（机械电子工程专业论文）基于网络的分布式小型足球机器人仿真比赛平台的研究与开发.pdf

浙江理工人学硕上学位论文 摘要 机器人足球竞赛是公认的研究人工智能最合适的方法之一，它兼具足球比赛的趣味性 和人工智能的挑战性于一体，现在已在世界各地的高校和科研院所之间被广泛开展。其中， r o b 0 c u p 竞赛是参赛人员最多，队伍分布最为广泛的一项机器人足球比赛项目，涉及类人 组，中型组，小型组，仿真组比赛，每年在全球各地轮流举行，目前已经举办了1 4 届比 赛。 为了在正式的r o b o c u p 比赛中取得好的成绩，大量进行软硬件实验和战术策略实战演 练是最有效的方法。为此，就要一次一次地组织现场比赛，每场比赛都会对机器人和场地 造成一定的损耗，并且耗费大量的人力和时间，延长实验周期。为了克服这些不足，并且 能够更加高效的进行机器人相关软件的测试和验证，每支球队都开发了自己的仿真比赛系 统。在仿真系统上，各种路径规划、策略思想都能够非常方便地进行实验验证，大大提高 了技术革新的速度。但是，要想真正的提高比赛水平，和其他球队之间的技术交流是必不 可少的，然而，大多数球队的仿真系统无论是在仿真方法，通信方式还是在显示处理上都 不尽相同，只能服务于本球队，如果想进行球队之间的交流和切磋，目前的仿真比赛系统 还无法实现。本文的研究课题正是为了解决这个问题而提出来的。 基于网络的分布式仿真比赛平台根据“平台+ 插件 的软件思想设计了独特的仿真系 统平台，将实体仿真，碰撞检测和场景显示作为主平台部分，平台中定义了丰富的，用于 系统功能扩展的插件接口。将球队之间差异化较大的策略系统，通信方式，路径规划等作 为插件留给参赛球队自主开发。平台既可以作为校际技术交流的良好平台，又可以方便地 组织校内兴趣小组进行竞赛活动，可以自主开发策略类插件在此平台上进行竞技比赛，可 以有效提高竞赛水平。 在系统前期开发的基础上，为了提高系统的运行速度和整体性能，本文突破性地提出 了基于网络的平台分离技术，将严重占用系统资源的三维显示部分从仿真平台系统中分离 出来，采用了基于t c p 的w i n s o c k e t 通信方式实现了显示与仿真的通信连接，开发出了基 于网络的分布式的仿真比赛系统。然后定义了插件的开发规范并对插件开发的一般方法进 行了详细说明，随后，根据我校机器人球队的实际开发出了球场、机器人等静态插件。最 后，为了验证仿真平台的使用性能，我们设计了一个可以验证机器人所有基本动作的微型 策略插件，并在仿真系统中进行了多次实验。结果表明：基于网络的分布式仿真比赛系统 浙江理工大学硕j ：学位论文 性能优良，使用方便，达到了本课题开题立项的预期目标，可以作为校际球队之间进行技 术交流的平台。 。 系统的成功开发和在本校球队上的实际应用，极大地改善了本校足球机器人竞赛的实 验环境，球队在算法验证，战术策略等方面的实验周期大大缩短，竞技水平得到了明显提 高。我们相信基于网络的分布式足球机器人仿真比赛平台一定会为球队之间的交流和学习 提供高质量的技术支持，必将有力地促进足球机器人技术的发展和进步。 关键诃：机器人足球，仿真比赛系统，平台+ 插件”，w i n s o c k e t 通信 u 浙江理丁大学硕一i ：学位论文 a b s t r a c t t 1 1 er o b o ts o c c e ri sc 0 n s i d e r e da so n eo ft h eb e s tw a y st or e s e a r c ht h ea n i f i c i a li n t e l i i g e n c e ， w h i c hc o n t e n t st h ei n t e r e s t i n go fs o c c e ra 1 1 dt h ec h a l l e n g e so ft h ea n 谪c i a l i n t e l l i g e i l c e n o w ，t h e r o b o ts o c c e ri sb e i n gc 硎e do u te x t c l l s i v e l yb e 帆e 朗t h eu n i v e r s i t i e s 锄dr e s e a r c hi n s t i t u t i o n s c u n 锄t l y ，r o b o c u pc o m p “t i o ni st h eb i g g e s tp r o j e c tw h i c hh a st h em o s tc o n t e s t a i l t sa l l dt l l e m o s te x t e n s i v ct e 锄s ，i 1 1 c l u d i n gh u m a n o i d 膏o b o tg r o u p ，m e d i u mg r o u p ，s n l a n 印u p ，s i m u l a