（计算机应用技术专业论文）机器人足球策略软件开发平台研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘 要 摘 要 近年来，机器人足球比赛己成为多智能体系统和分布 式人工智能 研究的热 点问题。实物机器人足球比赛系统价格比 较昂 贵、开发周 期长、 且有使用寿命 的限制，由此导致， 机器 人足球策略研究人员往往不能充 分地进行实物调试， 大多借助于系统仿真工具来进行比赛策略的调试。目前，在机器人足球仿真领 域使用的各种仿真比赛系统并不能 对机器人足球策略程序的开发提供充分支 持;而一些己开发出来的 多机器人通用仿真平台虽然对机器人控制算法提供了 支持，但缺乏 针对性， 不易使用。因此，我们提出 开发一个具有机器人足球策 略程序调试功能、并对策略研发 提供 足够支持的软件开发平台， 提高策略开 发 效率，降低策略开发成本。 本文所设计的 机器人足球策略软件开 发平台由在线调试系统、 仿真比赛系 统、数据分析及策略软件开发支持系统构成。 文中 通过对所研究领域中已 有的 仿真系统的优缺点进行分析，确定了策略软件开发平台的 基本设计目 标和性能 指标， 并对平台的 总体软 件结构 进行了设计。 在此基础上分别对组成平台的 三 个关键子系统的设计和实 现进行了论述。所研究的 策略软件开发平台已 经在实 际的机器人足球竞赛项目 设计过 程中进行了 应用。实 践表明.该平台为策略研 究人员提供了一个有力的研究工具。 关键词:足球机器人系统机器人足球比赛策略仿真软件开发平台 西北一 业人学硕 卜 学位沦文 a b s t r a c t r o b o t s o c c e r g a me h as b e c o m e a v e ry p o p u l a r p l a t f o r m f o r r e s e a r c h e s o f m u l t i - a g e n t s y s t e m a n d d i s t r i b u t e d a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e r e c e n t l y . h o w e v e r , a p h y s ic a l r o b o t s o c c e r s y s t e m i s v e ry e x p e n s i v e a n d i t s u s e i s r e s t r i c t e d b y t h e w a s t a g e o f h a r d w a re s . p r a c t i c a l e x p e r i m e n t s c a n n o t b e p e r f o r me d e n o u g h i n o r d e r t o r e d u c e h a r d w a r e w a s t a g e a n d m a i n t a i n e q u i p m e n t s . mo s t o f t h e r o b o t s o c c e r g a m e s i m u l a t o r s d e v e l o p e d c a n n o t o ff e r s u ff i c i e n t s u p p o r t t o t h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t o f r o b o t s o c c e r g a m e s t r a t e g i e s ; a n d g e n e r a l m u l t i - r o b o t s i m u l a t i o n s y s t e m s d o n o t a i m a t r o b o t s o c c e r , w h i c h m a k e t h e m v e r y d i f f i c u l t t o u s e r . t h e r e f o r e , t h e m a i n w o r k o f t h i s t h e s i s i s t o d e v e l o p a s o ft w a r e d e v e l o p p l a t f o r m i n o r d e r t o d e s i gn a n d d e b u g r o b o t s o c c e r s t r a t e g y s o ft w a r e m u c h m o r e e f f i c i e n t ly . w e f i r s t a n a l y z e s e v e r a l e x i s t e d s i m u l a t i o n s y s t e m s ; g i v e t h e d e s i g n t a r g e t a n d p e r f o r m a n c e d e m a n d o f o u r p l a