基于敌方信息的机器人足球策略研究.doc

河北大学硕士学位论文基于敌方信息的机器人足球策略研究姓名：张京涛申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：赵晓军20080501），（，），。，：；河北大学学位论文独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。作者签名：蝴日期：丝月学位论文使用授权声明本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本学位论文属于、保密口，在年月同解密后适用本授权声明。、不保密口。（请在以上相应方格内打“”）保护知识产权声明本人为申请河北大学学位所提交的题目为爿确秀蓑廷码夯腕厶赇雏稚叼杉）的学位论文，是我个人在导师逮赎噼刳移瘪指导并与导师合作下取得的研究成果，研究工作及取得的研究成果是在河北大学所提供的研究经费及导师的研究经费资助下完成的。本人完全了解并严格遵守中华人民共和国为保护知识产权所制定的各项法律、行政法规以及河北大学的相关规定。本人声明如下：本论文的成果归河北大学所有，未经征得指导教师和河北大学的书面同意和授权，本人保证不以任何形式公开和传播科研成果和科研工作内容。如果违反本声明，本人愿意承担相应法律责任。声明人：狼寿，涛作者签名：导师签名：狄意满日期：丛年月互一同日期：旦年月乏一只日期：丝年月生同第章引言课题来源第章引言随着网络的迅速普及和分布式计算机技术的发展，生产、生活中的些现实系统结构越来越复杂，规模越来越庞大，并呈现出分布性、不确定性和对抗性的特点，对系统的智能性要求越来越高。在这种情况下，机器人足球运动应运而生。机器人足球，顾名思义，就是由机器人作为主体进行足球比赛。机器人足球这个概念最早是由加拿大大不列颠哥伦比亚大学教授在其发表于年一次国际机器人人工智能会议上的一篇学术论文）中提出的【】，他的目的是通过机器人足球这个平台，为智能机器人和人工智能等学科的发展提供一个具有挑战性和标志性的课题。此想法一经提出，便得到了各国科学家的普遍赞同和积极响应，国际上许多著名的研究机构和组织开始开展研究，将其付诸实践并不断推动其发展。目前，国际上有组织的、规模较大的机器人足球比赛分为两大系列【和。的原意为。年下式成立，总部设在日本东京，正式注册在瑞士伯尔尼，它是一个专门主办机器人世界杯的国际协会性组织。的比赛项目比较多，一共包括以下几种：）型组比赛）型组比赛）仿真组比赛）救人组比赛）类人组比赛）四腿组比赛）青少年组比赛受成功的启发，为了推广机器人足球比赛，韩国学者金钟焕发起了国际机器人足球协会联合会（），简称。并于年月在韩国科学技术院】（：河北人学：学硕十学何论文）正式成立，总部设在韩国大田，现有成员包括个国家和地区的几百个学校与科研院所，主要分布在亚洲、欧洲、澳洲、北美和南美洲等地区。成立后，每年都举行世界杯比赛，而且机器人足球比赛种类不断增多。将于今年月日在中国青岛举行，与稍后在北京举行的奥林匹克运动会共同成为年中国的两大盛会。的主要比赛项目有：）超微型机器人足球比赛（）微型机器人足球比赛（）（，）仿真机器人足球比赛（）（，）自主式小型机器人足球比赛（）型机器人足球比赛（）人形机器人足球比赛（）与最大区别在于是集中控制，而是分布式控制。国内从年开始已经有学者关注机器人足球比赛，年在东北大学举办了机器人足球技术研讨班，东北大学还成立了中国第一支机器人足球队“牛牛队”。年月，在哈尔滨工业大学成立了中国分会和中国机器人足球协会。匕赛方面，年成立了中国自动化学会机器人竞赛委员会。并且从年开始，中国自动化学会机器人竞赛委员会统管了国内和的比赛，决定每年举行包括上述项目的中国机器人竞赛。目前国内有几十家单位参加了机器人足球比赛的研究，包括清华大学、东北大学、广东工业大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、河海大学、河北大学、燕山大学：华北电力大学、江西理工大学、重庆大学等院校及一些研究所。