毕业论文-足球机器人守门员策略设计

足球机器人守门员策略设计 摘 要 机器人足球比赛是在国际上迅速发展起来的高科技对抗活动，它能推动机械电子、人工智能、自动控制、无线通讯、图像处理等众多领域的发展，具有重大的研究意义。 众所周知，“ 一个优秀的守门员等于半个球队” 。足球比赛中，要想在整场比赛中立于不败之地，守门员要起到非常重要的作用。本文以 UP-Voyager II 为研究对象，在分析总体比赛策略和现有的守门员策略基础上，对足球机器人守门员的防守策略做了细致的理论演算，同时采用 VC+实现编程，并在实验中进行了调试。实验证明该策略设计满足机器人守门员的要求，行为动作有效，可基本实现机器人守门动作。这大大增强了守门员的防守能力。 关键词 ： 足球机器人，守门员，策略设计 I足球机器人守门员策略设计 Abstract Robot soccer match is an international high-tech competition that is developing very quicklyIt can speed up the development of many fields such as machinery and electronics，artificial intelligence ，automatic control ，wireless communications and image processingIt is of great research value Everybody knows that a good keeper equals half a team In football match， want to stand on an indefectible position in the whole game，the goalkeepers role is very importantThe main object which is studied in this paper is UP-Voyager II. Based on the analysis on the strategy of the match and the keeper, the defend strategy of football keeper robot was deeply calculated on theory. Meanwhile, the program which is accomplished in VC+ language has been debugged in the experiment. In this experiment, the strategy was proved to be successful which made the defend ability of the keeper much stronger. Key words: Soccer robot，goalkeeper ，strategy design II足球机器人守门员策略设计 目 录 第一章 前 言 . 1 1.1 选题背景 . 1 1.2 研究意义 . 2 1.3 足球机器人发展概述 . 3 1.3.1 机器人发展概述 . 3 1.3.2 足球机器人发展概述 . 4 1.3.3 足球机器人最新进展 . 5 1.4 本课题主要解决问题 . 6 第二章 UP-Voyager自主移动机器人概况 . 7 2.1 机器人的机械机构 . 7 2.1.1 机器人总体机械结构 . 7 2.1.2 机器人运动底盘模块 . 