t f o r m , a n d t h e n d e s i g n i t s s o ft w a re a r c h i t e c t u r e . o n t h e b a s i s o f t h e a b o v e w o r k , t h e d e s i g n p l a n s a n d i m p l e m e n t o f t h e t h re e m a i n s u b s y s t e m s c o m p o s e d o f o n l i n e d e b u g s y s t e m , g a m e s i m u l a t o r , d a t a a n a l y z e r a n d s o f t w a r e d e v e l o p m e n t s u p p o r t s y s t e m a r e d i s c u s s e d . t h e a p p l i c a t i o n o f t h i s p l a t f o r m i n t h e d e s i g n a n d r e s e a r c h o f r o b o t s o c c e r s o f t w a r e i n d i c a t e s t h a t i t p r o v i d e s a r e l i a b l e a n d e f fi c i e n t w a y t o h e l p d e b u g g i n g a n d d e v e l o p i n g r o b o t s o c c e r s o ft w a r e . k e y w o r d s : s o c c e r r o b o t s y s t e m , r o b o t s o c c e r g a m e , s t r a t e g y , s i m u l a t i o n , s o ft w a r e d e v e l o p m e n t p l a t f o r m 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪 论 机器人足球和足球机器人 机器人足球赛现在已 经成为机器人和人工智能领域的 研究热点之一。它是 在动态不确定环境下对人工智能的考验，是以 体育竞赛为 载体的高科技对抗， 是 培养信息、自 动 化领域科技人才的重 要手 段，同时也是展示高科技水平的窗 口和 促进科技成果实 用化和产业化的 有效途径。 机器人足球比 赛的设想是由 加拿大不列 颠哥伦比亚大学的a l a n ma c k w o r t h 教授于 1 9 9 2 年在 o n s e e i n g r o b o t s 中 提出的， 其主要思想是为了 促进分布 式 人工智能研究与 教育的发展提供一个标准任务 机器人足球赛，使得研究 人员 在该平台中 研究各种相关技术， 从而有效促进各相关 研究领域的发展。发 展到 现在， 这些领域已经 涉及到机器人学、 机电一 体化技术、多智能体系统、 通讯与计算机技术、 视觉与 传感器技术、 智能控制与决策等研究领域。 目 前， 有 关 机 器 人 足 球比 赛 的 国 际 组 织 有 两 个: r o b o c u p 联 合 会 和 f ir a 组织。 这两个组织分别组办不同的世界性大赛， 他们之间的不同点可简单用表 1 - 1说明。 表i - 1 r o b o c u p 和f i r a的比 较 r o b o cu p f i r a 创立 1 9 9 7 年日 本1 9 9 6 年韩国 规模5 0 多个国家1 2 0 多支队 伍3 0 多个国 家 1 0 0 多支队伍 分布日本欧洲美国等亚洲澳洲美洲等 特点分布式 集中式一分布式 种类 仿真 ( 1 1 : 1 1 ) ， 小型组( 5 : 5 , 1 1 : 1 1 )中型组 ( 5 : 5 ) , 索尼 a i b o狗( 5 :5 ) , 双足机器人 遥控跟踪等 mi r o s o t ( 3 :3 , 5 : 5 ) , n a r o s o t( 5 : 5 ) , r o b o t s o t , k h e p e r a , s i m u s o t ( i 1 : 1 1 ) ， 标准动作等 r o b o c u p ( r o b o t w o rl d c u p ) ，即机器人世界杯足球锦标赛， 以 m a s ( mu l t i - a g e n t s y s t e m ) 和d a i ( d i s t r i b u t e d a rt i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ) 为主要研究背 景，主要 目的就是通过提供一个标准的、易于评价的比赛平台，促进 d a i与 ma s的研究与发展。 一 1- 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪 论 机器人足球和足球机器人 机器人足球赛现在已 经成为机器人和人工智能领域的 研究热点之一。