（机械设计及理论专业论文）机器人足球仿真系统的研究.pdf

7 7 8 7 2 1 塑茎y 机器人足球仿真系统的研究 机械设计及理论专业 研究生曹成才指导教师姚进 机器人足球系统是人工智能和智能控制领域的研究热点之一。其中涉及到 的技术包括机器人学、机电一体化、多智能体协作、决策与对策、人工生命、 传感器数据融合和图像处理等。机器人足球仿真系统作为机器人足球系统的 种表现形式，和实体机器人足球系统相比，仿真系统对条件要求不高、便于实 施，非常适合研究机器人的决策和规划。本文主要研究了多智能决策模型的构 建，机器人基本动作和行为的实现，规划机器人的路径。具体内容如下： 机器人的决策是机器人足球仿真系统的核心部分。本文分析了六步推理模 型和三层决策模型的特点，提出了根据多智能体规划理论构建多智能体的决策 模型。决策模型由1 个控制协调智能体和1 1 个计划执行智能体组成，控制协调 智能体根据球场基本信息进行逻辑推理，将任务计划分成子计划，为各智能体 分配子计划和角色。每个智能体根据任务和计划规划路径，最后确定机器人的 轮速。该模型的优点是能够集中制定多个智能体系统的行为计划，各个智能体 以分布式并发执行计划。 机器人的路径规划一直是机器人技术研究的热点，路径规划也是机器人足 球仿真系统的一个重要组成部分。路径规划分为三种：全局规划、局部规划和 混合规划。全局规划是根据全局的信息，为机器人规划路径；而局部路径规划 是根据局部的信息为机器人规划路径。本文研究了全局路径规划的主要方法： 遗传算法、栅格法和人工势场法，并且分析了这些方法的优缺点。全局规划法 适合复杂的环境，但是不能满足机器人足球仿真系统的实时、动态环境的要求。 本文根据决策系统的要求采用局部规划法，并且利用几何法规划局部路径，通 幽业查兰兰兰旦兰三兰堡堡苎 过收敛圆绕过机器人遇到的障碍物。几何法满足了机器人足球实时性、动态变 化的环境要求。仿真结果表明，几何法适合于局部路径规划。 机器人的基本动作和行为是机器人足球仿真系统的一个重要部分，它是系 统策略和路径规划的执行体。机器人的基本动作是通过调节机器人的两个轮速 来实现的。本文总结了机器人的基本动作的实现方法，机器人采用中位线的方 法踢球，机器人在向踢球点移动的过程中不断的调整方向；机器人的截球是利 用二分法来确定截球点的位置。在分析了基本动作的基础上，本文改进了基本 射门方法，增加了利用守门员“盲区”射门，获得了很好的效果。 关键词：机器人足球；多智能体系统：决策模型；中位线法；二分法；路径规 划 垒! 坐堕! r e s e a r c ho nr o b o ts o c c e rs i m u l a t i o ns y s t e m m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y p o s t g r a d u a t e ：c a oc h e n g c a i a d v i s o r ：y a oj i n t h er o b o ts o c c e rs y s t e mi so n eo fr e s e a r c hf o c u s e si na r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n d i n t e l l i g e n c ec o n t r 0 1 t h er o b o ts o c c e rs y s t e mh a sc o v e r e da l lt l l ef i e l d so fr o b o t r e s e a r c h ，i n c l u d i n gr o b o t i c s ，m a c h i n e e l e c t r i c i t y , m u l t i i n t e l l i g e n c ec o o p e r a t i o n ， d e c i s i o nm a k i n ga n dc o u n t e r m e a s u r e ，a r t i f i c i a ll i f ea n ds e n s o rd a t af u s i o n ，i m a g e p r o c e s s i n g ，e t c t h er o b o ts o c c e rs i m u l a t i o ns y s t e mi saf o r mo ft h er o b o ts o c g c r s y s t e m i nc o n t r a s t 、i t l le n t i t yr o b o ts o c c e r , t h er o b o ts o c c e rs i m u l a t i o ns y s t e md o e s n o tn e e dh i g hh a r d w a r ec o n d i t i o n ，i se a s yt oi m p l e m e n t ，a n di sv e r ys u i t a b l ef o r d e c i s i o n - m