河北大学机器人足球队自年月成立以来共参加了年和年两届的全国机器人大赛，并在“银泉杯”全国机器人大赛中获得三等奖的好成绩。基于参加比赛及策略改进的需要，本课题进行策略子系统的研究与开发。第章引言舅二。曼皇曼詈曼皇皇曼曼曼曼鼍曼皇曼鼍曼量曼曼课题研究意义机器人足球是在策略子系统的指挥下进行比赛的，因此，策略子系统在整个机器人足球系统中处于非常重要的地位，其优劣直接关系到比赛的胜败。机器人足球的智能性主要体现在策略子系统中，其智能水平的高低主要取决于策略子系统的先进性、合理性和实时性。对策略子系统的深入研究有重大的理论意义，利用机器人足球这个优秀平台，策略子系统的开发者可以最大程度地把当前人工智能和智能控制领域的新方法和新理论应用于系统开发过程中，借以检验所用方法是否先进。实际上，策略子系统丌发过程本身就是诸如任务的描述、分解与分配、智能体间的交互通讯以及一致性与协调性等一系列多智能体系统基本问题的求解过程。另外，研究机器人足球策略还有重要的实际应用价值，可以将这些技术应用到很多领域：工业应用：将多机器人的协作、配合工作应用到生产自动化上，用以改造旧的企业技术或开发新型高技术产品；引入多智能体技术可大大增加制造系统的柔性、智能性和可重构性，并为解决动态问题的复杂性和不确定性提供新的思路；军事应用：将多机器人的战术及战略具体应用到机器入部队的协同作战或救灾机器人部队的协同救护系统上；可利用机器人足球策略中的协作控制和决策技术来自动指挥无人驾驶飞机群，完成诸如编队、攻防对抗等作战任务；体育应用：将多机器人的控制技术及控制思想应用到足球、篮球等体育团体竞技项目中，改进竞技策略，并使体育竞技朝着现代化方向发展；太空应用：将多机器人协作技术应用到多卫星协调中，使卫星更加平稳、安全、有效运行。国内外研究现状目前，从国际机器人足球比赛上看，随着计算机视觉信息处理水平，无线通信技术以及机器人小车制造水平的提高，机器人足球研究的重点转向了如何完善多个机器人小河北人学下导：硕十学何论文车之间的协作、配合以及如何提高单个机器人小车控制水平等方面。国外在多机器人协作控制方面的研究发展迅速。等在文献】中研究了多智能体机器人系统中的规划与规划合作，解决了由一个中心站和一组自治移动机器人组成的系统如何组织协调一群机器人共同进行工作的问题。与在文献【中提出了一种多机器人在合作式目标学习中的协同方法。他们的方法基于多个目标行为进行协作，并把它扩展到多个合作的机器人当中。提供了一个在一群并行地追踪多个目标的机器人中进行分布式的命令融合的机制，使得每个机器人可以选择那些对自己及整个群体有利的动作。在文献】、【中提出用软件结构来实现多个机器人之间的协作，它是一个完全分布式的基于动作的机器人控制体系结构，动作选择通过加入了数学模型的动机模型（）来实现，参考了其他机器人的动作，当前的环境状态及机器人自身的内部状态信息。由于合作的机器人系统通常工作在不确定的动态环境中，该软件系统结构允许系统中的机器人在环境的不确定性变化、个别机器人发生了机械故障、进行新技能学习或者人为干预添加或者减少机器人的情况下灵活地、可靠地进行响应。等在文献】中为多机器人协作地处理单个对象提出了分散的控制算法。给一个称为“领导者”的机器人运动命令，其他称为“追随者”的机器人根据对象的运动，估计“领导者”的运动，然后做出动作处理。这些都是用多智能体规划的方法实现多个智能体之间的协作。国内在机器人足球策略方面的研究中也取得了很大的发展。东北大学机器人足球队在原有的六步推理决策策略基础上，提出一种混合决策结构【，将决策系统分为：任务确定与解答、角色分配与协调、机器人动作三个层次。重庆工学院的机器人足球决策子系统，提出了一种六步推理模型的改进模型和球场的智能分区概念【。华北电力大学的机器人足球防守算法，提出了一种基于优化的综合信息指标，改进的双重守门策略，进行角色分配的方法】。