它是 在动态不确定环境下对人工智能的考验，是以 体育竞赛为 载体的高科技对抗， 是 培养信息、自 动 化领域科技人才的重 要手 段，同时也是展示高科技水平的窗 口和 促进科技成果实 用化和产业化的 有效途径。 机器人足球比 赛的设想是由 加拿大不列 颠哥伦比亚大学的a l a n ma c k w o r t h 教授于 1 9 9 2 年在 o n s e e i n g r o b o t s 中 提出的， 其主要思想是为了 促进分布 式 人工智能研究与 教育的发展提供一个标准任务 机器人足球赛，使得研究 人员 在该平台中 研究各种相关技术， 从而有效促进各相关 研究领域的发展。发 展到 现在， 这些领域已经 涉及到机器人学、 机电一 体化技术、多智能体系统、 通讯与计算机技术、 视觉与 传感器技术、 智能控制与决策等研究领域。 目 前， 有 关 机 器 人 足 球比 赛 的 国 际 组 织 有 两 个: r o b o c u p 联 合 会 和 f ir a 组织。 这两个组织分别组办不同的世界性大赛， 他们之间的不同点可简单用表 1 - 1说明。 表i - 1 r o b o c u p 和f i r a的比 较 r o b o cu p f i r a 创立 1 9 9 7 年日 本1 9 9 6 年韩国 规模5 0 多个国家1 2 0 多支队 伍3 0 多个国 家 1 0 0 多支队伍 分布日本欧洲美国等亚洲澳洲美洲等 特点分布式 集中式一分布式 种类 仿真 ( 1 1 : 1 1 ) ， 小型组( 5 : 5 , 1 1 : 1 1 )中型组 ( 5 : 5 ) , 索尼 a i b o狗( 5 :5 ) , 双足机器人 遥控跟踪等 mi r o s o t ( 3 :3 , 5 : 5 ) , n a r o s o t( 5 : 5 ) , r o b o t s o t , k h e p e r a , s i m u s o t ( i 1 : 1 1 ) ， 标准动作等 r o b o c u p ( r o b o t w o rl d c u p ) ，即机器人世界杯足球锦标赛， 以 m a s ( mu l t i - a g e n t s y s t e m ) 和d a i ( d i s t r i b u t e d a rt i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ) 为主要研究背 景，主要 目的就是通过提供一个标准的、易于评价的比赛平台，促进 d a i与 ma s的研究与发展。 一 1- 第一章 绪论西北工业大学硕上学位论文 表 1 - 2 历届r o b o c u p 世界杯赛 名称 日期主办国城市 r o b o c u p 1 9 9 7au g u s t 2 3 - 2 9j a p a n n a g o y a r o b o cu p 1 9 9 8j u ly 2 - 9 f r a n c ep a r i s r o b o c u p 1 9 9 9j u l .2 7 - au g .6 s we d e ns t o c k h o l m r o b o c u p 2 0 0 0a u g .2 6 - s e p t .3 au s t r a l i a me l b o u r n e r o b o c u p 2 0 0 1au g .2 - 1 0 ame r i c as e a tt l e r o b o c u p 2 0 0 2 j u n . 1 9 - 2 5 j a p a n f u k u o k a r o b o cu p 2 0 0 3 j u l -2 - 1 1 it a l iap a d o v a r o b o c u p 2 0 0 4 j u n .2 7 一u l . 5 p o rt u g a l l i s b o n r o b o c u p比 赛 项目 在 1 9 9 7 年 刚 开 始 第 一 届比 赛时 只 有 小 型 组、 中 型 组 和 仿真组比赛; 9 9 年时增加了 索尼有腿机器人赛; 2 0 0 1 年增加了 救援仿真比 赛和 救援机器人赛;2 0 0 2 年增加了 更多的 项目 包括四 腿机器人赛、 类人机器人赛、 机器人 挑战赛。其中类人机器人赛包括下面 4个项目 行走: h - 4 0射门、 h - 8 0 射门、自 由风格赛、 机器人挑战赛包括 足球挑战赛和舞 蹈挑战赛。 2 0 0 3 年仿 真 组增加了 几项比赛如 在线教练赛等， 机器人挑战赛也增加了 几个项目 如救援挑 战赛等。 2 fi r a f i r a 是指国际机器人足球协会联合会 ( f e d e r a t i o n o f i n t e rn a t i o n a l r o b o ts o c c e r a s s o c ia t io n ) . f ir a机 器 人足 球比 赛 最早由 韩国 高 等 技 术 研究 院 ( k a i s t ) 的金钟焕( j o n g - h w a n k i m ) 教授于 1 9 9 5年提出，并于次年在韩国大田 ( d a e j e o n ) 举办第一届国 际比赛。