9 2.1.3 机器人电源及驱动模块 .10 2.1.4 机器人传感器模块 .11 2.1.5 机器人计算机模块 .12 2.2 机器人的控制系统 .12 2.2.1 机器人控制系统的组成 .12 2.2.2 机器人传感采集系统 .14 2.2.3 RS485 和RS232 转换电路 .16 2.3 本章小结 .16 第三章 UP-Voyager 自主移动机器人比赛总体策略分析 .17 3.1 RoboCop大赛简介 .17 3.1.1 大赛成立及发展 .17 3.1.2 大赛比赛项目 .17 3.1.3 大赛规则简介 .18 3.2 总体比赛策略分析 .22 3.2.1 总体比赛策略分析 .22 3.2.2 守门员策略分析 .23 3.2.3 研究重点 .23 3.3 本章小结 .23 第四章 守门员策略设计 .25 4.1 机器人防守策略 .25 4.1.1 防守基本思想 .25 4.1.2 基本防守战术 .25 4.2 策略模型的设计与说明 .25 4.2.1 策略模型设计 .25 4.2.2 策略模型说明 .28 4.3 策略程序的设计与说明 .28 III足球机器人守门员策略设计 4.3.1 基础程序设计 .28 4.3.2 策略程序设计 .32 4.3.3 策略程序说明 .35 4.4 试验结果 .35 4.4.1 试验步骤 .35 4.4.2 调试结果 .36 4.5 本章小结 .37 第五章 结论与展望 .38 5.1 结论 .38 5.2 技术经济分析 .38 5.2.1 应用前景 .38 5.2.2 经济分析 .39 5.3 对进一步研究的展望 .39 参考文献 .41 附录 .43 致 谢 .54 声 明 .55 IV足球机器人守门员策略设计 第一章 前 言 1.1 选题背景 从1959 年美国第一台工业机器人到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。制造价格不断降低，而其质量与性能却在迅速提高，开拓了机器人行业的新进展。 机器人由操作机( 机械本体) 、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。由于机器人具有诸多优点，例如： (l)应用机器人可以提高生产力，降低生产成本，提高生产效率，把人力资源从程序化高、繁冗枯燥、易疲惫、低效率以及技术含量低的工作领域中解放出来，避免人力资源的浪费，如机器人焊接、零件装配以及货物搬运传递等。 (2)机器人可以在恶劣、危险的环境中以及目前人类不可到达的环境中代替人类完成期望的工作，如处理核废料、开发探索宇宙星际空间、科学探测和考察深海资源等。（3）机器人在军事上的应用已经成为一个必然的趋势，如用机器人去排除危险，不仅解决了人员伤亡的问题，同时提高了办事的可靠性。所以机器人学研究和发展受到了愈来愈多的重视，其运用也渗透到国民经济的各个方面，具有广阔的运用前景。机器人的应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志1。 我国的机器人起步较晚，与国外发达国家相比还有一定的距离，但在国家的支持下，通过“ 七五” 、 “八五” 科技攻关，机器人行业在我国迅速发展，一批国产工业机器人和智能机器人产品在国内各个行业广泛应用，涌现出一大批机器人技术的研究人才。我国现有机器人研究开发和应用工程单位200多家，其中从事工业机器人研究和应用的有75家。在机器人研制生产方面，我国已经具备了初步的规模，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配等机器人，其中130多台套喷漆机器人在20余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。 就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产和研发结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些简单的特种机器人2。 1足球机器人守门员策略设计 1.2 研究意义 “一个优秀的守门员等于半个球队” ，对于机器人守门员来说也是的，其主要任务包括预测小球的位置、根据小球位姿信息调整相应的站位、扑球等动作进行守门。想要在守门员防守上有所突破，则必需从实时性和有效性入手。首先，应建立完整的分区体制，精确预测小球相关信息。然后，实现一些高质量的动作。最后，在策略中依据不同的情况调用适当的动作完成防守。由于足球机器人还不具备像真人那样复杂的分析和随机决策能力，因此在对现在的整个足球机器人系统的研究过程中，守门员防守策略的研究和动作的设计仍然是一个重要的课题3。 足球机器人是属于代表发展方向的第三代智能机器人，它是高科技的集成。