北京工业大学的机器人足球决策及角色分配系统，提出当机器人认为角色不适合自己时可向决策和角色分配子系统发出申请，要求重新分配。这些球队的技术在国内均处于领先水平，对机器人足球策略的发展起到举足轻重的作用。第章引言曼曼曼曼曼曼曼罡皇曼寰曼皇鼍：本文所做工作机器人足球比赛胜利的标志是整场比赛中攻入敌方球门的进球数多于我方球门的失球数。在机器人足球比赛过程中，策略子系统需要动态地分析当前球场上的比赛态势，用逻辑思维方式来完成推理过程，并做出判断，发出控制指令控制机器人小车。本文设计提出了一种基于敌方信息的机器入足球策略，针对机器人足球比赛不完全信息的对抗环境，展开策略对抗。该策略综合系统局部与整体，更加客观、多变，作为已有足球策略的改进，建立了足球机器人控球能力的表达式，设置了突破敌方防守成功率的评估函数，采用换位思维、沙盘推演方式，不仅要完成我方多智能体（机器人小车）之间的合作、协调控制，同时还要参考敌方信息（敌方机器入的位置、方向、速度等），针对敌方策略，合理运用比赛规则，完成我方攻防策略的调整及实施，以更好地掩护我方射手，避障，破坏敌方攻势，增加多智能体的灵活机动性，提高比赛的攻守效率。本文组织结构如下：第章分析了研究机器人足球策略的理论及现实意义；总结了机器人足球策略的国内外研究现状；提出了本论文的主要研究内容。第章分析了人类世界的真实足球运动；介绍了机器人足球系统；详述了机器人足球策略子系统的框架结构；列举了一些经典的策略模型，并对其进行了分析。第章进行了基于敌方信息的机器人足球策略的具体开发及设计。第章对仿真机器人足球比赛平台进行了介绍；并对基于敌方信息的机器人足球策略进行了比赛实验。第章对所作工作进行了回顾总结，提出后续研究方向。河北人学学硕十学位论文第章机器人足球策略子系统人类足球活动的分析人工智能是世纪科技发展的一个重要分支，它是研究人类智能机理以及如何用机器模拟人类智能的学科。从后一种意义上讲，人工智能又被称为“机器智能”或“智能模拟”【。当计算机能够与人类对弈时，我们说这是机器智能；当一套装置可以识别图像特征时，我们说这是机器视觉；所有这些都仅才是对单一方面的功能而言，而机器人足球比赛是对人类足球活动的模拟和仿真，其实现起来更加复杂，因此有必要先对人类足球比赛过程进行认真的剖析。人类的智能性主要体现在信息感知、大脑思维和实施动作三个方面。人类在进行足球活动时，就单人踢球而言，首先要用眼睛看到球和球门，用大脑想好了怎么出击，再由四肢完成相应的动作：如果是多人踢球，则还要考虑与其他队员的沟通与交流，并与其他队员进行合作、配合。人的五官、大脑和四肢是一个有机的整体，一个高水平的足球队所表现出来的视野宽阔，头脑清醒，判断准确，动作灵活，配合默契等是人类高智商的表现。上述人类足球活动的实现可以通过下面图来表达：图人踢足球各环二，连接图我们还可以进一步总结为，信息感知是利用五官来确定比赛场上队员及球的位姿：大脑思维则是判断当前态势，生成策略战术，规划动作；而实施动作则包括队员跑动、踢球、拦截敌方队员、射门等。整个过程是分层次实现的，但又是个有机的整体。第牵机器人足球策略子系统机器人足球系统机器人足球系统全视图【如图所示：图机器人足球系统全视图比赛场地是一个的木质平台，四周有木墙（高）。比赛用球是一个橘红色的高尔夫球，每个球队由个轮式机器人小车组成，机器人小车的长、宽、高均限制在以内。与人类足球赛相同，机器人足球赛也有相应的一套比赛规则，场地上划有白色的中线、中圈、禁区和门区等。比赛过程中，通过悬挂在球场上方米高处的摄像头将场上信息传入计算机，然后由图像采集卡进行处理，转化成数据，送给主机中的策略子系统；出策略子系统做出判断与决策，然后由计算机的串行口送至无线通讯模块，经调制后发送出去：由机器人小车本身的无线接收器接收信号后，控制小车运动。机器人足球由四个子系统构成习，分别是视觉子系统、策略子系统、通讯子系统和机器人小车子系统。