表1 - 3 列举了 历届的f i r a世界大赛。 表 1 - 3历届f i r a e l 赛 名称日期主办国城市 mir o s o t 1 9 9 6 n o v . 9 - 1 2ko r e a d a e j e o n mi r o s o t 1 9 9 7j u n . 卜5k o r e a da e j e o o n 1 9 9 8 f i r a c u p j u n . 2 9 - j u l .3f r a n c ep a r is 1 9 9 9 f i r a c u pa u g .4 - 8 b r a z i l c a m p i n a 2 0 0 0 f i r a c u p s e p t . 1 8 - 2 4 au s t r a l ia r o c k h a m p t o n 2 0 0 1 f i r a c u p a u g . l - 5 ch in a b e ij i n g 2 0 0 2 f i r a c u p ma y 2 3 - 2 9 k o r e abu s a n i 2 0 0 3 f i r a c u p s e p t .2 7 - o c t . 3 au s t r i a 叭e n n a 2 0 0 4 f i r a c u p oc t . 2 7 - 31 k o r e a bu s a n 表 1 - 4 列举了f i r a比赛的项目 ， 与r o b o c u p 的 项目 相比 较可以 看出 双方 都有类人 机器 人比赛，而 这是今后双方发展的重点所在。 f i r a与r o b o c u p 的 第一章 绪论西北工业大学硕上学位论文 表 1 - 2 历届r o b o c u p 世界杯赛 名称 日期主办国城市 r o b o c u p 1 9 9 7au g u s t 2 3 - 2 9j a p a n n a g o y a r o b o cu p 1 9 9 8j u ly 2 - 9 f r a n c ep a r i s r o b o c u p 1 9 9 9j u l .2 7 - au g .6 s we d e ns t o c k h o l m r o b o c u p 2 0 0 0a u g .2 6 - s e p t .3 au s t r a l i a me l b o u r n e r o b o c u p 2 0 0 1au g .2 - 1 0 ame r i c as e a tt l e r o b o c u p 2 0 0 2 j u n . 1 9 - 2 5 j a p a n f u k u o k a r o b o cu p 2 0 0 3 j u l -2 - 1 1 it a l iap a d o v a r o b o c u p 2 0 0 4 j u n .2 7 一u l . 5 p o rt u g a l l i s b o n r o b o c u p比 赛 项目 在 1 9 9 7 年 刚 开 始 第 一 届比 赛时 只 有 小 型 组、 中 型 组 和 仿真组比赛; 9 9 年时增加了 索尼有腿机器人赛; 2 0 0 1 年增加了 救援仿真比 赛和 救援机器人赛;2 0 0 2 年增加了 更多的 项目 包括四 腿机器人赛、 类人机器人赛、 机器人 挑战赛。其中类人机器人赛包括下面 4个项目 行走: h - 4 0射门、 h - 8 0 射门、自 由风格赛、 机器人挑战赛包括 足球挑战赛和舞 蹈挑战赛。 2 0 0 3 年仿 真 组增加了 几项比赛如 在线教练赛等， 机器人挑战赛也增加了 几个项目 如救援挑 战赛等。 2 fi r a f i r a 是指国际机器人足球协会联合会 ( f e d e r a t i o n o f i n t e rn a t i o n a l r o b o ts o c c e r a s s o c ia t io n ) . f ir a机 器 人足 球比 赛 最早由 韩国 高 等 技 术 研究 院 ( k a i s t ) 的金钟焕( j o n g - h w a n k i m ) 教授于 1 9 9 5年提出，并于次年在韩国大田 ( d a e j e o n ) 举办第一届国 际比赛。表1 - 3 列举了 历届的f i r a世界大赛。 表 1 - 3历届f i r a e l 赛 名称日期主办国城市 mir o s o t 1 9 9 6 n o v . 9 - 1 2ko r e a d a e j e o n mi r o s o t 1 9 9 7j u n . 卜5k o r e a da e j e o o n 1 9 9 8 f i r a c u p j u n . 2 9 - j u l .3f r a n c ep a r is 1 9 9 9 f i r a c u pa u g .4 - 8 b r a z i l c a m p i n a 2 0 0 0 f i r a c u p s e p t . 