希望通过研究足球机器人技术来重点突破MAS的各项关健技术，对MAS系统的各个标准问题和典型问题进行试验验证。一套典型的足球机器人系统通常具备如下四个基本部分：足球机器人、视觉子系统、决策子系统和无线通信子系统。视觉子系统用来获得比赛信息，包括足球和球员的位置等；决策子系统用来进行攻、防决策并协调队员间的相互配合问题：队员间的相互沟通通过无线通信子系统完成，足球机器人则用来完成要求的运动10。根据足球机器人的工作模式可将系统分为两大类：基于视觉集中控制型足球机器人系统和基于机器人的分布控制型足球机器人系统11。1、基于视觉的集中控制型足球机器人系统在这种系统中，每个足球机器人只负责根据主机发送来的运动指令实现要求的动作，视觉数据处理、行动策略决策以及机器人的控制参数都在一台主机上完成，所有足球机器人的行为都由主机通过无线方式控制。2、基于机器人的分布控制型足球机器人系统又称为全自主式足球机器人系统。在这种系统中，每个机器人通过自身的传感器获取比赛信息并做出运动与合作规划，所有的计算包括视觉处理及策略决策等都由每个机器人自身来完成。这对硬件提出了相当高的要求，中型组比赛采用的就是此类系统。在起步阶段，我们选择第一种机器人足球系统作为研究对象，其工作原理如图1.1所示。视觉系统通过图像采集卡获得赛场信息并将信息传到主控