毕业论文-足球机器人自动走位设计

足球机器人自动走位设计 摘 要 机器人足球是人工智能的全面体现，也就是说除了“思维”之外，还包括“感知”与“行动”。机器人足球是一个新兴的交叉学科，涉及机器人学、人工智能以及人工生命、智能控制等多个领域。目前，国际上对机器人足球的研究得了迅速的发展。 本文主要是基于北京博创科技公司的 UP-Voyager自主移动机器人设备， 开发和完善 Robocup足球机器人比赛的行为策略设计。主要内容足球机器人自主判断球的位置，自主找球，进攻，射门以及路径的选择等等。通过编程实现行为策略，针对目前的行为策略，机器人的动作更为准确，机器人跑位，协防更为灵活，在比赛中比赛策略发挥的更为突出，更具有比赛竞争力。 关键词 ：机器人 机器人足球 自动走位 I足球机器人自动走位设计Abstract Robot Soccer is the full embodiment of artificial intelligence, which is to say apart from thinking, but also including the perception and action .Recent years saw an increase in interests of research and kinds of competitions in robot soccer.It is no doubt that the robot soccer is a new interdisciplinary research field,refering to diverse fields like robotics, Artificial Intelligence , Artificial Life ,Intelligent Control ,etc. At present, the international robot soccer research have had rapid development. This article is based on the Beijing bochuang Corporation Fiberxon UP-Voyager autonomous mobile robot equipment, to develop and improve the Robocup Soccer Robot Design Competition acts. The main contents of this paper is aimed at Beijing Science and Technology Corporation Fiberxon UP-Voyager autonomous mobile soccer robot to decide the location of the ball, find its own ball, attack, shoot, as well as to chose the path to the ball and so on. The Behavior strategies are relized though programe in view of the conduct of the current strategy.So the robot will act more accurately ,decide location and Cooperates against more smart nimly . Competition strategy in the copetion will play a more important role ,and have more Competitive power. Key words:Robot ,Robot Soccer,walking automatically II足球机器人自动走位设计目 录 第一章 前言 11.1 选题背景与研究意义 1 1.1.1 选题背景 1 1.1.2 研究的意义 2 1.2 足球机器人的发展及现状 3 1.3 本文主要研究内容 6 第二章 UP-Voyager自主移动足球机器人总体结构概况 7 2.1 UP-Voyager足球机器人的概述 7 2.2.1 机器人概述 7 2.2.2 足球机器人的概述 7 2.2 UP-Voyager足球机器人的系统组成 8 2.2.1 机器人系统组成 8 2.2.2 机器人控制系统的组成 9 2.2.3 机器人传感采集系统 10 2.3 本章小结 12 第三章 