1 8 - 2 4 au s t r a l ia r o c k h a m p t o n 2 0 0 1 f i r a c u p a u g . l - 5 ch in a b e ij i n g 2 0 0 2 f i r a c u p ma y 2 3 - 2 9 k o r e abu s a n i 2 0 0 3 f i r a c u p s e p t .2 7 - o c t . 3 au s t r i a 叭e n n a 2 0 0 4 f i r a c u p oc t . 2 7 - 31 k o r e a bu s a n 表 1 - 4 列举了f i r a比赛的项目 ， 与r o b o c u p 的 项目 相比 较可以 看出 双方 都有类人 机器 人比赛，而 这是今后双方发展的重点所在。 f i r a与r o b o c u p 的 西北工业人学h %上学位论文第一章 绪论 主 要区别之一是采用不同的技术 规范: f i r a允许一支球队采用传统的集中 控 制方 式， 一 支 球队 中 的 全 体队 员 受同 一 个大 脑的 控 制 ; 而r o b o c u p 要 求必 须 采 用分布式控制方式， 每个队员有自 己的大 脑，是一个独立的主体。 表 1 - 4 f l r a e l 赛项 目 2 0 0 1 年， 国际 机器人足球联盟( f i r a ) 组织设立了 仿真类组比 赛s i m u r o s o t o s i m u r o s o t 5 v s 5 比赛的模拟对象是微型足球机器 人比赛( mi r o s o t ) ， 其目的 在于 凸显足球机器人策略设 计的问题，将视觉、控制等问 题全部简化交由 仿真平台 来 模拟完成。 f i r a的 微型 机器人足球比赛的仿真比 赛项目 的出 现使得微型( 小 型)机器人足球比赛中的策略研究得到了极大的促进。 3足球机器人系统的工作模式 构 造足球机器人系统有多 种方法，不但在系统硬件的结构方面可以不尽相 同，而且系统软件如控制算法、 策略等方面也可以 有所变化。目 前机器人足球 系统主要有以下三种工作模式: ) 基于 视觉的集中 控制型足球机器人系统。 一 般来说 这种类型的每个机 器人具有驱动与执行机构、 通信模块和c p u板， 机器人能够根据接收到的主机 发送来的 数据控制其运动方向 和速度。 视觉数据处理、 策略决策以 及机器人的 位置控制都在主计算机上完成，机器人就像遥控小汽车一样。 ( 二) 基于视觉的半自主型足球机器人系统。 在这样的系统中， 机器人具有 速度控制、位置控制、自动避障等功能。主机通过视觉数据分析并进行决策处 西北工业人学h %上学位论文第一章 绪论 主 要区别之一是采用不同的技术 规范: f i r a允许一支球队采用传统的集中 控 制方 式， 一 支 球队 中 的 全 体队 员 受同 一 个大 脑的 控 制 ; 而r o b o c u p 要 求必 须 采 用分布式控制方式， 每个队员有自 己的大 脑，是一个独立的主体。 表 1 - 4 f l r a e l 赛项 目 2 0 0 1 年， 国际 机器人足球联盟( f i r a ) 组织设立了 仿真类组比 赛s i m u r o s o t o s i m u r o s o t 5 v s 5 比赛的模拟对象是微型足球机器 人比赛( mi r o s o t ) ， 其目的 在于 凸显足球机器人策略设 计的问题，将视觉、控制等问 题全部简化交由 仿真平台 来 模拟完成。 f i r a的 微型 机器人足球比赛的仿真比 赛项目 的出 现使得微型( 小 型)机器人足球比赛中的策略研究得到了极大的促进。 3足球机器人系统的工作模式 构 造足球机器人系统有多 种方法，不但在系统硬件的结构方面可以不尽相 同，而且系统软件如控制算法、 策略等方面也可以 有所变化。目 前机器人足球 系统主要有以下三种工作模式: ) 基于 视觉的集中 控制型足球机器人系统。 一 般来说 这种类型的每个机 器人具有驱动与执行机构、 通信模块和c p u板， 机器人能够根据接收到的主机 发送来的 数据控制其运动方向 和速度。 视觉数据处理、 策略决策以 及机器人的 位置控制都在主计算机上完成，机器人就像遥控小汽车一样。 ( 二) 基于视觉的半自主型足球机器人系统。 在这样的系统中， 机器人具有 速度控制、位置控制、自动避障等功能。主机通过视觉数据分析并进行决策处 第一章 绪论西北工业大学硕 1 : 学位论文 理然后发出命令给机器人， 机器人根据命令做出行 动反应.为了 能够自 动回 避 障碍和实现位置控制，机器人 自 身装有传感器。 ( 三 )全自 主型的足球机器人系统。 这种类型的 系统也可 看作是全自 主型系 统， 机器人具 有许多自 主行为， 所有的计算 ( 包括决 策) 都由 机器人自 身完成。 主计算机仅处理视觉数据， 并将有关的位置等信息 传送给 机器人，这实际上相 当于一种传感器。 设计者可以 根据研究领域和兴趣选择模式， 第一 种模式适合于对视觉处理、 人工智能 应用等感兴趣的 研究者。