t i o n 舀o u pe t c s i n c e ，r o b o c u pc o m p e t i t i o nh a sb e e nh e l dl4t i m e sw r h i c hi sh e l da l t e m a t e l ya l l o v e rt h ew o r l da 力i da n m i a l l y i no r d e rt oi m p r 0 v et h ea c h i e v e m e n to ft h er o b o a 印g 锄e s ，w em u s td om a l l ys o r w a r e h a r d w a r ee x p e d m e n t sa i l da c t u a lc o m b a t sa b o u tt a c t i c s s o ，w em u s to r g a n i z em 锄ys 锄ea c t u a l g a m e s ，w h i c hw 主l lc a u s es o m el o s s e so fm e r o b o t sa n df i e l d s 锄dal o to fm a n p o w e r 锄dt i m e n o wm 觚yr o b o ts o c c e rt e 锄sh a v ea 1 1d c v e l o p e dt h e i ro w ns i m u l a t i o ns y s t c i t l st od os a m e r e i a t i o n a lr e s e a r c h e s ，w h i c hc a l lo v e r c o m et h e s es h o r t c o m i n g s 锄dt e s tt l l er e l a t e ds o 脚a r e v a l i d a t i o n sm o r ee 伍c i e n t l y 1 1 1 e yc a l le x p 舒m e i l ta l lt h e i ri d e a sa b o u tm ef o b o ts o c c e rb yt h e s i m u l a t i o ns y s t e m sw h i c hb eg o o da ti m p r o v i n gt h es p e e do ft h et e c l l n i c a li 彻o v a t i o n b u t ， c o m p e t i n ga n dc o m m u n i c a t i n gw i t l lm e r i v a l sa r et h ee s s e i l t i a lw a y st oi m p r 0 v et h ec o m p e t i t i v e l e v e l h o w e v m o s to f s i m u l a t i o ns y s t e m sc 柚o n l ys e r v et h e i ro w nt e 锄sb e c a u s eo fd i s i m u l a t i o nm e t h o d s ，c o m m 啪i c a t i o nw a y 锄dd i s p l a yp r o c e s s i n g s o ，c o m m u n i c a t i n ga n d c o m p e t i n gw i mo m e rt e 锄sb yu s i n gt h ec u r r e i l ts i m u l a t i o ns y s t 锄ss t i l lc a i ln o tb ea c h i e v e d t h i sr e s e a r c hp r 两e c ti sp u tf o r w a r dt os 0 1 v em i sp r o b l e i l l t h ed i s t r i b u t e ds i m u l a t i o np l a t f o 肌b a s e do nt h en e t w o r kd e s i g nau i l i q u ep l a t f o 肌 a c c o r d i n gt h es o f 时a r ei d e ao f p l a t f o m + p l u 争i n ”i i l 劬c t i o n a ld i v i s i o n ，t l l i sp la t _ f o 姗w i l l m a k ee i l t i t ys i m u l a t i o n ，c o l l i s i o nd e t e c t i o n ，m o d e lc a l c u l a t i o