UP-Voyager足球机器人比赛策略分析 13 3.1 RoboCup 大赛分析 13 3.2 足球机器人总体策略分析 16 3.3 足球机器人裁判盒分析 18 3.2.1 裁判盒分析 18 3.2.2 基于裁判盒的足球机器人的定位 19 3.4 本章小结 21 第四章 足球机器人自动走位策略设计 22 4.1 足球机器人自动走位策略与说明 22 4.1.1 进攻跑位的策略设计与说明22 4.1.2 攻门策略的设计与说明 23 4.1.3 协防跑位的策略设计与说明24 4.2 足球机器人自动走位程序的设计与说明 25 I足球机器人自动走位设计4.2.1 开球的设计与说明 25 4.2.2 进攻跑位的设计与说明 28 4.2.3 攻门的设计与说明 30 4.3 自动走位的调试与分析 33 4.4 结果分析 33 4.5 本章小结 33 第五章 总结与展望 34 5.1 总结 34 5.2 技术经济分析 34 5.2.1 市场前景 34 5.2.2 价格分析 34 5.3 对进一步研究展望 35 参考文献 36 致谢 40 附录 41 声明 54 II足球机器人自动走位设计第一章 前 言 1.1 选题背景与研究意义 1.1.1 选题背景 机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一项高技术，它己在众多的科学领域与工业部门中得到应用，并显示出强大的生命力。机器人技术是一门综合性学科，它综合了多种基础学科、技术学科及新兴科技领域的多方面知识，突出地体现了当代科学技术发展的高度分化而又高度综合这一特点。因此世界各国都非常重视机器人技术的研究。然而机器人学涉及运动与分析、人工智能与专家系统、自学习、计算机视觉、语言与声音辨识、多传感器与数据融合、柔性自动化等技术和学科，人们需要一种研究载体，它既能满足机器人学研究的要求又不需要太大的资金投入。足球机器人正是在这种要求下应运而生的1。 随着信息技术的飞速发展，多机器人的应用需求不断地增加，多主体动态不可预测环境中的问题求解已成为信息一自动化领域基础研究和应用研究的重大挑战性课题。而机器人足球为此提供了一个典型的应用和测试平台。这一挑战性课题得到各国学者的重视2。机器人足球在多机器人系统的研究和应用之间起到桥梁作用，有利于研究的深入，和相关技术集成发展以及向实际应用过渡。 机器人踢球采用人工智能学原理，完全模仿人踢球。首先用机器视觉识别和确定球的位置，然后用计算机来判断环境的动态变化，采取进攻或防守策略，选择射门或传球等动作，最后用机器人去“踢球”。但在目前技术水准条件下，“踢球”并不是用脚踢球，而是用机器人躯体推球。和人类足球一样，机器人球队的胜负不但取决于机器人本身的性能，而且还取决于比赛策略，即只有过硬的“体质”与先进的比赛策略结合才能取胜3。 机器人足球是人工智能的全面体现，也就是说除了“思维”之外，还包括“感知”与“行动”。它所涉及的学科也更广泛。机器人足球是智能机器人的一个新领域，集高新技术和体育比赛于一体，是科技理论和实际密切结合的极富生命力的成长点，目前已引起各国学者的普遍关注。机器人足球领域已逐渐形成川，它是一个多学科交叉领域，包括:智能机器人系统、多智能体系统、实时图像处理与模式识别、智能体结构设计、实时规划和推理、移动机器人技术、机器传动与驱动控制、1足球机器人自动走位设计传感器与数据融合和无线通讯等。它既是一个典型的智能机器人系统，又为研究发展多智能体系统、多机器人合作等理论提供了生动的研究模型和标准的测试平台。 1.1.2研究的意义 机器人足球己成为人工智能领域发展的历史性目标和智能机器人发展的代表方向。机器人足球之所以受到如此重视，就是因为足球机器人涵盖了诸多的高新技术，是一项人工智能与机器人领域的应用基础研究课题。而机器人足球比赛便是这些研究成果的公开展示，是一种很有显示度的小型高科技对抗平台。举行机器人足球比赛的目的正是为了促进分布式人工智能和机器人领域及相关各学科的发展，进而为其相关技术在生产及生活中的应用打下良好的基础4。 第15届国际人工智能联合大会明确指出，未来50年中，人工智能研究的主要问题是“多主体动态不可预测环境中的问题求解”，其标准问题是足球的机一机对抗赛和人一机对抗赛。从科学研究的观点看，无论是现实世界中的智能机器人或机器人团队，还是网络空间中的软件自主体，都可以抽象为具有自主性、社会性、反应性和能动性的“自主体”(Agenis) 。由这些自主体构成的多主体系统(Multi-AgeniSysetms)，是未来信息世界的一个缩影。其基本问题是主体之间的协调，可细分为自主体设计、多主体体系结构、自主体合作和通讯、自动推理、规划、机器学习与知识获取、认识建模、系统生态和进化等一系列专题。