系统运行时，首先由视觉子系统识别场上足球和机器人的位姿信息，即足球的位置和机器人的位置及角度，然后策略子系统根据视觉信息进行多个机器人总体协调和运动规划，得到每个机器人的动作指令，并通过通讯子系统将其传送给机器人小车子系统，机器人小车依据控制信息进行动作比赛。整个系统工作流程如图所示：河北大学：学硕十学何论文的控图机器人足球系统构成图）视觉子系统视觉子系统是机器人足球系统的“眼睛”，是机器人足球的信号检测机构【，由摄像头、图像采集卡等硬件设备和图像处理软件组成；它由悬挂在球场上空米左右处的摄像头摄取图像，由装在主机内的图像采集卡将图像数字化，送入主机内存，再由专用软件对图像进行处理。根据比赛规则，双方各有不同颜色的队标（黄色或蓝色）贴于机器人的项部，每个机器人也有不同的队员色标【。这样计算机就可以通过颜色辨识出全部机器人与球的坐标位置、方向，实时采集、处理比赛场景，并将辨识出的机器人与球的坐标位置、方向提供给策略子系统进行分析使用。视觉子系统结构图如图所示：图视觉子系统结构图）策略子系统策略子系统根据现场的情况，如当前比分、哪方控球、敌方球队的水平等因素安排己方的策略，决定是进攻还是防守，再由策略库做出战术部割。其实现过程是通过装在计算机中的策略子系统根据视觉子系统输出的数据，应用专家系统技术，判断场上攻守态势，分配己方机器人的攻守任务。策略应根据比赛规则和经验进行提取，并存于知识库中。各种智能算法如神经网络、模糊算法、遗传算法等也可以应用到构造策略库以及策略选择过程中。系统根据采取的策略，形成己方每个机器人小车的动作指令，输出给通讯子系统。策略子系统是机器人足球系统的核心部分，它相当于人的大脑，可以根据当前场上第章机器人足球策略子系统态势作出推理，按照一定策略控制机器人的动作，以达到多机器人相互协作、配合完成即定任务的目的。它应当具有一定的智能性，满足系统实时性要求，并有一定的推理和学习能力，能实时控制机器人在场上的运行。实际上，它既拥有足球比赛中的教练员的作用，又相当于球员的大脑，根据视觉子系统反馈回来的信息来决定比赛策略，控制系统运行，使多个机器人的能力得到最大限度发挥，达到进球获胜的目的。因此，在连续实时的动态环境下，能够完成对多智能体（机器人小车）进行协调控制，进行多种战略、战术的灵活运用，是机器入足球比赛取得胜利的关键环节。而且，作为整个比赛的指挥机构，上接视觉子系统，下接通讯子系统，策略子系统也是整个机器人足球系统智能处理的中心枢纽。本文正是针对于策略子系统进行的研究。）通讯子系统根据比赛规则，机器入小车与主机之间必须通过无线电通讯来传输指令【。无线通讯有两种方式可供选择：远程红外通讯系统和无线射频通讯系统【。一般的机器人足球系统都采用无线射频的通讯方式。通讯子系统通过计算机串行口取得相应的指令值，经过调制后再由独立的发射装置发送出去，与装在小车上的接收模块建立无线通信联系，机器人小车的通讯接收器接收信号并解调，然后传给车载微处理器，控制场上各机器人小车运动。由于机器人小车的体积有限，通常采用单向通讯方式，系统通过模块对机器小车入进行遥控。在集中式控制的系统中，主机对机器人小车单向传输指令，各机器人小车之间没有通讯。为了实现一对多的通讯，机器入足球系统的通讯采用广播方式，所有机器人小车采用统一的通讯频率，而发给不同机器人小车的命令则根据各自的标识加以区分。其系统结构图如图所示：一一一一一一一一一一一一一一一！：无线通信了系统：主机中的通信程序，：黑一：爿！图通讯子系统结构图机器人控制器的通信稃序）机器人小车子系统机器人小车由车架、车轮、电机、测速码盘、驱动电源、单片机、控制电路与无线接收模块等构成，其结构图如图所示：河北大学。：学硕十学位论文皇曼曼皇！曼量曼！曼皇蔓曼曼曼曼曼鼍曼曼皇曼皇曼曼基曼曼曼曼曼曼！曼！曼皇鼍皇曼曼曼舅曼曼曼皇曼曼曼曼曼！曼曼曼曼曼量曼曼曼皇曼曼量曼曼曼曼曼曼！鼍曼曼曼曼曼车体车图机器人小车结构图为了满足比赛中对机器人小车机动性和灵活性的要求口，机器人小车采用双电机分别驱动左右两轮的方式。除了分布在车体左右两侧的主动轮外，在车体的前后端各有一个支撑轮以保持行进当中车体的平衡。