a k i n ga n dp l a n n i n g o fr o b o t t h em a i nr e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o n i n c l u d e s e s t a b l i s h i n gt h ed e c i s i o n m a k i n g m o d e lf o rr o b o ts o c c e rb yu s i n g m u l t i a g e n tp r o g r a m m i n gt h e o r y , i m p l e m e n t i n gt h ea c t i o no fr o b o t s ，p a t hp l a n n i n g f o rr o b o t s ，t h em a i nc o n t e n t sa n dr d a t e do r i g i n a la c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： t h ed e c i s i o n m a k i n gi st h ec o r eo ft h er o b o ts o c c e rs i m u l a t i o ns y s t e m t h e d i s s e r t a t i o na n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es i x s t e pr e a s o n i n gm o d e la n dt h e t h r e e l a y e rd e c i s i o nm o d e l t h ea g e n td e c i s i o nm o d e li se s t a b l i s h e db yu s i n g m u l t i a g e n tp r o g r a m m i n gt h e o r y t h em o d e li sc o m p o s e do fo n ea g e n tt h a tc o n t r o l a n dc o r r e s p o n dt h es y s t e m ，a n d11 a g e n t st h a ti m p l e m e n ts y s t e mp l a n s t h ea g e n t c o n t r o l l i n ga n dc o r r e s p o n d i n gc a l lr e a s o nf r o ml o g i ca c c o r d i n gt ot h ec o u r t c o m m u n i c a t i o n ，d i v i d et h et a s ki n t os u b p l a n ，a n dd i s t r i b u t et h es u b - p l a nt oa g e n t s a c c o r d i n gt ot a s ka n dp l a n ，t h ea g e n t sc a np l a np a t ha n dc o n f i r mt h ev e l o c i t yo f w h e e l t h ea d v a n t a g eo fm o d e li n c l u d e sm a k i n gt h ep l a no fm a s b yc o n c e n t r a t i n g 1 1 1 - 璺型查兰三兰婴：! 兰堡堡塞 一一 a n da g e n t si m p l e m e n t i n gs u b p l a nb yd i s t r i b u t i n g t h ep l a n n i n gp a t hr e s e a r c ho fr o b o t si sa l w a y st h ef o c u so fr o b o t i c s - a tt h es a m e t i m e i ti sa ni m p o r t a n tp a r to fr o b o ts o c c e rs i m u l a t i o ns y s t e m t h ew a yo f p l a n n i n g p a t hi n c l u d e sw h o l e a r e ap l a n n i n g ，s u b a r e ap l a n n i n ga n dm i x 。