值得注意的是，上述一系列问题中的大多数都在机器人足球中得到了集中的体现。在这个意义下，将机器人足球作为未来人工智能和机器人学的标准问题是十分恰当的，而这一研究意义之深远重大，也是不言而喻的5。 在机器人足球中，不但需要人工智能技术中的机器视觉、传感融合、行为决策、智能控制等技术，而且还需要嵌入式计算机技术、无线网络技术、策略仿真技术、对策论等综合信息技术，而这些技术正是21世纪要攻克的综合性信息技术，因此凡参加“世界杯”机器人足球大赛的各国球队都带着自己国家的综合信息实力和尊严参加比赛，所以从竞赛角度出发，“世界杯”机器人足球大赛是衡量各国综合信息技术实力的一个小平台上的技术战争6。奥林匹克之所以百年不衰、兴旺发达的根本原因就在于它具有高度的竞争性和严格的比赛规则，并通过比赛一个接一个创记录，发展到崭新的水平。 基于机器人足球的信息化建设发展策略机器人足球是一种高新技术较量的比赛平台，它不是目的而是一个手段。通过这种比赛平台一方面能够激励青少年的科2足球机器人自动走位设计学研究热情和培养科学精神，另一方面能够加速发展综合信息技术，这是一个一举两得的创举7。 1.2 足球机器人的发展及现状 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(AlanMackworth 在1992年的论文OnSeeingRobots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8。 目前,有关机器人足球比赛的国际组织有RoboCup联合会和FIRA组织两个。 1996年在日本正式成立“机器人世界杯赛会(RobotWorldCup)”(简称Robocup)先后举行5届机器人足球世界杯赛,数十个国家的上百支球队前来参赛9。 Robocup在日本、欧洲和美国都有很大的影响,成为世界上影响最大、参加人数最多的机器人足球组织Robocup的竞赛项目比较多,而且不局限于机器人足球10。 国际上另一个很有影响的机器人足球社团是总部设在韩国的国际机器人足球联合会FIRA （Feder-ation of Internationa l Robot-Soccer Association） FI-RA于1997年6月5日正式成立,30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。FIRA 已组织了6届机器人足球世界杯赛RWC (Robot-soccer World Cup)（第6届已于2001年8月在北京举行）似乎有与Robocup分庭抗礼、平分天下之意11。 举办机器人世界杯足球赛的意义不单单在于比赛本身,更主要的是为了促进分布式人工智能研究与教育的发展通过提供一个标准任务,使得研究人员利用各种技术,获得更好的解决方案,从而有效促进各领域的发展涉及的研究领域包括智能机器人系统、专家系统、多智能体系统、实时模式识别与行为系统、智能体结构设计、自动控制理论、优化算法、决策对策、自组织自学习、实时规划和推理、基于网络的两维图形交互、传感器技术等。在我国,最早搞足球机器人系统的是东北大学,3足球机器人自动走位设计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今年举行的RWC比赛中,取得了四项冠军考虑到FIRA在中国的影响力,将着重介绍FIRA比赛情况和最新发展12。 1.3 本文主要研究内容 本课题主要是基于我校机电工程系机器人专业实验室的四台北京博创科技公司的UP-Voyager自主移动机器人设备，开发和完善Robocup足球机器人比赛的行为策略设计。 本文以基于全局视觉的足球机器人系统作为主要的研究对象，针对系统问题里的特点，对多机器人、的运动控制、路径规划、足球机器人动作设计、实时决策推理、动作选择以及路径搜索等问题进行了研究实验。在VC+编程实现行为策略，对于足球机器人的开球，进攻跑位，攻门都做了具体的设计，实现机器人自动走位的总体策略。 原有的UP-Voyager只能够找到球，并且在找到球时不能顺利，不能判断离球门的位置距离，会直接射门。新改进的程序中弥补了这些缺点，可以实现找到球之后顺利带球，并且适时检测距离球门位置以及距离，当距离足够近时，射门，达到了比赛的策略的实现，在比赛中更具有竞争力。 4足球机器人自动走位设计第二章 UP-Voyager足球机器人总体结构概况 2.1 UP-Voyager足球机器人的概述 2.1.1机器人概述 机器人（ Robot）是自动执行工作的机器装置。