这样的机械结构布局使机器人小车很容易实现以自身为圆心的旋转运动。机器人小车的重心应尽可能的低，对称性要好，这样才能够保证运动的平稳性及减小被撞翻的可能。车体采用金属框架以增大其坚固性。电机选用微型直流电机，并选择合适的电机控制芯片。能源系统必须存储足够的能量，并保持电压的稳定。机器人足球运动学分析非完整性约束系统介绍在一个系统中，根据质点系的速度和位置是否受到一定的限制，有非自由质点系和自由质点系之分。限制系统各质点位置和速度的这些条件成为约束，约束可用数学方程来表达，称为约束方程。通常根掘限制条件（限制质点的位置还是速度），约束可以分为几何约束和运动约束。在约束方程中，只包含系统各质点的坐标，不包含系统各质点的速度，这种约束就是几第章机器人足球策略子系统寰曼曼曼鼍皇：。鼍曼曼曼曼鼍曼量曼！曼舅何约束。如果在约束方程中包含系统各质点坐标对时间的导数，则为运动约束。如果运动约束方程可积分为有限形式，则与几何约束没有显著差别，称为可积的运动约束，它与几何约束，总称为完整约束。不可积分为有限形式的运动约束，则称为非完整性约束（）。受非完整性约束的系统，称为非完整性系统。约束条件不能等价的表示成广义坐标函数，约束中含有广义坐标对时间的导数。本文研究的机器人足球系统就是典型的非完整性系统，其物理含义是机器人小车不能沿轮轴方向运动。非完整性控制系统没有孤立的平衡点，因此没有局部渐进稳定平衡点，只存在包含原点的平衡流形（）】。机器人小车运动学模型人类足球赛中，整个球队的策略实施，以及各个队员之间的相互配合、动作都是通过队员身体的踢球动作来实现的；人身体的四肢是人类踢球的动作执行机构，而机器人足球比赛中的动作执行机构则是每个机器人小车，因此，在研究机器人足球策略之前，有必要先对机器人小车“踢足球”的运动学模型进行分析。假定机器人小车沿直线作纯滚动运动，车轮和地面之问没有相对滑动，即每一个时刻车轮与地面接触点的速度永远为零。如图所示：图机器人小车的无滑动运动机器人小车的运动包括两个部分：绕机器人小车中心的转动和机器人小车质心的平动。机器入小车实现各种基本动作是通过控制左右轮速度来完成的。如图所示：河北火学：学硕十学位论文图机器人小车运动模型三为机器人小车左右两轮的间距，厂为机器人小车两个轮子的半径，。，分别为机器人小车质心的二维场地坐标，为当前机器人小车的朝向与工正方向的夹角，为机器人小车的左轮运动速度，尺为机器人小车的右轮运动速度，吼为机器人小车的左轮角速度，为机器人小车的右轮角速度，分别为机器人小车质心的瞬时线速度和角速度，丸，靠分别为左、右轮转动的角度。机器人小车满足钢体运动的规律，可以用下面方程表示：厅，“（）三，吼，丸（）而又知：占：生二垒（）上矗：翌坐（）五儿孜。半则可得每个车轮的运动学方程为：，凡，（。，（）苁一厂九（）其中：，：上。第章机器人足球策略子系统速度向量定义为：矿：，一。三。，三（）其中，。】是机器人小车左右轮速度向量。从（）式可以看出机器人小车质心线速度、角速度向量与轮速向量的转换关系。由于存在着非奇异的转换矩阵，因此可以通过控制任一速度向量来改变机器人小车的位姿。从控制的角度说，这两个向量是等价的。再结合（）、（）式，机器人小车的运动学方程可表示为：剐陶协，其中，：誉吕司为机器人小车的雅可比觚，矩阵。为系统的输入因此，不难看出这是一个典型的非完整性系统（），为使其可以求河北人学下学硕十学位论文车轮的速度差来实现。机器人小车运动的轨迹是由一系列绕瞬时圆心（，）旋转的小段圆弧组成，如图所示：图机器人小车绕瞬时圆心作圆周运动由机器人小车的左右轮速可以计算出机器人小车的转弯半径，根据图中所示几何关系可以得到如下方程：幺生：堡（）？由式（）即可得到机器人小车运动轨迹的曲率半径为：兰生丝（）一轨迹与轮速的关系为：当时，曲率半径趋向无穷大，机器人小车作直线运动：当一时，机器人以质心为圆心原地旋转；当只时，机器人围绕某瞬时圆心作圆周运动。