a r e ap l a n n i n g t h e w a yo fw h o l e a r e ap l a n n i n gp l a n st h ep a t ha c c o r d i n gt ot h ec o m m u n i c a t i o no ft h e w h o l e a r e a t h ew a yo fs u b a r e ap l a n n i n gp l a n st h ep a t ha c c o r d i n gt o t h e c o m m u n i c a t i o no ft h es u b ，a r e a t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e st h ew a yo fw h o l e a r e a p l a n n i n gi n c l u d i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ，g r i da n da r t i f i c i a lp o t e n t i a lf i e l d w i t h a n a l y z i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h o s ep l a n n i n gw a y ，w h o l e a r e a p l m m i n gi ss u i t a b l et oc o m p l e xc i r c u m s t a n c e ，b u ti t c a n n o td e a lw i t ht h er e a l t i m e a n dd y n a m i cc i r c u m s t a n c e ，a c c o r d i n gt ot h ed e c i s i o ns y s t e m ，t h ew a yo fs u b a r e a p l a n n i n gi si m p l e m e n t e db yu s i n gp a t hp l a n n i n gb a s e do ng e o m e t r ya l g o r i t h m r o b o t sp a s st h eo b s t a c l e sw i t hl i m i t c y c l e p a t hp l a n n i n gb a s e do ng e o m e t r y a l g o r i t h mc a nd e a lw i t ht h er e a l t i m ea n dd y n a m i cc i r c u m s t a n c e t h er e s u l to f s i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a tg e o m e t r ya l g o r i t h mi ss u i t a b l et ot h es u b a r e ap l a n n i n g p a t h t h eb e h a v i o ro fr o b o ti sa ni m p o r t a n tp a r to ft h er o b o ts o c c e rs i m u l a t i o ns y s t e m ， t h a ti se x e c u t o ro fs y s t e ms t r a t e g ya n dp a t hp l a n n i n g t h eb a s i ca c t i o n sa r e i m p l e m e n t e db ya d j u s t i n gt h ev e l o c i t yo fl e f t - f i g h tw h e e l s t h eb a s i cb e h a v i o r sa r e s u m m a r i z e d ，i n c l u d i n gs h o o t i n gb yu s i n gt h ew a yo fp e r p e n d i c u l a rb i s e c t o r , a d j u s t i n gd i r e c t i o ni nt h ec o u r s eo fm o v i n gt ot h eb a l l ，a n dm a k i n gt h em o v i n gb a l l t ob ec o n t r o l l e dw i t l ld i c h o t o m y t h eb a s i cm e t h o do fs h o o t i n gi si m p r o v e d i n w h i c hr o b o t ss h o o tt ot h eb l i n da r e ao fg o a l k e e p e r , s ot h a tt h er a t eo ff i e l dg o a di s e n b a n c e d k e y w o r d s ：r o b o ts o c c e r ；m u l t i a g e n t ；d e c i s i o nm o d e l ；p e r p e n d i c u l a rb i s e c t o r ； d i c h o t o m y ；p l a n n i n gp a t h i v 1 绪论 机器人足球比赛是近年来在国际上迅速开展起来的高技术对抗活动，它是 足球与高科技结合的产物。