如 果对移动机器人控制、 智能系 统应用和多 智能体 配合系统感兴趣，则可以选择后两种。虽然前二种实现方 便，但可以看 到第三种模式刁 是以后的研究重点所在。 足球机 器人相关研 究 在足球机器人比 赛蓬勃开展的同 时， 与之有 关的理论 研究也有了 长足进展， 每一届世界杯比赛都会同时召开机器人足球专题的国际学 术会议，例如侮年的 f i r a r o b o t w o r l d c o n g r e s s 都会录用一些学术水平比 较高的论文。同时机器人 足球的研究也赢得了学术界的广泛认同，一些有影响的学术刊物例如 t h e j o u r n a l o n r o b o t i c s a n d a u t o n o m o u s s y s t e m，t h e i n t e r n a t i o n a l j o u r n a l o f in te lli g e n t a u to m a ti o n a n d s o f t c o m p u t in g 等 都出 版 过 机 器 人 足 球 专 辑， 一 些和 机器人足球研究相关的论文也经常见诸于一些重要的国际学术会议如 i c r a j r o s 等。 这些学术研讨和交流活动， 极大地促进了 相关学科的 理论研究。 而理论研究的成果也使得机器人足球比赛的水平不断提高。例如在第一届 mi r o s o t 比 赛中， 大多数参赛队 使用的 视觉系统的 采集/ 处理速 度仅为 1 0 帧 / 秒， 机器 人速度也不过5 0 c m l s ， 二年后视觉系统的 采集/ 处 理速 度己经提高到3 0 帧/ 秒， 机器人的最高运动速度也达到了2 m l s ， 这些进步 得益于电子和计算机 技术 的发展带来的硬件性能的飞速提高。 与 机 器人 足球 相 关的 论文 主 要 集中 于 机器 人 足 球 硬 件 平 台 l 1 112 113111 = 1 、 运 动 控 制 13 115 116 11711s 1、 路 径 规 划、 多 智 能体 合 作 1111 10 11111等领 域。 ( 一)路径规划 所谓机器人比 赛中的路径规划问 题， 就是依据某一个或某一些优化准则 ( 如 工作代价最小、 行走路线最短等) 在机器人工作坏境中 找出 一条从起始点 到目 标点的、能避开障碍物的最优行走路线。 各位学者和专家对机器人路径规划问题进行了大量的研究，并取得了很大 第一章 绪论西北工业大学硕 1 : 学位论文 理然后发出命令给机器人， 机器人根据命令做出行 动反应.为了 能够自 动回 避 障碍和实现位置控制，机器人 自 身装有传感器。 ( 三 )全自 主型的足球机器人系统。 这种类型的 系统也可 看作是全自 主型系 统， 机器人具 有许多自 主行为， 所有的计算 ( 包括决 策) 都由 机器人自 身完成。 主计算机仅处理视觉数据， 并将有关的位置等信息 传送给 机器人，这实际上相 当于一种传感器。 设计者可以 根据研究领域和兴趣选择模式， 第一 种模式适合于对视觉处理、 人工智能 应用等感兴趣的 研究者。如 果对移动机器人控制、 智能系 统应用和多 智能体 配合系统感兴趣，则可以选择后两种。虽然前二种实现方 便，但可以看 到第三种模式刁 是以后的研究重点所在。 足球机 器人相关研 究 在足球机器人比 赛蓬勃开展的同 时， 与之有 关的理论 研究也有了 长足进展， 每一届世界杯比赛都会同时召开机器人足球专题的国际学 术会议，例如侮年的 f i r a r o b o t w o r l d c o n g r e s s 都会录用一些学术水平比 较高的论文。同时机器人 足球的研究也赢得了学术界的广泛认同，一些有影响的学术刊物例如 t h e j o u r n a l o n r o b o t i c s a n d a u t o n o m o u s s y s t e m，t h e i n t e r n a t i o n a l j o u r n a l o f in te lli g e n t a u to m a ti o n a n d s o f t c o m p u t in g 等 都出 版 过 机 器 人 足 球 专 辑， 一 些和 机器人足球研究相关的论文也经常见诸于一些重要的国际学术会议如 i c r a j r o s 等。 这些学术研讨和交流活动， 极大地促进了 相关学科的 理论研究。 而理论研究的成果也使得机器人足球比赛的水平不断提高。例如在第一届 mi r o s o t 比 赛中， 大多数参赛队 使用的 视觉系统的 采集/ 处理速 度仅为 1 0 帧 / 秒， 机器 人速度也不过5 0 c m l s ， 二年后视觉系统的 采集/ 处 理速 度己经提高到3 0 帧/ 秒， 机器人的最高运动速度也达到了2 m l s ， 这些进步 得益于电子和计算机 技术 的发展带来的硬件性能的飞速提高。 与 机 器人 足球 相 关的 论文 主 要 集中 于 机器 人 足 球 硬 件 平 台 l 1 112 113111 = 1 、 运 动 控 制 13 115 116 11711s 1、 路 径 规 划、 多 智 能体 合 作 1111 10 11111等领 域。 ( 一)路径规划 所谓机器人比 赛中的路径规划问 题， 就是依据某一个或某一些优化准则 ( 如 工作代价最小、 行走路线最短等) 在机器人工作坏境中 找出 一条从起始点 到目 标点的、能避开障碍物的最优行走路线。 各位学者和专家对机器人路径规划问题进行了大量的研究，并取得了很大 西 北工业大学硕十学位论文第一章 绪论 进展 1 3 . 1 4 , 1 5 1 。现在静态环境下的路径规划问 题的研究已 经比 较成熟， 动态环境 和不确定性环境中的路径规划问题还是现在研究的一个热点和重点。 足球机器人比 赛系统是个高度实时性和竞争性的平台。可用于足球机器人 路径规划的方法有很多，常见的方法有人工势场法、栅 格法、曲 线拟合法、几 何法等以及各种人工智能规划方法如遗传算法、神经网络等。 ( 二)比赛策略 另一 方面，有关足球机器人之间的合作策略的研究也成绩显著。早先的比 赛当 中， 机器人之间缺乏合理的 分工 协作， 很容易挤作一团。 现在随着策略研 究的不断成熟，这种现象已 大大减少。 比 赛策略涉及到角色的分 配、动 作和策略的选择等方面。 徐心和提出了 一 种优化性能指标 进行角色分配的 方法 1 6 1 ， 实现了 确定队 形、 角色分配 和角色转 换三个功能，该 方法适合各种复杂情况下的 角色分配，效果较好。 h . s .k i m在 提 出了 一 个 动 作 选择 机 制 (a s m ) 的 基 础 上 考 虑 对 方 的 信 息， 利 用m l p (使 用了 神 经 网 络 方 法 ) 进 行了 改 进 1 7l ， 主 要 是 考 虑如 何 在比 赛 所面 临 的 局 面 下 进 行 动作 选 择，井在实际的mir o s o t 平台 中检验了该 方法的有效性。 h .k . l a m提出了一个 决策系统 1 8 1 ， 该系统根据场上的比 赛情况动态为 每个机器人选择合适的动作 和 合作策略，主要包括策略库、动作库、策略选择算法，策略选择器和动作选择 器，由于该系统利用了专家知识，所以决策结果与专家给出的决策结果类似. 实验也证明了该方法的 有效。 a s h l e y 提出了一个多智能体规划系统( m a p s ) 用来 对 环 境 提供 一 个 统 一的 表 示 19 1 ， 该 方 法 强调 利 用当 前的 位 置 信息， 比 传 统 的 规 划对固定的位置预先分配策略更具有灵活性。该方法还有其他一 些性质， 例如 良好的 进攻和传球性能。当 然还有其他的一些策略方面的文章。 g . a r d o n i 提出 了 一种守门员 和其他机器人合作的方 法1 2 0 1 , t c h e n 提出了 一个运动控制 和相应 的传球策略方法2 1 1 ， 通 过该方 法机器人可以 快速传球并转换队 形，并 在仿真系 统中 证明了该方法的有效性。由 于该方法 对位置和时间要求比 较严格，而月 . 没 考虑到障碍物存在的情况，因此在实际 硬件平台中 应用的 效果值得商榷。 ( 三)人工智能方法的应用 机器人足球平台是人工智能研究很好的实验平台，下 面简要的介绍一些有 关人工智能在足球机器人中的应用。 模糊逻辑适用于非线性系统，且其最大的特点是 将人类的经 验系统化，因 此在 足球机器人中 得到了 广泛的 应用， 主要涉及到硬件控制、 障碍避免、 射门、 决策 等方面。文 2 2 使用模糊逻辑控制器和其他的启发式策略构建了机 器人的 第 一 章 绪论西北工业人学硕 卜 学位论文 策略系统， 该文中 使用二 个模糊控制器分别针对左轮和右轮来产生速度并反馈 给机器人 ，该控制器比一般的 p i d控制器更有效和鲁棒性，不过该方法受到机 器人位置 和角度的精确度的限 制。 模糊逻辑控制器具 有容易理解和良 好的鲁棒 性，但会面临多变量输入时模糊规则爆炸的问题。 神 经 网 络由 于 其 较 好 的 学习 性 能 在 机 器 人 足 球中 也 得 到 了 应用 ， p .k o p a c e k 实现了 机器人的一种自 适应速度控制方法 2 3 1 ， 利用神经网络更新基于动态环境 的控制器，并利用实验证明了该方法具有快速的误差消除和稳定性。 遗传算法由于其全局搜索的 特性可用于设计足球机器人系统中的基于障碍 回避的 路径规划2 4 2 5 2 6 1 ， 使得机器人可以在避开障碍物的同时找到一条从给定 点到目标点之间优化好的路径。 强化学习由于其本身的特性可用于构造比 赛中的动作 选择器。 h .t . c h u针 对比赛中动作选择的重叠性和不合理性导致合作缺乏效率提出了一种解决方法 2 7 1 ， 这种方法在利用人工势能场定义好动作的优先级的基础上利用强化学习 对 机器人所处的 状态进行动作的选择。 此外，强化学习还可以 用于智能体之间的 合作2 8 2 9 1 。此外人工势能场方 法可以 用来进行路径规 划 3 0 3 3 1 1 可以 看出 模糊逻辑和神经网络主要用于机器人的速度控制， 相对来说，模 糊逻辑由 于加入了专 家经验因而实现 起来简 单一些且能达到满 意的 控制效果: 遗传算法 由于全局搜索特性主要用于机器人的路径规划:强化学习则集中用于 机器人如何根据当前的状态进行动作的选择动作选择的合理与否对比赛结 果有很大的影响。 