n ，t h e o r e t i c a ls u p p o na n dt h et l l 】c c d i m e i l s i o n a ld i s p l a y 勰t h ep l a t f o 册s e c t i o n m o r e o v t h i sp l a t f o 咖d e f i n e st h er i c hs y s t e n l i n t e m c e sw h i c ha r eu s e df o rt h es y s t 锄s 丘m c t i o n a le x p a n s i o n 锄dp l u g i n sd e v e l o p m e n t i n a d d i t i o i l ，t l l e1 a f g e rd i 日音r e i l ts t r a t e g ys y s t 锄，c o m m u n i c a t i o nw a y ，p a mp l a 彻i n ge t cb e t w e e i l t e 锄sw i l lb el e rt 0t e 撇st om a l ( ei n d 印胁d e n td e v e l o p m e i l t o nm eb a s i so ft h ei n i t i a l d e v e l o p m e n to ft h es y s t e m ，i l lo r d e rt 0i m p r o v eo p e r a t i n gs p e e da n do v e r a l lp e r f o 椭a n c e ，t h e n l p l a t f o 肌缸l c t i o n a ls e p a r a t i o nt e c h i l i q u eb a s e0 nn e 咐o r ki sp u tf o n a r db r e a l ( t h r o u 曲i nt h i s p 印e r n i st e i 舳i q u e w i l ls 印删et h et h l 优d i m c n s i o n a ld i s p l a yw h i c ho c c u p i e ss y s t 锄 r e s o u r c e ss 嘶o u s l y6 砌t h es i m u l a t i o np l a t 南ms y s t 锄t l l e i l ， t h ec o 眦啪i c a t i o no fd i s p l a y 锄ds i m u l a t i o nw a sl i l l l ( e db yu s i n gt h ew i n s o c k e tc o m m u n i c a t i o nw a y b a s e do nt c p t l l e d i s t r i b u t e ds i m u l a t i o ns y s t 锄b a s e do nn e m o r kw a sb ed e v e l o p c dl a s t l y ，t t l e r i ，m ep l u 乎i n s d e v e l o p e dn o 肌sw e r ed e f i n e d a 1 1 dt h eg e n e r a lm e t h o da b o u tp l u 分i n sd e v e l o p m e n tw e r e d e t a i l e d a r e 刑a r d s ，s t a d i 啪，r o b o te t cs t a t i cp l u 分i n sw e r ed “e l o p e da c c o r d i n gt oo u r s c h o o l s “炳tt e 锄l a s t l y i no r d e rt ov a l i d a t et 1 1 ep e r f o m a l l c eo ft h es i m u l a t i o np l a t f o n i l ，am i n i a t u r e s 乜a t e g yp l u 分i nw h i c hc 觚v 嘶匆a l lb a s i ca c t i o n so f t l l er o b o tw a sd e s i 印e db y 弧o fc o u r s e ， m a n ye x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e d o u ti nt h es i 舢l a t i o ps y s t 锄t 1 _ l cr e s u l t ss h o wm a tm e d i s t d b u t e ds i 舢l a t 妇1s