机器人足球比赛涉及人工智能( a r t i f i c i a l h a t e l l i g e n c e ) 、机器人学、通讯、传感、精密机械和仿生材料等诸多领域的研究 n 。它具有严格的比赛规则，融趣味性、观赏性、科普性为一体。它是人工智 能与机器人领域极富挑战性的高技术密集项目，同时又是人工智能技术的一个 理想突破点，充分反映了一个国家信息与自动化领域基础研究和高技术发展的 水平。 1 1 课题背景及意义 本课题是四川大学和西华大学联合承担的四川省应用基础研究项目足 球机器人智能决策系统与方法的研究的一个子系统。机器人足球是一个有趣而 且复杂的人工智能的新兴研究领域，它试图利用个将各种理论、算法和智能 体的体系结构集成在一起的任务来促进机器人学和人工智能研究的发展。机器 人足球技术的范围涉及到了智能机器人研究的各个方面，包括智能体的设计原 理、多智能体协作、策略获取、实时推理和规划、机器学习和信息融合等0 1 。 1 1 1 机器人足球的发展概况 1 9 9 2 年，加拿大不列颠哥伦比亚大学的教授a l a nm a c k w o r t h 在一篇题为 “o ns e e i n gr o b o t s ”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0 1 。日本学者对此迅速做出反应，1 9 9 2 年1 0 月在日本东京召开的关于 “人工智能领域的严重挑战”学术研讨会上，与会者认真讨论了开展机器人足 球比赛对于发展科学技术的意义，认为在众多挑战性课题中让机器人踢足球是 机器人与人工智能领域最具挑战性的研究课题。 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、角色分配和轨迹规划等方面的研究取得许多成果“”。目前，国际上 机器人足球已发展为两大系列，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 i r o s o t ) ，另一个是由国际人工智能协会组织的机器人 四川大学工学硕士学位论文 世界杯足球赛( r o b o c u p ) 。 1 9 9 6 年，首届微型机器人世界杯足球比赛在韩国举行。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，3 0 余个国家的近百个学校与科研院所是 其成员单位，主要分布在亚洲、澳洲、北美和南美洲。另外，还决定在f i r a 的组织下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。机器人足球的最终目标是：到2 1 世纪中叶， 一支完全自主的机器人足球队在遵循国际足球联盟正式规则的比赛中，战胜人 类世界冠军队。 1 9 9 8 年，我国成立了f i r a 中国分会，并组织了相应的机器人足球队参加 世界杯比赛，取得了较好的成绩。我国于2 0 0 1 年在北京举办了第六届机器入足 球世界杯比赛。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步走向国际舞台o 。 1 1 2 机器人足球系统的研究内容 机器人足球的研究是人工智能领域的理想突破点，又是密切理论与实际联 系的极富生命力的成长点。机器人足球的研究涉及的领域相当广泛，包括：智 能机器人系统、多智能体系统、计算机视觉与模式识别系统、传感器技术与通 信系统、实时模式识别与行为系统、智能体结构设计、实时规划和推理、决策 与对策、模糊神经网络、轨迹规划与人工智能等“1 。机器人足球系统为多智 能体系统的研究提供了良好的平台“”。 机器人足球系统中不但包含着多智能体系统要研究的全部内容，而且其中 包含的动态环境与实时性要求比一般系统更为苛刻； 1 机器人足球比赛是群机器人对另一群机器人对抗的分布式多机器入系 统，其中每个机器人是具有决策能力的智能体。在比赛过程中，每个球队不但 能发挥个人技术，而且还能通过合作羡略发挥集体力量； 2 在比赛场地上各球队机器人到处奔跑，双方的阵形是时刻变化的； 3 机器人球队双方必须实时地了解己方和对方阵形布局的动态变化，并根 据这一动态变化实时地对全面进攻、局部进攻和防守等问题进行决策； 4 为执行这个决策，各智能体之间必须通过通信来互相沟通和协调。 因此，机器人足球系统成为研究多智能体系统的典型问题，还成为检验对 1 绪论 - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ - - _ - 抗双方多智能体协调策略( 决策专家系统) 优劣程度的标准试验平台。机器人足 球系统将研究环境从静态环境发展到动态环境，并且将非实时知识处理发展到 实时处理，它将人工智能技术发展到新的境界，是人工智能发展的第二个里程 碑。 1 13 机器人足球的实现方式 机器人足球的种类繁多，表现形式也很多。