机器人足球赛是一个小型的高科技对抗平台。而足球机器人守门员策略研究主要的意义就在于： （1）解决了足球机器人守门员防守能力薄弱的问题，可以提高球队的胜率。由于在前面已经提到的比赛的胜负取决于比赛结束时的比分，所以胜负在很大程度上依赖于己方的失球数，若己方失球数为0，即使己方未能攻破对方球门，那至少也是个平局，这在很大程度上左右了比赛的胜负。 （2）有利于机器人视觉技术的发展。对于足球机器人，其机载视觉系统的作用相当于人类的眼睛，用于观察、理解和判断与比赛有关的各种信息及相互变化，并将这些信息传递给信息处理单元。足球比赛意味着要求机器人对比赛目标进行快速识别，并且准确定位与比赛相关的各种目标（如球和球门等）的位置，这在一定程度上促进了新的搜索方法的出现。 （3）对传感器及数据融合技术有促进作用。在未知环境下，足球机器人主要依靠多传感器信息，运用数据融合算法，提供与环境有关的系统状态的充分并可靠的信息，用于解决机器人在复杂的动态环境条件下自主规划路径、躲避障碍物、不犯规、以最佳路线接近目标。多传感器数据融合技术增加了测量的维数和置信度，改进了探测性能，扩展了空间和时间的覆盖范围，改进了系统的可靠性、可维护性、系统容错性和运行鲁棒性。通过该课题的研究可以提高资源共享和资源的利用率，以及各种机器人的路径规划，精密仪器仪表的研制及系统辨识等方面问题4。 （4）可以培养进行自主创新性项目的研究与开发的能力。该课题主要是在各高校中开展的研究项目，很大程度上提高了学校的科研能力。 2足球机器人守门员策略设计 1.3 足球机器人发展概述 1.3.1 机器人发展概述 机器人（robot ）是一种自动执行工作的机器装置。它可以接受人类的指令工作，或是执行其预先编排好的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则和纲领行动。机器人执行的是取代或是协助人类工作的工作，例如制造业、建筑业，或是危险的工作。 1920 年捷克作家卡雷尔 卡佩克发表了科幻剧本罗萨姆的万能机器人。剧情是这样的: 罗萨姆公司把机器人作为人类生产的工业产品推向市场, 让它去充当劳动力, 以呆板的方式从事繁重的劳动。后来, 罗萨姆公司使机器人具有了感情, 在工厂和家务劳动中, 机器人成了必不可少的成员。该剧预告了机器人的发展对人类社会的影响。在剧本中, 卡佩克把捷克语“Robota”( 农奴 ) 写成了“Robot”(机器人) 。这也是人类社会首次使用“ 机器人” 这一概念。自动化技术的发展, 特别是计算机的诞生, 推动了现代机器人的发展。 50 年代是机器人的萌芽期, 其概念是“ 一个空间机构组成的机械臂, 一个可重复编程动作的机器” 。1954 年美国戴沃尔发表了“ 通用重复型机器人” 的专利论文, 首次提出“ 工业机器人” 的概念;1958 年美国联合控制公司研制出第一台数控工业机器人原型; 1959 年美国UN IMA T ION 公司推出第一台工业机器人。 60 年代随着传感技术和工业自动化的发展,工业机器人进入成长期, 机器人开始向实用化发展, 并被用于焊接和喷涂作业中。 70 年代随着计算机和人工智能的发展, 机器人进入实用化时代。日本虽起步较晚，但结合国情，面向中小企业，采取了一系列鼓励使用机器人的措施, 其机器人拥有量很快超过了美国, 一举成为“ 机器人王国” 。 80 年代, 机器人发展成为具有各种移动机构、通过传感器控制的机器。工业机器人进入普及时代。开始在汽车、电子等行业得到大量使用, 推动了机器人产业的发展。为满足人们个性化的要求, 工业机器人的生产趋于小批量、多品种。 90 年代初期, 工业机器人的生产与需求进入了高潮期: 1990 年世界上新装备机器人81 000台,1991 年新装备76 000 台。 1991 年底世界上已有53 万台工业机器人工作在各条战线上。随后由于受到日本等国经济危机的影响, 机器人产业也一度跌入低谷。近两年随着世界经济的复苏, 机器人产业又出现了一片生机。90 年代3足球机器人守门员策略设计 还出现了具有感知、决策、动作能力的智能机器人, 产生了智能机器或机器人化机器。随着信息技术的发展, 机器人的概念和应用领域也在不断扩大5。 