3本文的研究 工作 现在国内有关足球机器人的研究热点主要集中 在如 何设计比 赛策略方面， 但是关于怎样对双方策略进行定量分析的研究工作还没有展开。策略系统的研 究涉及到路径规划、动作控制、多 智能体合作等问题， 其好坏最后通过比 赛成 绩来检验，但 这只能从大体上对系 统的策略进行评价， 缺乏客 观的 定量分析。 究其原囚， 策略开发工作中 调试手 段的缺乏是关键。虽 然在实 际开发过程中可 以使用 m a t l a b等专业数学工具对实验结果进行分析， 但这需要研究人员 对 数学工具有比 较好的 掌握 程度， 还要 有良 好的数学建模知识， 门 槛较高; 而且， 使用专业数学工具能 解决的问题范围也是很有限的。 这就迫切需要有一 种对 机 器人足球研究领域有针对性的研究开发工具。 通过长时间的策略研究工作，开发人员头脑中己经有了很多各种策略开发 第 一 章 绪论西北工业人学硕 卜 学位论文 策略系统， 该文中 使用二 个模糊控制器分别针对左轮和右轮来产生速度并反馈 给机器人 ，该控制器比一般的 p i d控制器更有效和鲁棒性，不过该方法受到机 器人位置 和角度的精确度的限 制。 模糊逻辑控制器具 有容易理解和良 好的鲁棒 性，但会面临多变量输入时模糊规则爆炸的问题。 神 经 网 络由 于 其 较 好 的 学习 性 能 在 机 器 人 足 球中 也 得 到 了 应用 ， p .k o p a c e k 实现了 机器人的一种自 适应速度控制方法 2 3 1 ， 利用神经网络更新基于动态环境 的控制器，并利用实验证明了该方法具有快速的误差消除和稳定性。 遗传算法由于其全局搜索的 特性可用于设计足球机器人系统中的基于障碍 回避的 路径规划2 4 2 5 2 6 1 ， 使得机器人可以在避开障碍物的同时找到一条从给定 点到目标点之间优化好的路径。 强化学习由于其本身的特性可用于构造比 赛中的动作 选择器。 h .t . c h u针 对比赛中动作选择的重叠性和不合理性导致合作缺乏效率提出了一种解决方法 2 7 1 ， 这种方法在利用人工势能场定义好动作的优先级的基础上利用强化学习 对 机器人所处的 状态进行动作的选择。 此外，强化学习还可以 用于智能体之间的 合作2 8 2 9 1 。此外人工势能场方 法可以 用来进行路径规 划 3 0 3 3 1 1 可以 看出 模糊逻辑和神经网络主要用于机器人的速度控制， 相对来说，模 糊逻辑由 于加入了专 家经验因而实现 起来简 单一些且能达到满 意的 控制效果: 遗传算法 由于全局搜索特性主要用于机器人的路径规划:强化学习则集中用于 机器人如何根据当前的状态进行动作的选择动作选择的合理与否对比赛结 果有很大的影响。 3本文的研究 工作 现在国内有关足球机器人的研究热点主要集中 在如 何设计比 赛策略方面， 但是关于怎样对双方策略进行定量分析的研究工作还没有展开。策略系统的研 究涉及到路径规划、动作控制、多 智能体合作等问题， 其好坏最后通过比 赛成 绩来检验，但 这只能从大体上对系 统的策略进行评价， 缺乏客 观的 定量分析。 究其原囚， 策略开发工作中 调试手 段的缺乏是关键。虽 然在实 际开发过程中可 以使用 m a t l a b等专业数学工具对实验结果进行分析， 但这需要研究人员 对 数学工具有比 较好的 掌握 程度， 还要 有良 好的数学建模知识， 门 槛较高; 而且， 使用专业数学工具能 解决的问题范围也是很有限的。 这就迫切需要有一 种对 机 器人足球研究领域有针对性的研究开发工具。 通过长时间的策略研究工作，开发人员头脑中己经有了很多各种策略开发 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 调试辅助工具的设想， 但是由于时间 和精力有限，大多没有办法去实现。 所以 我们初步设计了一 个机器人足球策略 软件开发 平台的解决方案，在该平台 上集 成了各种策略开发辅助工具之后，这样一个软件平台将大大提高研究人员的工 作效率， 使他们能够有精力将研究工作向 更深的 层次发展。 本文的研究工作有以下几个部分: ( 一) 根据该研究领域的特点， 对策略软件开发 平台的总体结 构进行了 分 析和设计，得到一个具有良好扩展性的、模块化的总体解决方案。 ( 二) 对在线 调试系统进行了总体设计， 并就其中的几个关键模块:局域 网通信、数据管理、 用户界面给出了设计方案。 ( 三) 对比 赛仿真系统的设计进行了研究， 在建立了 运动学模型的基础上 对仿真系统的碰撞检 测问题给出了一个基于有向 包围 盒 ( o o b )的解决方法， 并设计了碰撞检测的 算法过程口 ( 四) 初步设计了 数据分析、 策略开发、比赛录像分析等几类对研究开发 提供重要支持的工具并给出了部分实现。 4论文结构 全文共分七章: 第一章对 机器人足球赛的历史、 发展状况和比赛组织进行了 简要介绍，并 对相关研究领域的一些课题研究进展情况做了概述。 第二章通过 对机器 人足球比 赛系统和仿真系统的 介绍和分析， 引出了 本文 所要研究和解决的问题，并对问题进行了定义。 第三章首先对本 文所面向的问 题领域 策略软件系统的 任务、特点 和结 构进行了分析，在此基础上确定了策略软件开发平台