从实现方式来看，主要有4 种： 1 基于视觉的机器人足球系统 这种机器人足球系统的全局视觉数据处理、策略决策以及机器人的动作控 制都由上位机完成，每个机器人接收由主机发送来的数据控制其运动方向和速 度。此类属于基于全局视觉集中控制式的多智能体系统”，这类系统包括f i f a 微机器人比赛( m i r o s o t ) 、超微机器人比赛( n a r o s o t ) 和r o b o c u p 的小型机人比 赛( f 1 8 0 ) 等。这种机器人足球系统的特点是： 属于集中式控制系统； 结构简单，价格适中； 没有局部传感器，机器人容易开发； 能够快速计算和采样： 容易调试和更新程序。 2 基于视觉的有智能的机器人足球系统 这种系统只有全局视觉数据处理在主计算机上完成，再把处理结果发给每 个机器人，机器入据此进行决策，进行动作控制。实际上主机处理视觉数据的 作用相当于机器人的一种传感器，此系统介于集中式控制和分布式控制系统的 中间层，也就是无脑遥控系统向基于机器人系统的过渡层。机器人可以用局部 传感器信息控制机器人运动到目标和避开对手。可将系统分解为高层( 上位机) 和低层( 机器人) ，用模块形式开发系统。在r o b o c u p 的小型机器人比赛( f 1 8 0 ) 中常用。该系统是把决策部分放在每个机器人上完成，馒得机器人的“思想” 负担加重了，对计算机的软硬件配置也提出了更高的要求。这种系统的特点是： 智能部分全部集中在机器人上： 多个机器人存在时使用； 系统复杂，费用高： 堕纠查堂三兰竺主兰垡堡苎 机器人之间需要进行通讯。 3 基于单个机器人的机器人足球系统 在这种系统中，机器人具有完全的自主行为，自身具有感知系统，一般装 有多种传感器，所有计算( 包括决策) 都由机器人自身完成。它是一个分步式系 统，所有智能决策部分全部集中在机器人上。r o b o c u p 的中型机器人赛( f 2 0 0 0 ) 、 f i f a 的机器人比赛r o b o s o t 均属于此类系统。由于是分别感知，摄像头置于机 器人小车之上，视场变动，视野局限，信息不完整，给决策带来更多的困难。 感知器不仅局限于视觉，还可辅以红外和声纳等，进行距离和障碍检测。这样 信息( 传感器、数据) 融合就成为首当其冲的技术难题。机器人间的信息沟通要 靠无线通信网络。网络形式与通信协议也就成为制约系统性能的关键技术。这 种系统的特点是： 视觉处理和智能决策都在机器人上： 多个机器入存在时使用； 系统复杂，费用高： 机器人之间需要进行通讯。 4 机器人足球仿真系统 如果将机器人足球系统的全部环节都在计算机上由软件仿真实现，那就是 一种机器人足球的仿真比赛。避开实物的研制，突出思维与合作，是此方案的 最大特点。仿真比赛是多智能体系统最好的研究平台。研究的重点是球队的高 级功能，包括动态不确定环境中的多智能体合作、实时推理规划决策、 机器人学习和策略获取等人工智能研究的热点问题。该系统的特点是： 是对机器人足球系统的软件集成； 要求条件不高，容易实现； 便于决策算法的实现和优化； 仿真系统的可重复性也大大方便了分析工作。 1 1 4 机器人足球仿真系统研究的内容和意义 在1 1 3 节中，提出了4 种机器人足球系统的实现形式，前三种系统对硬 件的要求都比较高，而且系统结构比较复杂。机器人足球系统的研究内容主要 是多智能体系统，而不是构建复杂的机器人足球系统。因此，利用计算机构建 ! ! ! ! ! ：。一 _-。j。-_。_-_。_-。，。_。_。_。 机器人足球平台，进行多智能体研究，是一种方便快捷的研究方式。机器人足 球仿真系统具有重要的现实意义。 机器人足球仿真系统的研究内容包括：构建机器人足球系统的环境模型； 机器入基本行为的实现；机器人足球策略的研究。对机器人足球系统的环境模 型的仿真工作一方面是建立各对象的静态模型，如大小、质量、摩擦系数、碰 撞系数等属性；另一方面是建立对象的动态模型，如速度、加速度等，特别是 对象之间的碰撞检测、动量与动能守恒“。机器人基本行为的实现包括机器人 的移动、射门、点球、截球、阻挡和避开障碍等。机器入足球系统策略的研究 包括全局的策略的实现和局部的路径规划。 机器人足球仿真系统是在计算机上模拟机器入足球系统的真实环境，通过 计算机来完成实体机器人各个模块的功能。仿真系统的特点是要求条件简单， 能够模拟真实的环境，机器人的模拟和实际的机器人十分接近，故其对机器人 足球和人工智能的研究具有重要意义： 仿真系统可以弥补实体系统的不足，实现复杂决策算法； 仿真系统要求的条件简单，便于机器人足球技术的推广； 仿真系统的可控靠m 陆，便于机器人足球系统的实验和分析。 i 2 机器人足球仿真系统的发展概况与发展趋势 实体机器人系统通过c c d 摄像头( 或传感器) 获得场地上的信息，然后对 这些信息进行分析和处理，根据策略给不同的机器人发送不同的指令，从而完 成机器人的踢球任务。但是这种实体的机器人足球系统需要进行很多硬件的投 资，给机器人足球的推广带来了很多困难：同时由于实体机器人足球系统集成 了小车、图像采集、图像处理、无线通讯和决策系统几个模块，使得系统开发 的复杂程度大大提高，这样不便于决簸算法的实现和优化，同时仿真系统的可 重复性也大大方便了分析工作。 