我国工业机器人研究开始于70 年代, 但由于基础条件薄弱、关键技术与部件不配套、市场应用不足等种种原因, 未能形成真正的产品。 80 年代中期, 在国家科技攻关项目的支持下, 中国工业机器人研究开发进入了一个新阶段,形成了中国工业机器人发展的一次高潮。以焊接、装配、喷漆、搬运等为主的工业机器人, 以交流伺服驱动器、谐波减速器、薄壁轴承为代表的元部件, 以及机器人本体设计制造技术、控制技术、系统集成技术和应用技术都取得显著成果。从80 年代末到90 年代, 我国的智能机器人和特种机器人在“863” 计划的支持下,也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人,6000m 水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种; 在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“ 十五” 后期立于世界先进行列之中。 机器人发展至今，经历了无数次的改进和变更，但唯一不变的是其组成是由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系 统组成的，只是在不同时期其表现形式不同而已。 1.3.2 足球机器人发展概述 机器人足球与足球机器人是最近几年在 国际上迅速开展起来的高科技对抗活动，随着人工智能和机器人研究的 不断深入，训练和制造机器人进行足球比赛，已成为科研工作者的一个研究 热点，第一个正式提出让机器人踢足球的学者是加拿大哥伦比亚大学的艾兰 麦克乌斯教授(Alan Mackworth 在 1992 年的论文 On Seeing Robot s中提出的) 。日本学者对此迅速做出反应， 1992 年 10 月在日本东京召开的关于 “人工智能 (AI) 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。目前，有 关机器人足球比赛的国际组织有 Robocop 联合会和FIRA 两个6。 4足球机器人守门员策略设计 在我国，最早研究足球机器人系统的是 东北大学，他们自行开发了一套从软件到硬件的系统，填补了国内空白，达到了国际先进水平，并在 1999 年RWC比赛中，取得了中国在世界杯上的 首枚金牌。现在随着足球机器人系统的推广，越来越多的高校和研究所开始 重视并组织研究足球机器人，目前有代表性的有东北大学、哈尔滨工业大学 、广西工业大学、中国科技大学、上海交通大学、山东大学等等， 其中哈尔滨工业大学在 2002年举行的RWC 比赛中，取得了四项冠军。 1.3.3 足球机器人最新进展 “2007中国机器人大赛暨RoboCup 中国公开赛” （简称“ 大赛” ）于2007年10月26日至28日在济南西部新城区大学科技园隆重举办。 本次大赛由中国自动化学会机器人竞赛工作委员会、科技部高技术研究发展中心、济南市人民政府共同主办，由济南市信息产业局、济南市西区投融资管理中心、山东师范大学、济南大学、计算机世界媒体集团联合承办。中国机器人大赛是由中国自动化协会机器人竞赛工作委员会和科技部高新技术研究发展中心主办的面向全国高等院校、科研院所的一项全国性科技竞赛活动，旨在推动科技知识的普及，鼓励更多的青少年在电子、信息、自动控制等高新科技领域进行学习、探索、研究和实践，为我国的高新技术产业发展培养更多青年才俊。国际机器人足球锦标赛（RoboCup ）中国公开赛是国际机器人足球锦标赛（RoboCup）、国际机器人足球联盟（FIRA ）两个最具影响力的机器人竞赛组织在中国唯一授权举办的国际级机器人赛事。 有国内外300多支参赛队伍的1000余人进行9类34个项目的角逐，包括RoboCup机器人比赛、FIRA机器人比赛、空中机器人比赛、水中机器人比赛、舞蹈机器人比赛及双足竞步机器人比赛等。这是历届中国机器人大赛中比赛种类最多和最全的一次。水中机器人比赛是今年首次出现的新赛种，空中机器人比赛首次与中国机器人大赛合并举行。大赛邀请全国重点大学专家、教授担任评委，戴汝为、蔡鹤皋等10多位院士， 20多位“863” 机器人专家担任顾问。