y s t e mb a s e d0 nt l l en e 铆o r kh 硒c x c e l l e n tp e f f o m a l l c ea n dc o n v e n i e l l t u s a g e ，r e a c h e sm et a 曜e t so f “st o p i ca n d c a l lb es e r v e da st h ec o 伽m m i c a t i o np l a t f o m0 ft h e i n t e r - 吼i v e r s i t yt e 弧s b e c a u s eo ft h es u c c e s s l ld e v d o p m e n ta n dt l l e a c t u a la p p l i c a t i o na to u rs c h o o lo ft h e s i m u l a t i o ns y s t 锄，o u rs c h o o l ss o c c c rr o b o tc o n t e s te x p 耐m e i l t a l 朗v i r o n m e n th a sb 咖伊e a t l y i m p r o v e d i i lt e n l l so ft h ea l g o r i t l l i i lv 耐f i c a l i o n ，t a “c a ls t r a t e g ) r 锄i do m e fa s p e c t s ，t h et e 锄s 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年，机器人足球队战胜当时的人类足球冠 军队【3 】o 1 1 课题提出的的背景和意义 本课题是浙江理工大学与浙江中控科技集团有限公司和浙江大学工业控制国家重点 实验室校企合作的重点科研攻关项目的研究子项目。浙江中控科技集团有限公司负责机器 人硬件的设计与调试，浙江大学承担项目前期的培训指导工作，浙江理工大学足球机器人 竞赛项目组重点进行路径规划优化，策略系统设计和仿真系统开发的研究和开发等任务。 1 1 1 机器人足球比赛提出的背景 从1 9 5 2 年开始，工业的快速发展对机器人技术提出了新的应用需求，机器人技术也 开始了快速发展阶段，但是，早期的机器人技术都是重点关注单个机器手，或者单体机器 人的控制和动作【4 l 。但是随着工业技术，信息技术的快速发展，人类对机器人的需求仅仅 靠单体机器人是远远不能满足的。在越来越复杂的工作环境，越来越苛刻的工况需求的推 动下，多机器人系统的概念就被相应地提了出来。所谓的多机器人系统不是多个机器人数 量上的简单相加，作用效果也不是多个机器人作用的线性和，而是多个机器人之间的“协 调 与“合作【5 。 多机器人合作和协调是多机器人系统研究中的两个相互区别又相互联系的概念。多机 器人的合作研究的重点是高层的组织与运行问题，侧重实现系统快速组织与柔性控制机 制；多机器人的协调则是研究机器人相互之间运动的协调和控制问题【7 8 1 。 在近年来越来越被业界推崇的人工智能领域，分布式人工智能系统因为能够很好克服 单体机器人系统在环境，空间和需求多样化等方面的要求，并且具有很好的并行，分布， 开放，易协作和高容错的优点而被业界广泛采用【9 】。分布式人工智能系统主要研究多智能 体之间的相互协作，使机器人系统更加符合人的思维习惯，更大限度地发挥多机器人的优 势，更加适应开放，动态的复杂环境因素，更好的为人类的生产和生活服务【1 0 1 。 但是，基于目前人工智能技术的发展水平，还不足以轻松实现多智能体系统的应用。 l 浙江理工大学硕士学位论文 多机器人系统的基础研究与实际应用需求之间还有一段很大的距离，缺少连接二者的“桥 - 梁 【i i l 。基于此，1 9 9 7 年，r o b o c u p ( t l l er 0 b o tw b d dc u ps o c c e rg a m e s ) 委员会提出了以 足球机器人竞赛的形式促进人工智能、机器人技术及其相关领域的技术进步【1 2 】。至此，足 球机器人比赛被提上了同程，并开始快速发展起来。 1 1 2 机器人足球比赛的意义 足球机器人比赛是一个人工智能和机器人系统相互交叉的前沿性领域，涉及到信息， 自动化，机械，通讯等领域的很多学科。r o b 0 c u p 委员会通过组织多种形式的竞赛项目， 为人工智能特别是多智能体系统的研究和进步提供了一个标准平台，从而有力地促进了相 关技术的发展【1 3 】。 机器人足球以其特有的竞赛形式和富有观赏性的特点，吸引了越来越多的科研人员投 身其中，在很大程度上壮大了多机器人系统领域的科研实力，为多机器人系统领域的科技 进步提供了基本的人力资源基础。同时，因为参与人员同益增多，参赛队伍遍布世界各国， 所以，机器人足球竞赛的竞技水平在一定程度上也代表了一个多家和地区信息与自动化领 域基础研究和高技术发展的水平1 1 4 】。 