1 9 9 9 年，由哈尔滨工业大学开发了11 人组的机器入足球仿真比赛平台， 并且投入比赛使用。由于机器人足球仿真系统的研究要求条件不高、技术进步 快，所以国内外很多大学都引进了机器人足球仿真系统。各国的研究人员已经 在仿真系统的研究中取得了很多成果。2 0 0 1 年澳大利亚研究人员又开发了3 d 凹纠查兰三兰堡主兰竺堡兰 环境下的5 人组仿真比赛系统，使得仿真比赛的可观赏性更强，能够很好的模 拟现实中的机器人足球比赛。 机器人足球仿真系统可以用来评价各种不同的理论、算法和体系结构。它 的领域特征简单概括为：动态的环境、实时的状态改变、不完全的获取信息、 非符号式的传感器信息、分布式的控制方式“。仿真系统的主要研究方向包括： 1 多智能体决策模型的构建。在以往的研究中，很多系统都采用单一的分 布控制式决策和集中控制式决策。分布式决策和集中控制式决策都有自己的有 点和缺点。分布式决策从机器人个体的角度来考虑，往往忽视了机器人之间的 协作和通讯；集中控制式决策是从多个机器人的整体来决策，没有能够重视每 个机器人个性特征的体现。这两种单一的决策方式都不能够体现多智能体的特 征，因此要构建一种能够体现多智能体团队协作和个性能力发挥特征的决策模 型。 2 机器人路径规划的研究。路径规划是一个十分复杂的研究课题，对机器 人的路径规划来说，主要包括全局路径规划、局部路径规划和混合路径规划。 在过去的研究中，出现的一些路径规划没能很好考虑机器人足球系统的复杂多 变、动态、实时的环境，很多路径规划在实际中没能获得很好的效果。因此， 在进行路径规划的时候要充分考虑机器人足球系统的环境要求。 1 3 本文的研究内容 本文主要针对机器人足球系统，利用多智能体规划理论构建机器人足球仿 真的决策系统，对机器入的基本行为进行优化，并且规划出合理、高效、无碰 撞的路径。具体内容如下： 第一章：介绍项目的来源和意义，机器人足球的发展概况和研究内容、机 器人足球仿真系统的发展和研究内容，以及本论文的研究内容； 第二章：介绍机器人足球仿真系统的结构和每个模块的功能和特点； 第三章：机器人足球仿真系统策略的实现，分析总结了现有的六步推理模 型和三层决策模型，提出了利用多智能体规划理论构建决策模型。 第四章：机器人足球局部路径规划的实现，提出了几何法检测碰撞和几何 法规划路径； 第五章：机器人基本动作和行为的实现，研究了机器人的移动、踢球、截 l 绪论 球动作，改进了原有的基本射门方法，增加t n 用守门员“盲区”射门的方法。 第六章：介绍了仿真比赛软件的结构，提出了c l i e n t 程序的开发方法，在 原有的服务器平台上增加了实验调试功能： 第七章：本论文总结，本论文提出的决策理论、机器人的行为动作和路径 规划在机器人足球比赛中获得好成绩。 2 机器人足球仿真系统 2 机器人足球仿真系统 机器人足球仿真系统利用计算机图形学方法对运动场地、机器人和球进行 仿真，用运动学和动力学方法对机器人的运动及踢球过程进行仿真。在已经建 立的仿真比赛平台基础上，首先将各队的比赛策略输入到客户程序上，并通过 u d p i p 网络协议，将双方客户端和仿真系统服务器逐一连接。然后做好有关比 赛的准备工作，包括系统启动，各队机器人球队的定位等。最后，进行比赛。 仿真比赛和实际比赛一样，由裁判的控制下进行比赛。裁判一吹哨，比赛就开 始，整个比赛遵循比赛规则。 2 1 机器人足球仿真的目的 实体机器人足球系统涉及的领域包括人工智能、机械、通信、图像处理、 电子等，对硬件的要求也很高。在研究机器人足球系统的初级阶段，研究人员 一般从仿真系统着手，同时仿真系统也是研究机器人策略控制的很好平台。同 实体机器人足球系统相比，仿真系统更加方便、快捷、经济，另外仿真系统的 可重复性大大地方便了统计和分析工作。通过机器入仿真系统，很多对机器人 感兴趣的研究人员都可以参与进来，这便于机器人研究的推广。 机器人足球仿真的主要目的包括开发机器人足球比赛基本动作算法与比赛 策略；可以为每个机器人球队提供比赛训练和策略的学习环境；可以用来检验 各机器人球队比赛策略的可行性和先进性o “。 机器人足球仿真系统中机器人基本动作包括机器人的移动、踢球、截球、 射门等；机器人比赛策略包括防守策略、进攻策略、队形的实现和局部的配合 等。为了提高机器人足球研究水平的提高，各个机器人球队之间可以方便地组 织机器人足球仿真比赛和交流。另外，研究人员可通过机器人足球仿真系统对 策略进行反复地试验获得更好的效果。 2 2 机器人足球仿真系统的构架 机器人足球仿真系统是由国际机器人足球联盟提供标准的s o c c e rs e r v e r 系 粤型奎茎三兰婴主兰堡堡壅 统，各机器人足球队开发自己的c l i e n t 系统，模拟真实机器人参加足球比赛。 l 一一一一一一一一一一一! l 一一一一一一一一一一一一一一一一一 黼罕留燃卜 网 网一信息预处理模块 一 络 络 通 通 陬磊磊习 信 信 i 一 _ j 模 模 块 块 叫基端鼢径 图2 1 机器人足球仿真系统结构图 如图2 1 所示，机器人足球仿真系统采用c l i e n t s e r v e r 结构，s e r v e r 和c l i e n t 在同一个局域网中，它们之间通过网络通讯交换信息。 