机器人小车基本动作函数的设计与实现）函数的实现基本算法采用基于控制算法：，一一）（），第章机器人足球策略子系统鼍一一一一曼曼鼍皇曼皇！皇皇曼曼！曼，、一，足，）（）其中，分别为本周期和上一周期的角度偏差，”，足为可调参数。函数实现机器人小车原地旋转到指定角度。）函数的实现示意图如图所示：机器人小目标点图函数实现示意图基本算法采用基于控制算法：圪咖一亿其中，为距离偏差，为角度偏差，。为可调参数。函数使机器人小车运动到指定位黄。策略子系统分析策略子系统任务（）（）在机器人足球系统中，策略子系统的任务就是根据当前球场上的比赛形势，进行态势分析，做出规划部署，对机器人小车发出动作指令，使机器人小车能够像人类足球运动员一样，做出相应动作，完成进球这个比赛目标。在人类真实的足球比赛中，教练员和球员对场上的形势都是通过形象思维来进行判断的。例如，球在敌方半场且被我方控制，那我方的策略是进攻；又如球虽在敌方半场，但己被敌方队员截下，且我方后场又没有防守队员时，一那策略应该迅速完成转换，我方河北人学学硕十学何论文曼曼曼曼皇皇蔓量鼍曼曼曼皇曼！曼皇由进攻立即进入紧急防守等等。另外，对球场信息的处理通常是在模糊概念上的，如：远、近、快、慢、有利、不利，用自然语言进行推理、决断，显然，这种思维过程必然是千变万化和丰富多彩的。而机器人足球策略子系统面对的是精确的数据和刻板的程序语言，因此需要将人的决策思维形式化、规范化，并用计算机语言表现出来。这个过程属于知识工程的范畴，是崭新的前沿领域，这也是机器人足球比计算机象棋更具挑战性的原因，也是实现策略子系统的难点所在。策略子系统特点机器人足球策略子系统是通过比赛主机中的算法程序来实现的，程序的输入变量为由视觉子系统传送过来的比赛场上的数据信息，输出变量为控制机器人小车动作的机器人小车左右轮速度。比赛场上的数据信息经视觉子系统传送到决策程序后，决策算法将其参数化，根据当前比赛态势，形成机器人小车的动作指令，输出到通讯子系统，并要求通讯子系统向机器人发送指令。策略子系统是一个有如下关系的知识性系统：（）（）如图“所示：视觉系统得到的场上信息策略子系统图策略子系统输入输出模块图机器人小乍左右轮速设定其中，“。，矩阵是策略子系统的输入数据，是经视觉处理后的场上数据信息，它包括双方机器人小车及球的位姿信息；。：矩阵是策略子系统输出的结果，即己方每个机器人小车的左右轮速设定，因此也可以说策略子系统是从状态空间到动作空间的映射。由此，机器人足球策略子系统的特点可归纳如下：）是一个非常复杂、非线性、非结构化的函数关系，体现整个机器人足球系统的决策过程，显然其解不是唯一的。）需要将人类足球活动中的形象思维转化为计算机语言的逻辑推理与数学计算过第章机器人足球策略子系统程，并最终由程序语言进行实现。）要体现人类智能活动的分层结构，把机器人足球系统的上层决策与单个机器人小车的动作统一起来。）经验要逐渐积累，知识要慢慢丰富，策略在逐步发展。策略子系统构建构建依据机器人足球比赛时，球场上的形势瞬息万变，每个机器人的位姿都是不断变化的，视觉子系统采集到的比赛场上的数据信息也在时刻发生变化，因此从视觉子系统输入到策略子系统的状态空间是趋向于无穷大的，策略子系统在决策时如果考虑如此大的信息量会严重影响其决策的实时性，造成己方机器人队员的反应迟缓，贻误战机。同时考虑到敌方机器人的动作行为是主动的，这样就很难快速、准确地判断其位姿，也为策略子系统的决策造成困难。因此我们在进行策略子系统构建时，必须考虑以下几个问题：）机器人足球比赛环境复杂。策略子系统面对的是一个复杂、动态、情况多变的数据环境。策略子系统必须能够适应这种复杂的环境，并在这种复杂的环境中找到合适的决策算法，为机器人队员的动作实现提供良好的基础。）由于决策的目的就是取得比赛的胜利，所以策略子系统应该能识别敌方的策略，并根据敌方策略，生成相应的己方应对策略，展开策略对抗，最终击败对方。因此，策略子系统应该是开放性的，并应具有一定的自学习能力。）