大赛期间还将举办“ 大学园区与区域经济高层论坛” 、“ 机器人技术研讨会大赛” 等一系列活动，共同探讨大学园区的建设与发展，机器人技术发展趋势等问题。比赛项目的增多和比赛门类的细分、众多科技精英的参与成就了本次比赛的宏大规模，无论比赛项目数、参赛人数都还是比赛水平都达到历届之最。 5足球机器人守门员策略设计 从参与规模和竞赛成绩两方面看，我国的机器人足球在RoboCup 系列中处于明显落后的状况。即使在亚洲，也排在日本、新加坡和伊朗之后，位居第四。然而，这一现状并非不能改变。从各方面的情况看，仿真机器人足球可能是最佳突破口，应该作为我国机器人足球竞赛、研究和人才培养的一个重点。另外，小型机器人足球也有相对较好的发展条件，可以作为另一个重点7。 1.4 本课题主要解决问题 目前，常用的守门员策略有两种：一是通过对场地信息进行综合抽象，提出了以小球为中心的守门员积极防守策略。在引进守门员3个属性的基础上，对小球在球场中不同区域内设计出守门员的具体策略，并对非常规情况进行处理，实现守门员的高效防守。二是应用数字罗盘获取机器人的航向角， 融合机器人的视觉信息，在识别一个参考路标的情况下实现足球机器人守门员的全局定位。根据机器人的全局位姿坐标可以实现守门员在门前球门区域的直线挡球功能。针对本课题，在现有防守策略的基础上对UP-Voyager II 自主移动机器人设计基于传感器和图像处理技术的防守策略设计。其主要解决问题为： 1、查阅国内外研究足球机器人守门员防守策略的资料，了解研究进展和现状、程序设计。 2、防守策略设计理论和算法研究。 3、防守策略设计与说明。 4、程序设计：设计合理的防守策略，实现预期的目标。 5、程序的试验调试与结果分析。 6足球机器人守门员策略设计 第二章 UP-Voyager自主移动机器人概况 2.1 机器人的机械机构 2.1.1 机器人总体机械结构 本课题研究的机器人源于北京博创公司的 UP-Voyager II，其外观如 2-1 所示： 图 2-1 机 器人外观机器人本体平台由运动底盘模块、电源及驱动设备模块、传感器模块与计算机模块等模块构成，如图2-2 所示。各模块之间通过标准的机械件固定。本机器人采7足球机器人守门员策略设计 用模块化的结构，以便于后期安装定制配置，并在需要的时候方便更换或添加其他模块，机器人的主要尺寸如图2-3 所示。 图 2-2 机器人结构8足球机器人守门员策略设计 图 2-3 机械主体结构尺寸 2.1.2 机器人运动底盘模块 机器人运动底盘承载着机器人主体，是动力装置的执行区域。主要由两个橡胶轮、两个电机（包括减速器与编码盘）和安装平板三部分组成，如图 2-4 所示： 伺服电机及同轴安装的行星齿轮减速器安装到 U 型机架上，电机的转动通过一对1： 1 的渐开线齿轮传递到输出轴及橡胶轮胎上。这里1： 1 的齿轮组的作用是将电机动力输出轴平移，以使两台对称的电机能够紧凑地安装在机器人上。 9足球机器人守门员策略设计 图 2-4 运动2.1.3 机器人电源及驱动模块 电池及驱动模块包含箱体、充电电池，电源管理及保护系统，以及相应的指示灯和充电器，如图2-5 所示。这个模块是机器人的动力来源，内置电池提供 24V 直流电压，用以供给驱动行走机构的电机和其他模块，如传感器模块、计算机模块等。同时，计算机发出的运动控制指令通过RS485 总线传送到这个模块内的电机控制器，控制电机完成指定动作，并把编码器的信息反馈给上层的计算机以供处理。 图 2-5 机器人电源及驱动箱体图 底 盘模块示意图 10足球机器人守门员策略设计 机器人开关面板如图 2-6 所示： 图 2-6 机器人开关面板图 2.1.4 机器人传感器模块 传感器模块包含壳体、光电开关传感器、超声声纳、传感器信号处理主板、GPS 接收机、电子罗盘、加速度传感器及摄像机信号处理模块。具备24 电源接口及针数据总线口。 基本底盘通过4个螺栓与传感器模块固定，电气连接包括两个接口： 1个DB9-9针数据总线接口， 1个24V 电源输出（2 芯航空插头）。因此基本底盘与传感器模块之间机械连接为4个螺栓，电气连接为2个插头。其示意图如图2-7 所示： 图 2-7 机器人传感器模块图 11足球机器人守门员策略设计 2.1.5 机器人计算机模块 该模块主要设备为一台 PC 机，可固定搭载在机器人传感器模块上方，主要用于执行传感器传送来的各种信息，并发送指令控制机器人的行为。