1 1 3 机器人足球比赛的发展 1 9 9 2 年，加拿大不列颠哥伦比亚大学的教授a l n am a c k w o h r t 在一篇题为“o ns e e i n g r o b o t 的文章中提出，足球可以作为机器人学和人工智能研究的试验平台i l5 1 。随后各国 的研究人员在机器人足球的各个领域进行了研究，在态势分析、策略设计、角色分配和路 径规划等方面的研究取得许多成梨1 6 1 7 1 。目前，国际上机器人足球己发展为两大系列，一 个是由国际机器人足球联盟( f i r a ) 组织的微型机器人世界杯足球赛( m r i o s o t ，另一个是由 国际人工智能协会组织的机器人世界杯足球赛( r o b o c u p ) 射。 1 9 9 6 年，首届微型机器人世界杯足球比赛在韩国举行围。1 9 9 7 年6 月5 日，国际机 器人足球联盟f i r a 正式成立，成员单位遍布各大洲的3 0 余个国家的近百个学校与科研院 所。另外，f i r a 还决定每年举办机器人足球比赛。机器人足球系统成为展示各国机器人 技术和交流机器人研究经验成果的舞台【1 9 1 。 1 9 9 8 年，我国成立了f i r a 中国分会，并开始组织机器人足球队参加世界杯比赛，并 于2 0 0 1 年在北京举办了第六届机器人足球世界杯比赛。现在国内的浙江大学，哈尔滨工 业大学，清华大学，上海大学等高校立足实际，敢于创新突破，在足球机器人竞赛方面都 取得了相当不错的成绩，可以说，在国家有关机构和学术界的支持和努力下，中国的机器 人足球事业已经迈向了国际舞台【2 0 】。 2 浙江理丁大学硕上学位论文 1 2 机器人足球比赛的现状 相对于f 1 r a ，r 0 b o c u p 比赛已经发展成为参赛人数最多的比赛，已经进行了十四届 比赛，赛事规模和影响力都在不断扩大，赛事种类也不断增加。2 0 0 8 年，第1 2 届r 0 b o c u p 国际比赛在中国苏州举行，一共有来自3 5 个国家和地区的3 7 3 只队伍，2 0 6 0 名选手参加。 2 0 0 9 年第1 3 届r o b o c u p 比赛在奥地利格拉茨举行，大赛内容丰富，特设2 d 仿真组，3 d 仿真组，微型仿真组，小型组，中型组，类人组，标准平台组( n a o 机器人组) ，营救组， 营救仿真组，青少年组和家庭组比赛。2 0 1 0 年，第1 4 届r o b o c u p 国际比赛在新加坡理工 大学举办，也是规模最大的一次赛事，吸引了来自4 0 多个国家，5 0 0 多支代表队的参加。 中国共有5 0 支代表队参加了足球组、救援组和加重组以及青少年组等所有级别的比赛2 。 足球机器人包含了小型组，中型组和类入组，各自的研究重点有所不同，本课题研究 的是r o b o c u p 小型组比赛( r o b o c u ps s l ) ，因此，本段就以小型组足球机器人的研究现状 进行探讨。根据r 0 b o c u p 比赛的规定，小型组机器人的尺寸被限制在高1 5 0 锄，直径1 8 0 皿n 的一个空间内，这个空间内要实现机器人机械部件设计：地盘，固定装置，行走装置，控 球踢球带球装置，动力装置，外罩装置等，以及通讯部件，控制电路板，传感器等的安 装，对机构设计提出了比较高的要求【2 2 】。 早期的小型组机器人运动装置一般采用对称两轮驱动结构，运动控制一般采用差速控 制方法，最大速度只有1 i i l s ，随后，科研人员提出了三轮的全向驱动控制结构，车轮采用 双排全向轮，可以在不用转动机体的情况下实现任意转向，但是车速和灵活性并没有很大 改进，现在，一般都采用单排四轮全向驱动控制结构，最高速度可以达到4 州s ，加速度可 以达到5 耐s 。在内部结构的设计上也大多采用更加紧凑合理的布局，控制电路方面也都是 采用高集成电路设计。因此，现在的小型组足球机器人无论是在机械布局，电路设计和驱 动控制方面都达到了比较成熟的地步1 2 3 】。 足球机器人的智能化除了体现在精妙的机构设计上之外，更重要的是软件技术方面。 足球机器人软件设计主要有两大部分组成：机器人本体的运动控制软件和实时动态的策略 规划软件。运动控制软件方面，现在主流的是采用功能强大的运动控制芯片，并结合电路 设计的先进工艺来实现，基本上达到了比赛要求的运动控制要求。策略规划软件主要体现 在软件的算法设计上，其中集中了历届开发人员的知识积累和突破创新，是人工智能的“中 枢神经系统”【2 4 ，2 5 1 。 1 3 足球机器人系统的研究内容和研究现状 足球机器人系统的研究内容分布十分广泛，包括：智能机器人技术、多智能体协调技术、 图像识另i 肢术、传感器技术、无线通讯技术、路径规划算法、策略算法设计、软件编码技 气 浙江理t 大学硕十学位论文 术等1 2 6 如。 1 3 1 足球机器人系统的研究内容 足球机器人系统属于多智能体系统领域的内容之一，不但包含多智能体系统要研究的 全部内容2 8 1 ，而且还包括了更加苛刻的环境要求，更加实时性的应用需求。