由于机器人足球对抗性的特点，比赛过程中机器人小车是实时运动的，因此策略子系统必须要满足实时性的要求，能在较短的时问内完成决策过程。决策时间越短，实时性越好，战机把握越准确。基于以上几个问题，我们在进行机器人足球策略的研究设计时，将策略子系统构建成分层的框架结构【，并且在框架中加入类似于人类足球活动中所采取的分步执行（队形选择、角色分配、动作选择）模式，以满足机器人足球实时、对抗、协作配合工作的要求。河北人学丁学硕十学位论文分层实现整个策略系可以分为三层：组织协调层、运动规划层、动作执行层，决策流程图如图所示：图决策流程图）组织协调层组织协调层是机器人足球策略子系统的最高一层，它接受来自视觉子系统采集到的场地数据信息，包括所有机器人和球的位置及方向。根据这些数据判断场上的形势，从知识库中选取合适的协作模式，制定适当的合作意图，并将该意图传入下一层。组织协调层的实现关键有两点：场上形势的判断和协作模式的选取。首先讨论对场上形势的判断。人类足球活动中对场上形势信息的获取是直观和模糊的，而机器人足球视觉子系统得到的是具体的数字信息。要用具体的数字信息来表达出比赛场上的形势是相当困难的，因此策略子系统如何界定形势的各种状态就显得尤为重要，这涉及到如何从数字信息中进行知识抽取和归纳。另外，如何将人类大脑的形象性思维通过计算机语言的逻辑关系表达出来，也是实现组织协调层的难点之一。对于协作模式的选取，组织策略库的结构是选取协作模式的前提。选择不同的依据可以形成不同的策略库。两者相互影响，构建时它们是一个有机的整体。第章机器人足球策略子系统）运动规划层运动规划层是上（组织协调层）下（动作执行层）两层间的接口，它将由组织协调层生成的协作意图进一步细化，并将细化后的阶段性目标传到下一层的动作执行层。它体现了多机器人协作与单个机器人动作之间的对应关系，即通过单个机器人的动作来反映多机器人协作的整体效果。运动规划层的设计要求细化协作意图的速度要快，相邻周期间的规划结果应该连贯，生成的运动方式应该简单，平滑。）动作执行层动作执行层是机器人足球策略子系统的最低一层，它将运动规划层产生的阶段性目标和具体的行动指令对应起来，即生成每个机器人小车车轮的速度指令，如同运动员下意识地控制自己的双腿怎么去动作，是去直线行进、右转还是后退等等。快速性和准确性是该层设计的关键。分层结构特点分层控制方式是对决策思路在逻辑上进行分层，将相对复杂、多变的赛场环境细化成分组的数据信息，再通过分层控制对每组数据进行处理。一般来说，决策思路先确定机器人小车之间的协作关系，然后根据配合的要求确定每个机器入小车的运动方式。通过上面分析，我们可以得出结论：机器人足球策略子系统逻辑上的推理和人类在足球比赛中的协作在个体的控制上有很多相似的地方，通过参考人类真实足球比赛而构建成的策略子系统的分层结构有以下特点：）决策的流程从上至下，数掘流也是单向的，下层充分执行上层意图，执行过程流畅高效。）分层结构中的各层在逻辑上是紧密关联但又相对独立的，所以，设计过程允许对各层单独设计。）从整体上把握场上队员的情况，机器人之间无需进行交互，节省了决策的时间丌销，在策略库和推理机制完善的情况下，可以高效地完成任务。）层与层之间的依赖性小，可以很容易的用新的实现来替换原有层次的实现。）有利于标准化。河北大学学硕十学何论文策略子系统经典模型六步推理模型东北大学徐心和教授提出了六步推理模型【】，其基本的框架如图所示：图六步推理模型策略子系统结构图如果说策略子系统充当的是教练员的职责，那么对于机器人足球而言，教练员是个盲人，他不是用眼睛看到比赛场景反映到大脑进行形象思维，而是根据队员在比赛场上的位姿和球的位置等具体数据对比赛场上的形势进行分析，所以更多的是依靠逻辑思维来完成推理过程。这样策略子系统在制定决策时就应该参照盲人教练的思维过程，展开细致地抽象推理，从而实现专家知识与决策过程的形式化【。具体推理步骤如下：）输入信息预处理，计算有关实体速度、相对距离等。）态势分析与策略选择。）队形确定与角色分配。）目标位置确定。