其搭载平台如图 2-8 所示： 图 2-8 计算机设备模块图 2.2 机器人的控制系统 2.2.1 机器人控制系统的组成 UP-Voyager II 的控制系统框图，其主要分为用户层、决策控制层、传感 /底层决策层、运动执行层。各层与各层之间通讯都有标准的物理层与协议层，因此各层都具有很强的扩展性，用户只须按照标准的物理层与协议规范就可以自由增加用户自己的设备与控制程序。 UP-Voyager II 自主移动机器人系统图如图 2-9 所示： 12足球机器人守门员策略设计 图 2-9 UP-Voyager II 系统框图 其中： 用户层： 用户层硬件主要是由一台高性能的台式机或都笔记与通讯模块（比例如无线网络、无线电台等）组成，同时可以加配全景摄像机以及其它全局传感器。软件方面主要有通讯类、运动控制类、传感器反馈类等等。用户层可以通过网络或无线电通讯查询机器人的有关信息，比如前景图像住处、全景图像信息、 24 路超声信息、 24 红外信息、二轴或三轴罗盘的方向信息、陀螺信息、 GPS 经纬度信息、13足球机器人守门员策略设计 机器人自身状态信息（包括系统电压、系统电流、系统功耗、剩余能源、电压波型、电流波型等）。 用户层的设计主要是为了： 1) 便于机器人的研究与开发 由于机载 PC 对于用户层是完全透明的，因为用户只须先在用户层上开发调试程序，并完成较好的演示性。之后，把程序移植机载 PC 上， UP-Voyager II 机器人就变成了完全自主的机器人。这种调试方法，去除了用户在机载 PC 开发程序的种种不便。 2) 智能化与远程监控相结合 由于现在机器人智能化受到传感器与智能算法的限制，尽管在某些方面机器人智能化已经超过人类，但在大多数方面还是远不如人类的慧。因此，更多的环境下是在机器人智能化的基础上引入人类的智慧，在适当的时候可以对机器人进行远程监控。 3) 增强机器人的智能化水平 由于机载 PC 受到功耗、重量、体积等限制，其运算能力有限。对于一些大型的智能化算法无法实现，这样就需要一台在用户层增加一台高性能的计算机进行数据运算以实现高智能化算法的实现，提高机器人的智能化水平。 机载 PC： 机载 PC 是 UP-Voyager II 机器人的运算控制核心， 主控计算机根据用户需求可以选配为高性能笔记本、工控计算机、嵌入计算机、普通 PC， 而配件有 CCD 摄像头、全景摄像机、二自由度云台摄像机、麦克、音响以及各类接口等。 2.2.2 机器人传感采集系统 该系统主要由超声传感器和红外传感器构成，主要作用在于测试机器人与目标球和机器人与其他机器人之间的大至距离。 1)超声红外的基本工作原理 信息处理电路主控制芯片为 AV R 系列单片机 Mega16，其通过 8 路锁存器芯片 74HC573 分时使能 24 超声声纳， 每次使能一个。 同时扫描红外传感器输出。接收到超声波的反射信号后停止计时器，将超声波的反射时间简单计算后存入缓冲区，在接收到 PC 查询指令后通过 RS485 总线转 RS232 总线反馈给机载 PC。超声声纳和红外信息处理电路如图 2-10 所示： 14足球机器人守门员策略设计 图 2-10 超声红外工作原理图 图 2-11 程序基本流程图 15足球机器人守门员策略设计 2.2.3 RS485 和 RS232 转换电路 工作原理 通过MAX491 将+12V-7V 的RS485 差分电平转化为05V 的CMOS 电平，然后通过MAX232 将CMOS 电平转化为PC 的 +12V7V的 RS232 电平，实现 PC 与模块设备的通信。RS485 和RS232转换电路图如图2-12所示： 图 2-12 RS485 和 RS232 转换电路工作原理 2.3 本章小结 本章主要介绍了机器人的机械结构部分和基本控制系统。由于实验用机器人在设计之初就采用模块化的设计理念，所以在本章中将机器人各个模块直接细化出来并进行说明。另外把控制系统分为几个部分来介绍，简单明了，为以后设计的开展有很大帮助。 