对足球机器人 系统的苛刻要求包括： 1 比赛场地上各球队机器人随时进行运动，赛场阵形时刻在发生着变化； 2 比赛过程中，不单要考虑每个机器人的动作执行，更重要的是群体的合作和协调， 这是人工智能的核心内容； 3 知己知彼方能百战百胜，机器人足球比赛中不但要自己想的好，更要看的好，要对 对方的情况了如指掌才能做出相对正确的部署和策略； 4 为执行决策系统发出的决策命令，上位机以及各智能体之间必须保证畅通的通信才 能相互沟通和协调。 一 因此，机器人足球系统成为多智能体系统的理想研究对象，还可以方便用于检验对抗 策略系统的优劣。因为机器人足球比赛对动态和实时的环境要求比较严格，所以，近年来， 机器人足球系统的研究内容也更多的偏向了动态技术的研究，更加重视动态和实时的策略 算法，路径规划算法等的研究。所以，机器人足球系统的研究推动了人工智能技术更加接 近了人类的思维和行动习惯，是人工智能领域发展的又一巨大突破例。 1 3 2 足球机器人系统的研究现状 足球机器人技术发展到今天无论是在硬件设计还是软件仿真方面都取得了长足的发 展，硬件机构设计从双排轮发展到现在主流的四轮全向设计，控制系统也更加精确，实时 性也更强，图像采集设备也较之以前更加先进。目前的足球机器人系统根据实现方式的不 同可以分为以下三种： 1 全局视觉的无脑足球机器人 这种系统的全局视觉处理、策略部署、机器人控制等都是由上位计算机完成，机器人 只是单纯地接收上位机发送的控制指令来驱动车轮运动3 0 1 ，这类系统的典型代表有：f 队f 微机器人比赛( m i o 瑙d t ) 、超微机器人比赛( n a r o s o t ) 和r 0 b o c u p 的小型机器人比赛( f 1 8 0 ) 等。 2 全局视觉的有脑足球机器人 这种系统只将视觉数据处理放在上位计算机上来完成，计算机的结果通过无线通信系 统发送到单个机器人上，每个机器人上都有负责进行决策部署的决策系统和负责运动控制 的运动控制系统。这是介于机器人和人工智能的中间阶段。这种系统的代表是：r o b o c u p 小型组f ( 1 8 0 ) 的机器人。 4 浙江理工人学硕士学位论文 3 基于单个机器人的机器人足球系统 这种系统中，机器人具有了人一样的主动性和能动性，机器人上安装了负责视觉处理 的视觉子系统，机身上还有丰富的传感器件，一切的决策部署，路径规划，运动控制都是 有单个机器人“想出来”的。这种系统一般都是在每个机器人的“头部 安装一个摄像头 作为机器人的“眼睛 负责采集前方图像信息，然后提交机身决策系统，但是机器人一般 比较矮小，所以信息的不全面和视觉的局限性是这类机器人系统重点要突破的内容。此类 系统的典型代表有：r o b o c u p 的中型机器人赛f ( 2 0 0 0 ) 、f i a f 的机器人比赛r o b o s o t 。 1 4 足球机器人仿真比赛系统 以上对机器人足球比赛的分析都是基于硬件的，也就是比赛必须要有物理实体承担才 能完成。但是各种算法设计思想的实验和验证如果直接在机器人硬件土进行会有许多不便 之处【3 1 ，3 刁： ( 1 ) 算法思想需要组织实际比赛验证，耗费大量时间和人力资源，开发周期过长； ( 2 ) 每次实验都要对机械部件造成耗损，缩短机器人使用寿命； ( 3 ) 未经验证的算法有可能会对整个系统造成崩溃的危险，后果不堪设想； 随着计算机仿真技术的快速发展，科研工作者提出采用仿真技术再现比赛现场，在仿 真系统中进行相关实验研究，来克服硬件结构的局限性。这一想法一经提出就得到了广泛 的响应，仿真比赛需要的人力物力大大减少，实验中的不确定情况很容易得到控制，可以 有效保护机器人硬件结构，而且研究周期也明显缩短。基于仿真系统对足球机器人技术研 究的巨大推动作用，r o b o c u p 专门设立了仿真组的竞赛项目，更进一步促进了仿真比赛系 统的研究和发展【 j 。 1 4 1 足球机器人仿真比赛系统的特点 机器人足球的仿真比赛将机器入足球系统研究的全部环节都在计算机上由仿真软件 实现，避开实体的研制，突出了策略与算法设计。仿真比赛公认为是进行多智能体系统研 究最好的平台之一，研究的重点就可以放在与比赛成绩和技术几部密切相关的策略类研究 上。该系统对机器人足球系统的软件集成性强；对硬件要求条件不高，策略类算法容易验 证和优化；系统进程可以无限重复，大大方便了系统研究的分析和改进工作3 4 ，3 5 1 。 1 4 2 足球机器人仿真比赛系统的研究现状 针对通用机器人足球仿真比赛，目前应用比较多的仿真软件系统有以下两种。 r o b o c u ps i m u l a t o fs e r v e r ：这是r o b o c u p 专用的仿真组比赛软件。采用完全分布式策 略，实时异步控制，各参赛球队在这个标准的仿真环境下进行比赛。通过这个平台，可以 测试各种控制理论，策略算法和软件的体系结构。