2 1 1s e r v e r 的功能 s e r v e r 包括运动学模块、碰撞检测模块、动力学模块、裁判模块、显示模 块和网络通信模块等n 7 1 。 每隔一定的时间周期，s e r v e r 接收c l i e n t 发送来的机器人控制字符串，经 过解析，获得每个机器人的轮速。根据动力学运动学模型计算出机器人和球的 速度、位置等，并将其结果送至自动裁判模块裁定是否犯规。然后将结果同时 发送给客户机和显示模块，由显示模块显示机器人运动过程，主要包括以下内 容： ( 1 ) 运动学模块：根据球和机器人的运动学模型，由当前球和机器人的速 度和坐标位置以及客户机发送的机器人的左右轮速，计算出球和机器人的新的 位置。 ( 2 ) 碰撞检测模块：主要检测机器人、球和球场边界之间的碰撞。 ( 3 ) 动力学模块：机器人和球在运动过程中，通过速度衰减的形式来实现 对摩擦系数的仿真；根据动量守恒和动能守恒计算出碰撞后机器人及球的运动 2 机器人足球仿真系统 方向和新的速度。 ( 4 ) 自动裁判模块：根据比赛规则，由服务器裁定双方是否犯规，可以判定 自由球、点球等。 ( 5 ) 显示模块：每隔一定的时间周期，利用w i n d o w s 画图程序画出机器人 和球的图形，从而显示比赛过程；另外显示模块还要显示比赛时问、结果及裁 判判罚情况等。 ( 6 ) 网络通信模块：采用u d p i p 通信协议，采用s o c k e t 通信方式完成 s e r v e r 与c l i e n t 的通讯。 2 2 2c l i e n t 的功能 c l i e n t 包括网络通信模块、信息综合分析模块、行为决策模块、基本动作 和路径规划模块、策略库模块“。 每隔一定的时间周期，c l i e n t 接收s e r v e r 发送的机器人的位置、角度等参 数，并根据敌我双方的位置和已有的策略库进行分析与决策，并将每个机器人 的轮速发送给服务器。 ( 1 ) 网络通信模块：负责服务器与客户端的通讯，包括客户端与服务器连 接的初始化，双方通过u d p i p 协议进行的通讯，以及异常情况处理等。 ( 2 ) 信息综合分析模块：分析服务器发送过来的信息，并把服务器发送过 来的信息转换为客户端能接受的机器人和球的坐标，同时对场上的形势进行综 合分析。 ( 3 ) 行为决策模块：根据球场上的情况决定选择何种策略，包括场上形势 的分析、预测及判断，并根据实际情况选择正确的策略。 ( 4 ) 基本动作和路径规划模块：包括基本动作的实现，如踢球、射门、截 球、跑位等，以及机器人的局部的路径规划。 ( 5 ) 策略库：预先编好的各种情况下的策略，包括预先编好的根据足球场 上不同情况所制定的不同策略。 2 3 仿真系统中的数学模型 2 3 1 仿真系统的球场模型 机器人足球仿真系统的场地模型如图2 2 所示。球场是二维的，也就是说 - 1 0 - 婴型奎鲎三兰堡主兰堡堡兰 球场内的所有模型都是没有高度的。机器人和球员都是用二维的图形来模拟的。 图2 2 机器人足球仿真系统的球场模型 机器人足球仿真系统在计算机上运行时自动调整显示的分辨率为1 0 2 4 ( 7 6 8 ，所以仿真系统采用像素点作为单位。整个仿真球场以计算机屏幕左上角为 坐标原点，水平方向为x 轴，垂直方向为y 轴。整个球场的大小为9 0 4 像素 6 2 9 像素( 不包括球门) ，球门大小为1 9 6 像素3 7 像素。 仿真机器人为正方形，其尺寸为l o 像素1 0 像素。每个机器人都穿上队 服，在比赛之前双方选择队服。比赛用球采用橙色球，其直径为7 像索。 2 3 1 机器人和球的运动模型 在机器人足球仿真系统中，机器人采用两轮独立驱动的方式，通过改变两 轮的速度获得不同的运动形式。假定小车总是在光滑的水平台面上运动，这里， 忽略了惯性力( 如离心力) ，车轮转动而产生的力、拖曳力及其他阻力，当然， 如果需要，也可以考虑，只是所建模型更复杂一些。为了能够得到比较简单、 实用的动力学模型，可以做如下合理的假设： 2 机器人足球仿真系统 假定机器人的轮子和地面没有滑动，即作纯滚动运动 机器人的轮子侧向没有滑动。 y 图2 3 机器人的运动模型 如图2 3 所示，机器人在x o y 面内运动。机器人的位置姿态参数可以表示 为p = i xy 占 7 ，速度参数可以表示为q = i v t ，机器人的位置参数p 和速度参数q 之间的关系可以表示为： o lr 。1 牡p 坦 1 q = 卜。r = 巴c v ，+ v pj 1 c v ，一， = _ j 善妻1 麓 式( 2 - - 2 ) 经过化简可以得机器人的两轮的轮速： 亿： 由于。= 6 ，口：盯c t 。由；) 由式( 2 3 ) 可得 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 口目m o c s r。l = x y 口 一一p 婴业奎兰三堂堡主兰焦丝苎 _ ：、| ( ：十面2 + 兰二兰 ( 曲2 + ) 2 一 咋：( 与：十( 为2 一兰二苎 ( 2 4 ) 由于球场摩擦力的存在，球在球场匀减速运动。为了研究的方便，假设球 在球场上作纯滚动，不考虑球在球场上的滑动。