16足球机器人守门员策略设计 第三章 UP-Voyager自主移动机器人比赛总体策略分析 3.1 RoboCop大赛简介 3.1.1 大赛成立及发展 RoboCup (Robot World Cup)，即机器人世界杯足球锦标赛。 1992 年10 月，在日本东京举行的关于人工智能领域重大挑战的研讨会中，与会的研究人员对制造和训练机器人进行足球比赛以促进相关领域研究进行了探讨。在一些学者的积极倡导下( 如美国CMU 的ManuelaM. V eloso 教授) ， SON Y公司的支持下， 成立了RoboCup联合会，并于1996年在日本举行了一次表演赛, 获得了很大地成功。第一届RoboCup比赛和会议于1997年举行，大约有40个机器人球队( 包括美国、日本和欧洲的主要大学及研究机构) 和超过5000名观众参加此次盛会。第二届比赛(RoboCup1998, Paris) 有接近 100支球队参赛, 是历史上最大规模的移动机器人会议。每年举办一届。从成立至今，大赛经过了十几年的发展已成为世界上影响力最大的机器人比赛组织。近年来，随着比赛人数、比赛项目的增加，该大赛越来越引起国内外专家的注意，对其研究的力度也逐年增加。 3.1.2 大赛比赛项目 参加比赛的机器人足球队是由多个在动态环境下快速移动的机器人组成。RoboCup 同时提供一个软件平台来进行软件仿真研究。为了有效促进相关领域的研究与发展，比赛仅是整个活动的一部分，目前，RoboCup 活动包括如下几个方面： (1) 技术会议。 (2) 机器人足球赛。 (3) 机器人足球挑战赛。 (4) 教育程序。 (5) 基础结构发展。当然，机器人足球赛是整个活动的主要部分，研究者们会聚一堂，评价研究的进展情况。机器人足球赛锦标包括：(1) 仿真组比赛。(2) 小型机器人组比赛。 (3) 小型机器人组标准比赛( 每队11 人) 。 (4)中型机器人组比赛。 (5) Sony 有腿机器人比赛(Sony 公司发起) 。 (6) 类人机器人组比赛( 计划从2002 年开始，也许提前) 。(7) 遥控操作比赛( 即将宣布) 。(8) RoboCup 展示会。 中型组足球赛是 RoboCup 机器人足球世界杯赛的主要项目之一，自 1997 年第一届 RoboCup 比赛开始即是正式比赛项目。中型组的机器人是完全自主的，拥有局部视觉系统，多种传感器，是典型的多智能体分布式控制的测试平台。中型组是由两支各有 4 个机器人的球队在 510 米的场地上进行的比赛，每个机器人17足球机器人守门员策略设计 的尺寸小于 505080cm。所有的机器人是全自主的，就是说，传感器、视觉以及运动控制均由机器人本身处理。机器人之间用无线通讯来协调。目前场上的标记均为彩色标记：球是橙色的，球门是黄色或者蓝色的，机器人本身带有色标以区分两方。中型组提供了一个多机器人系统、自主导航、数据融合、视觉感知等的研究的平台。 目前世界各国参加 RoboCup 中型组比赛的球队规模不断扩大，从历届比赛的成绩来看，中型组中有三支实力较强的队：德国弗赖堡(Freiburg) 大学的CSFreiburg 队( 三次冠军) 、日本大阪(Osaka) 大学队和伊朗 Sharify 理工大学SharifyCE 队。 3.1.3 大赛规则简介 规则一：场地 尺寸：长度最小8m ，最大 16m。宽度最小6m ，最大12m 。 图 3-1 机 器人比 赛 场地场地标识：比赛场地用线来标识。这些线位于边界处。较长的两根边界线叫做边界线。较短的两根叫做球门线。所有的线不能超过12.5厘米宽。整个场地被中场线分割成两半。中场线的中点是中心的标记。一个半径为1m 的圆环绕的此点。 球门区：在距离每个球门柱内侧0.5米处画两条与球门线垂直的线。这些线延伸入场内5.5米处与一条平行于球门线的直线相交。这些线和球门线所确定的区域18足球机器人守门员策略设计 就是球门区。 罚球区： 1在距离每个球门柱内侧1.5米处画两条与球门线成直角的线。这些线延伸入场内1.5米处与一条平行于球门线的直线相交。这些线和球门线所确定的区域是罚球区。2在每个罚球区内有一个罚球点标记。此标记距球门柱中心点2米并到两个门柱距离相等。 球门：球门必须放在两边球门线的中央。他们包括两个与角旗等距的立柱和顶部与立柱相连的横梁。立柱相距2米，横梁下边缘离地1米。