但是r o b o c u p 的标准仿真环境侧重与机 5 浙江理t 大学硕士学位论文 器人之间的交互和对抗，较少考虑不同球队的不同之处和个性化需求，用户不能随意改变 系统的配置信息，软件灵活性差，不能用于小型组机器人足球仿真比型3 6 1 。 t e 锄b o t s ：该仿真软件系统是g e o 哂ai n s t i t u t eo f t e c l l l l o l o g y 和c m u ( c 锄e 百em e l l o n u n i v e r s i t ”共同合作开发的。系统采用j a v a 语言编写代码，可以在w i n d o w s 和l i n l l ) 【以及 s o l 撕s 等操作系统上运行，系统源码公开，在规定的协议条件下可以修改部分代码，改变 系统环境，灵活性和通用性比较好。但是这种系统因为环境配置复杂，编码过多，所以系 统运行速度比较慢，也不利于推广和应用【3 7 】。 而针对小型组机器人足球比赛( r o b o c u ps s l ) 的仿真系统并不是太多，国内外比较有影 响的是美国的u b e r s i m 【3 8 1 和中科大的s m a l l s i m 【观。 u b e r s i m 是美国c m u 大学针对本校r o b 0 c u p 小型组球队开发的一款仿真比赛系统。 该系统运行速度比较快，对c m u 本校的球队的全程研究提供了一个良好的仿真平台，但 是系统的硬件参数不能被二次配置，导致其开放性较差，不能用于其他球队。同时该系统 在实时性，稳定性和夸平台等方面也存在一些不足之处。 中科大专门针对r o b o c u p 小型组仿真比赛开发了s m a l l s i m 仿真比赛系统，该系统仿 真内容全面，包括：硬件结构，视觉信息，无线通讯，运动控制等单元模块。虽然，s m a l l s i m 系统在r o b o c u p 仿真大赛中取得了比较理想的成绩，也可以对硬件进行简单配置，但是因 为系统决策模块没有定义与外界进行联系的接口，导致系统还是存在通用性差，移植性不 强的缺点，还是难以用于其他球队的仿真。 1 5 本文研究内容及其创新点 以上分析可知，r o b o c u p 仿真组比赛的仿真系统规定了统一的系统平台和通讯协议， 每只参赛球队只需要根据规定开发自己的策略和规划算法就可以在统一的平台系统下进 行比赛。同时每届冠军球队都必须公布自己的源码，这样其他球队就可以很方便的下载到 冠军球队的所有软件代码，在平时的研究中就可以随时和冠军球队进行比赛，测试自己的 策略和算法设计。这种开放式的比赛模式有力促进了r o b o c u p 仿真组比赛的技术革新和进 步。 但是，小型组机器人仿真比赛并没有像r o b o c u p 仿真组一样的统一平台，各个球队的 硬件，软件，通讯协议等都不一样，带有很大的随意性，各球队之间要想进行技术交流和 切磋就必须要使用实体机器人组织真正的机器人足球比赛才能实现。交流的限制也使得许 多隐含的设计缺陷不能很快显现出来，一方面阻碍技术的进步，另一方面也影响了参赛的 成绩。 6 浙江理1 二人学硕士学位论文 所以，很有必要研究开发一种针对r o b o c u ps s l 的开放式仿真比赛系统，使不同球队 能够在统一的仿真环境下进行比赛，使得小型组的仿真比赛能够突破球队限制，促进队际， 校际的技术交流和合作。 本文正是针对以上这种现实需求，重点研究了基于网络的分布式仿真平台的搭建，其 中涉及到仿真平台系统模块模型设计，基于网络的系统功能分离( 仿真与三维显示分离) ， 仿真与显示之间通讯的设计与实现，数据封装格式定义，通信协议设定，插件接口设计， 插件开发标准制定等，最后针对浙江理工大学足球机器人球队的实际设计了一个微型策略 系统，实验验证了仿真平台优良的开放性，运行的健壮性，以及使用的便捷性。本课题研 究的创新点：一是开放式的仿真平台设计，可以保证系统良好的开放性和可扩展性能；二 是设计了基于网络通信的分布式平台，减小了仿真计算的压力，从而有效提高了系统运行 的速度。本文内容包括： 第一章：介绍本课题的背景，足球机器人技术的发展概况和足球机器人仿真比赛系统 的特点和不足，从而引出本文的研究内容和开发意义。 第二章：总体上介绍开放式仿真系统的设计思路和设计方案制定，以及基于网络的平 台优化方案。 第三章：在确定了仿真技术的基础上，重点对仿真平台相关数学模型，仿真体动力学 和运动学模型进行了详细的建模设计和计算，并且分析了o d e 内建的碰撞检测模型，为 仿真提供模型和理论支持。 第四章：分模块详细介绍了平台系统的设计和开发技术细节，涉及到模块功能设计和 编码实现。 第五章：利用基于t c p 的w i n s o c k e t 通信方式实现了系统三维显示功能与仿真平台的 分离，实现了基于网络分布的平台性能优化方案及实施。 