球的位置参数为p = hy t ， 速度参数为口= v 。 f 3 v = ( 2 5 ) 圳 所谓的机器人“踢球”模型就是机器人怎样推动球的运动，机器人和球之 间如何进行速度交换的。该模型主要用动量守恒和动能守恒求出碰撞后机器人 及球的运动方向和新的速度。在这里需要注意的是，由于机器人左右两个轮子 的构造，动量守恒只是在机器入运动方向上成立，而左右方向上由于机器入无 法横向移动，而不能成立。因此，无论球碰到机器人还是机器人主动踢球，其 模型是一致的。机器入的动力学模型为“： i m v ：+ m 记= f v ：+ m v ： m v 。+ ”v 口= m 记十m v 8 ( 2 6 ) v 。，2 。v rh ，2 。v 乙 式( 2 - - 6 ) 中，与为机器人与球的初始速度；，与v b t 为机器人与球碰撞 后的速度；r 与日为机器人与球碰撞后的速度的衰减系数：m 和m 分别为机 器人和球的质量。最后求得机器人和球的最终速度，与协为： 卜芦一些糕丝 (2_7)2m k 。y r f 一( m - m ) v s ”“ 2 机器人足球仿真系统 2 4 自动裁判功能 由于机器人足球仿真比赛的速度比较快，裁判的水平高低不同，而且目前 还没有专职的国际比赛的裁判，在比赛中误判和错判的情况时有发生。为此， 机器人足球仿真系统增加了自动裁判模块，使比赛能够公平合理地进行。 图2 4 自动裁判流程图 璺型奎堂三堂堡主兰垡堡苎 自动裁判是根据球场上机器人的位置和机器人之间的碰撞检测来判定的， 比如球场的罚球区域内不允许超过4 个机器人，自动裁判就会检测机器人的坐 标在罚球区域内的个数，如果超过了4 人，就要根据相应的规则进行判罚。自 动裁判模块同时会将判定的结果显示在机器人足球仿真系统的人机界面上，然 后由人工裁判执行判罚。在此需要说明的是由于机器人以一定的速度运动，有 可能在一个时间周期内进入球门区或禁区内，判决的依据是以机器人的中心是 否进入球门区域的边线或罚球区域线为准。机器人足球仿真系统自动裁判流程 图如图2 4 所示。 2 5 本章小结 本章主要介绍了机器人足球仿真系统的目的，仿真系统的结构、c l i e n t 和 s e r v e r 的组成和功能以及仿真系统中数学模型的建立。本章还介绍了机器人足 球仿真系统中的自动裁判模块。 3 基于智能体规划的机器人足球决策模型 3 基于智能体规划的机器人足球决策模型 作为整个机器人足球仿真系统的指挥机构决策系统起着举足轻重的作 用。在机器人足球比赛过程中，决策系统相当于现代足球中的教练员，直接影响 到机器人足球比赛的胜败。决策系统获得处理过的球场信息，经过决策，发送 机器入的轮速给s e r v e r ，可以说决策系统是整个系统的中心枢纽。决策系统最 集中地反映了人工智能技术各相关理论的应用。对于机器人足球仿真系统来说， 决策系统的研究成为整个仿真系统研究的重点。 3 1 决策系统的任务和特点 决策系统相当于机器人足球比赛的教练员，决策系统获得球场上的信息后， 运用自己的经验知识快速分析球场上的形势，做出实时部署，然后给每个机 器人发送指令。机器人足球系统的决策子系统应满足适应性好、具有自学习能 力、实时性好等几方面的要求“。 人类的思维可以分为形象思维和逻辑思维两种。在人类的足球比赛中，教 练员和运动员得到球场上的视觉信息，主要是通过形象思维进行部署策略。两 机器人足球决策系统获得的球场信息是一些数字化的信息，这样的信息用形象 思维是无法处理的，只能使用计算机最擅长的逻辑恩维方法来处理。 同时，人类踢足球的时候对信息的处理常常是在模糊概念上进行的，比如， 距离、速度、利弊等。用自然语言进行推理和判断。而决策系统面对的是糖确 的数据和规整的程序语言，如何把教练员的决策思维过程形式化、规范化，并 和用计算机语言表现出来，这属于知识工程的范畴，崭新的前沿领域。这也是 机器人足球比赛比计算机下国际象棋更加具有挑战性的关键所在，同时这也是 决策系统设计的难点。 针对机器人足球决策系统的任务特点，它的设计显然要满足一下要求： 要具有实时性； 保证系统功能的基础上，提高系统的鲁棒性和可控性； 系统的设计要有结构化、层次化、模块化，有利于多人设计： 机器人足球还在不断的发展，因此，决策系统要有良好的可扩展性； 根据不同的情形，有不同的策略，系统要有策略库，如不同的进攻要 1 6 四川大学工学硕士学位论文 有不同的防守策略，不同的射门方式要有不同的守门策略与之对应。 3 2 常用的决策模型 决策模型是机器人足球系统中的重要组成部分，是机器人足球系统的指挥 系统。近年来，研究人员构建了很多种类的决策模型，常用的决策模型有两种， 一种是由徐心和教授提出的六步推理结构模型。“，另一种是常用的三层决策模 型。2 “。下面对这两种决策模型进行分析。 3 2 1 六步推理结构模型 六步推理结构模型是一种比较传统的机器人足球决策模型。该模型接收到 s e r v e r 传递过来的机器人和球的位置信息，把这些信息和上几个时间周期的信 息进行比较，获得球场上机器人和球的位置、速度、加速度和运动方向等。通 过对这些信息的分析，根据已经有的策略确定下一个时刻机器人的位置和速度， 并将这些信息转化成机器人小车-