门柱和横梁具有相同的不得超过12.5厘米的宽度和深度。球门线与门柱和横梁等宽。球门后面设有球网，球网不得影响守门员的活动。门柱和横梁必须漆成白色。 规则二：比赛用球 官方比赛用球是任意橙色国际足联标准尺寸5号球。球漆成橙色。 规则三：比赛队员装备 基本装备：机器人必须不低于 40 厘米，不高于 80 厘米。最重不得超过 40千克。机器人主要部分颜色必须是黑色的。各个机器人拥有一个不小于 8 厘米的黑体号码。守门员号码必须是 1 号。每个机器人必须带有颜色标记、号码标记和顶部标记颜色标记必须是两种官方预定的颜色之一，官方颜色为紫色 /深紫和浅蓝。一个机器人必须有可供其他机器人辨识和裁判分辨的标记。 图 3-2 比 赛 用 机 器人19足球机器人守门员策略设计 规则四：裁判及助理裁判 每场比赛均由一名被委派之裁判控制，裁判拥有将比赛规则施用于该场比赛的绝对权威。在 RoboCup 中，某些裁判员之职责例如记录比赛时间与比赛成绩可委托给一名助理裁判员。在 RoboCup 中每场比赛可指派一名或多名助理裁判员。建议配备三名。一名负责记录比赛时间与比赛成绩。除了 RoboCup 规则指明的职责以外，裁判员还可指派给助理裁判其他任务。主裁判对于比赛事实有最终判决权。主裁判只有在意识到其判决不正确，或者根据其判断及助理裁判的建议，确定比赛未被正常恢复的情况下才更改其判决。 规则五：比赛时间 分为两个 10 分钟的时间相等的半场。球员享有中场休息的权利。中场休息时间不得超过 10 分钟。比赛规则应规定中场休息的时间，该时间只有在裁判员同意的情况下方可修改。比赛过程中可适当补时。 规则六：比赛的开始与重开始 投币后由胜方选择他们在上半场欲攻的球门，另一方开球以开始比赛，投币之胜方在下半场开始时开球，在下半场，双方呼唤场地。在比赛开始时或下半场开始时。进球后。加时的上下半场开始时重开球。 规则七：比赛的计分 当整只足球穿越了球门线，在两个门柱中间，横梁以下，并且进球之前进攻方没有犯规行为，则进球得分有效。 比赛中进球得分多的一方取胜。如果双方进球数目一样，或者都没有进球，比赛结果则为平局。在淘汰赛中，比赛先以计分，后以净胜球，最后再比较两队交战的比赛成绩来确定比赛排名。 规则八：上场队员的人数 比赛由两队组成，各队上场球员不超过 6 名，其中至少一名是守门员。在较少球员的那个队中若拥有 4 名队员上场，则两队的球员人数上差别不超过 1 人。若较少球员所在队只有 2 或 3 名上场球员，则另一队最多可上 4 名队员。在RoboCup 比赛中，每队可准备任意多个替补队员。替补球员准备替换上场时，比赛不得中止，替补队员听从裁判指令在适当时候（比如对方未带球进攻，或死球，重新发球等）在替补后至少 30 秒钟后按规定从中线入场。 规则九：犯规行为 20足球机器人守门员策略设计 1、停球与持球 对于接触区域处的任意视角方向，接触区域都不能超过球圆周的一半，即 角不能大于 180 度。对于任意的垂直于先前视角方向的视角，接触区域不能超过球圆周的四分之一，即 角不能大于 90 度。违反即视为持球。 2、踢球与运球 对于接触区域处的任意视角方向，接触区域都不能超过球圆周的 14/36，即 角度不能大于 140 度。对于任意的垂直于先前视角方向的视角，接触区域不能超过球圆周的 1/4，即 角不能大于 90 度。机器人可以通过一次短暂的与球接触来踢球。在踢球时，对接触区域的限制同运球时一样。无论何时，在踢球期间违反了定义的约束，都将被视为持球。 3、犯规及其犯规后的处罚 如果在裁判看来，球员犯有以下错误中的任意一条，将判给对方间接任意球：持球。冲撞对方或踢对方。非法阻挡或非法攻击。如果在裁判看来，一支球队的人类成员犯有以下错误中的任意一条，将判给对方间接任意球：在场地中妨碍比赛，比如通过移动球来使机器人移动。通过无线通讯远程妨碍比赛，比如远程操纵机器人，或发送指令给在场上传递目标位置信息的机器人或者是发送指令激活机器人的特殊行为模式。其他不正当的举动。当机器人队员触犯了任何一项关于停球、运球、踢球的条款，都将判持球犯规。如果推动是发生在两个移动的机器人之间，如果一个机器人仍在原来的移动方向上推动前进，而另一个机器人可以看出试图改变方向，那么将判推动机器人犯规。若场上出现非