第六章：介绍了系统插件开发的一般方法，插件开发s d k ，并且根据本校球队的实际 情况开发了场地，机器人，足球等通用插件，以及一个微型的策略子系统插件，在本仿真 平台系统下进行了实验验证，证明了平台系统良好的实用性能和便捷的扩展性能。 第七章：总结与展望，总结本论文研究的重点内容，突破点和创新点，指出课题研究 的现实意义，然后针对课题研究过程中出现问题之处系统的不足之处和有待改进的地方， 为后续开发提供参考。 7 浙江理t 大学硕十学位论文 第二章开放式机器人足球仿真比赛系统简介 针对目前大部分小型组仿真比赛系统没有统一平台，不利于球队之间交流学习的不利 之处，本文提出一种开放式的小型组仿真比赛系统，系统采用“平台+ 插件”的软件构架， 平台部分设计了基于网络通讯的分布式布局结构，提高了系统的运行速度。系统主平台完 成基本仿真功能的实现，插件接口留给各个球队自主开发特有的球队，策略和路径规划等 使用。 2 1 r o b o c u ps s l 比赛场地系统和仿真系统分析 r o b o c u ps s l 比赛分为场地赛和仿真比赛两种比赛形式，都是r o b o q l p 常规竞赛项 目，随着精密机械和计算机技术的飞速发展，小型组的两种比赛已经成为r o b o c u p 竞赛项 目中发展最快，技术最先进的赛事之一f 蜘。 2 1 1 r o b o c u ps s l 场地赛分析 r o b o c u ps s l 比赛是标准的6 0 5 m 木4 0 5 m 的长方形场地上进行，每只队伍5 名队员。 比赛开始后不允许操作任何机器人和与比赛有关的计算机，机器人大小规定直径不超过 1 8 c m ，高度不超过1 5 c m ，机器人之间可以进行踢球，射门，带球，传球，防守等所有人 类足球运动员的动作，可以相互合理碰撞。比赛时间控制在上下半场各1 0 分钟，中场休 息5 分钟，中场休息期间参赛双方工作人员可以对受损机器人进行简单维护，对系统进行 合理调整4 ”。 现在r o b o c u ps s l 比赛一般都是采用全局视觉的集中控制方式，如图2 1 所示。每支 球队使用一台( 也可以多台) p c 机完成图像信息，完成决策谋划，发出控制指令信息等工作。 摄像头悬挂于场地上方4 m 高的横梁上，并且与控制p c 机相连，实时发送场地图像到主 控计算机，主控计算机根据赛场形式做出决策判断并发出动作控制指令，通过无线通信发 送给机器人，机器人运行板载运动控制程序，驱动电机控制机器人的运动，完成一个回合 的操作。 图2 1r o b o c 叩s s l 场地赛示意图 另外一种是基于局部视觉的机器人系统，每个机器人“头部“都安装一个摄像头用于 采集场地图像信息，但是这种机器人的视觉的局限性大，决策系统获得的信息不够全面， 8 浙江理工大学硕：j ：学位论文 导致了决策的效率和质量不高。这种系统只在中型组比赛中采用【4 2 1 。 2 1 2r o b o c u ps s l 仿真系统分析 r o b o c u ps s l 仿真系统是依靠先进的计算机仿真技术再现比赛场景，利用仿真程序实 现对运动场上各个物理实体地仿真显示，并且定义各个仿真体间的通讯协议便于仿真体间 相互通讯。因此，r o b o c u ps s l 仿真比赛系统必须具备以下基本功能： ( 1 ) 能够对球场，足球，机器人等不变主体进行物理仿真，动力学仿真，运动和碰撞检 测仿真等； ( 2 ) 实现各个功能模块间的通讯； ( 3 ) 能够接受赛场布局，仿真体运动速度和方向等信息； ( 4 ) 能够根据赛场信息快速做出决策并发出控制指令； ( 5 ) 能够根据目标和球场布局快速做出路径规戈f 上； ( 6 ) 仿真体能够根据控制指令严格执行相应的动作； 2 2 r o b o c u ps s l 仿真比赛系统与仿真组比赛系统的区别 但是我们应该注意的是：r o b o c u ps s l 仿真比赛系统是不同与r o b o c 卸仿真组比赛系 统的【4 3 斛】。 首先，它们各自仿真的对象不同。r 0 b o c u ps s l 仿真比赛系统要仿真的是r o b o c u p 足球赛小型组机器人，主要仿真机器人动力学特性以及处理物体问的碰撞。而r o b o c u p 仿 真组比赛所用的仿真器仿真的对象是人，但不仿真人的四肢关节等部件。 其次，它们运行程序的进程数不同。r o b o c u ps s l 仿真比赛系统里一个球队运行一段 程序( 或者叫一个进程) ，主控计算机通过全局视觉子系统返回球场信息，供决策系统规划 决策之用，这样决策系统就可以获得全部的球场信息。而r o b o c u p 仿真组比赛是场上每一 个机器人单独运行自己的一段程序( 或者叫一个进程) ，并且各个进程之间是不能相互通讯 的。每个机器人只能获得各自视角范围内的球场信息，决策系统汇总整合每个进程获得的 局部信息成为一个相对全面的球场信息，以此作为决策的依据，这样就容易产生所谓的决 策盲区，降低决策的准确性。 另外一个重要的不同点是有无标准接口。r o b o c u ps