第奄机器人足球策略子系统）运动轨迹规划。）轮速确定。一般说来、步为演绎推理，可由数学模型计算；而、步为产生式推理，应该由专家系统来完成。四层决策推理模型由于六步推理模型是从模拟人类足球比赛的决策过程中提出来的，因而其具有完备性的特点，在理论和方法上具有指导意义【。但是它将决策过程分解得过细，在实际策略子系统实现的过程中并不是非常合适，所以有学者提出了四层决策推理模型，其框架图如图所示：图四层决策推理模璎框架图河北火学：学硕十学市论文曼皇曼曼曼曼寰鼍曼鼍！曼曼蔓篁曼量曼皇量曼曼曼一一一曼曼舅曼曼曼曼量曼皇曼曼曼曼曼舅罡曼曼寡该模型基于智能控制分层思想，上层采用知识推理，下层则基于行为表示，总共分为环境感知、队形变换、角色分配、动作选择四层，相对简单易实现。三层决策模型下图是一个基于三层决策模型的多智能体规划模型【】：尹信息预处理卜一控制协调智能体分配角色早；七、？：、机器人机器人机器人（计划执行智能体）（计划执行智能体）（计划执行智能体）动作规划动作靓划动作羧划确定队形确定队形确定队形输出到精吉亚台幽三层决策模型幽该三层决策模型中，整个策略子系统的体系结构由三个层次组成：比赛级策略；中阗层的子任务及动作策略（包括守门员策略、进攻和防守的任务及动作级策略）：底层的监控和伺服层策略（包括避碰监控层和球轨迹预测层）【。在层次化策略体系结构中，下层为上层服务，三层策略体系构成一个整体。由于三层决策推理模型层次分明，所以策略子系统实现起来简洁、合理。而且该决策模型的整体框架是基于一种整体协作的思想提出的，每层推理的过程能够符合人类的决策过程，每一层的决策任务明确，从整体到部分，功能的划分完全满足面向对象的程第章机器人足球策略子系统序设计方法，因此本文后面的策略模型框架也采用了类似的三层决策模型。经典策略模型分析纵观整个机器人足球系统，策略子系统所能得到的信息仅是由视觉子系统传递来的球的位置以及球员的位置和方向信息，而策略子系统传输给机器人小车子系统的信息仅为机器人小车的左右轮速度，面对这样一个问题，面向对象的程序设计思想就是把整个策略子系统看成一个复杂的对象，然后进行分解、细化，最后使每一部分简单化。在以上的机器人足球策略经典模型中，策略子系统均只把我方队员及球的状态信息作为系统反馈，来进行攻防决策，并未将敌方信息也纳入决策条件，于是容易出现决策不准确、防守漏人、与敌方机器人冲撞、顶牛等现象。很少有人对加入了敌方信息的比赛策略进行深入的研究。因此，本文提出了基于敌方信息的机器人足球比赛策略，作为已有机器人足球策略的改进，不仅要实现我方多智能体之间的合作、协调控制，同时还要参考敌方信息（敌方机器人的位置、方向、速度等），针对敌方策略，合理运用比赛规则，完成我方的攻防策略的调整及实施。本章小结由于机器人足球比赛是对人类足球活动的模拟与仿真，本章首先对人类足球活动进行了详细的剖析，指出了机器人足球比赛与人类足球活动的异同；继而，对机器人足球系统的结构构成进行了简单的介绍，并对机器人足球的运动学模型进行了分析，得出了机器人足球运动学方程，阐明了机器人足球的运动学原理，并给出了机器人足球基本动作函数的设计与实现；详述了机器人足球策略子系统的任务及特点：总结出机器人足球策略子系统的分层结构框架，并对各层内容进行了详细的分析；列举了一些经典的策略推理模型，并对这些模型进行了分析，指出了本文进行的基于敌方信息的机器人足球策略设计。河北火学下学硕十学竹论文第章基于敌方信息的机器人足球策略设计不完全信息的对抗环境分析机器人足球平台可以描述为：多个机器人小车在一个实时、对抗的环境下，遵守一定规则，通过互相配合、协作来完成一个共同的目标（进球得分）。它有以下几个特点：）被控对象有多个。机器人足球比赛是由一个机器人足球队对抗另一个机器人足球队，其中每个机器人足球队都由若干机器人小车组成。比赛双方都希望取得比赛的最终胜利，这就要求每个机器人足球队必须不仅要发挥每个机器人小车的“个人技能”，而且还要控制所有机器人小车互相协同、合作，