机器人可接受人类指挥，也可以执行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。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。 机器人可以是高级整合控制论、机械电子、 计算机 、材料和 仿生学 的产物。目前在工业、医学甚至军事等领域中均有重要用途。欧美国家认为：机器人应该是由计算机控制的通过编排程序具有可以变更的多功能的自动机械，但是 日本 不同意这种说法。 日本人 认为“ 机器人就是任何高级的自动机械，这就把那种尚需一个人操纵的机械手包括进去了。因此，很多日本人概念中的机器人，并不是欧美人所定义的。现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统13。机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具有生物功能的空间三维坐标机器。 1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔 恰佩克在他的科幻小说罗萨姆的机器人万能公司中，根据Robota (捷克文，原意为“劳役、苦工” )和Robotnik( 波兰文，原意为“工人” )，创造出“机器人”这个词14。 2.1.2 UP-Voyager足球机器人的概述 足球机器人是轮式移动机器人，它只是 一种借用足球比赛相类似的规则，由机器人完成的高技术的对抗活动。 现在的足球机器人比赛有两个系列：即 ROBOCUP 和 FIRA 。每年都要进行一次比赛。中国最早参加了 FIRA比赛， 东北大学 代表队和 哈工大 代表队5足球机器人自动走位设计都取得了好成绩。另外中国还参加了 ROBOCUP系列的比赛。在 2001 年的ROBOCUP比赛中，清华大学代表队获得了世界冠军。另外，中国人工智能学会在 2001 年成立了机器人足球专业委员会15。 机器人足球参加了科技申奥主题活动，还将参加 2002 年的世界杯足球赛。以上活动说明机器人足球在 中国获得良好的发展。 机器人足球赛的主要类型分为半自主型（MIROSOT ） 、全自主型（ ROBOSOT） 、类人型（ HUROSOT） 、仿真型（ SIMUROSOT）四种类型。 机器人足球之所以获得如此迅速的发展，就是因为它是人工智能领域的理想突破点，又是吸引青年人科研兴趣与高新技术攻关的完美结合点，参加比赛的机器人不仅要有对周围场景做出判断及控制自身运动的能力，还需要具有群体意识，要能够识别队友并相互配合。赛场上的情况瞬息万变，双方机器人都在不停地运动，因而机器人必须具有很强的跟踪、决策、反应能力和机动性。一个新兴的领域机器人足球领域已逐渐形成川，它是一个多学科交叉领域，包括:智能机器人系统、多智能体系统、实时图像处理与模式识别、智能体结构设计、实时规划和推理、移动机器人技术、机器传动与驱动控制、传感器与数据融合和无线通讯等16。它既是一个典型的智能机器人系统，又为研究发展多智能体系统、多机器人合作等理论提供了生动的研究模型和标准的测试平台。 2.2 UP-Voyager足球机器人的系统组成 2.2.1 UP-Voyager 机器人系统组成 足球机器人系统主要有以下部分组成。远程控制台可以用无线以太网络对远程机器人进行人工控制，罗技摄像头与笔记本相连，作为视觉信号采集系统，笔记本电脑安装在移动机器人上，负责机器人本地数据处理运算。 如图2-1所示： 6足球机器人自动走位设计图2-1 机器人系统组成 2.2.1 UP-Voyager机器人控制系统的组成 本机器人系统远程控制台用无线以太网络对远程机器人进行人工控制，罗技摄像头与笔记本相连，作为视觉信号采集系统，笔记本电脑安装在机器人上，负责本地数据运算处理。如图2-2所示： 7足球机器人自动走位设计图2-2 机器人控制系统 2.2.2 UP-Voyager 机器人传感采集系统 （1）超声传感器，探测周围环境，障碍物信息是很多自己机器人必须具备的功能。测距声纳是移动机器人上经常采用的测距传感器。移动机器人要实现在未知和不确定环境下运行，必须具备自动导航和避障功能。在移动机器人的导航系统中，传感器起着举足轻重的作用。视觉、激光、红外、超声传感器等都在实际系统中得到了广泛的应用。其中，超声波传感器以其信息处理简单、速度快和价格低，被广泛用作移动机器人的测距传感器，以实现避障、定位、环境建模和导航等功能。移动机器人配有超声传感器和PSD红外传感器。两种测距传感器可以互补。例如有些不反射红外线光的物体（像黑色塑料等）却能很好地反射超声波，反之，很多超声波无法检测到的物体（像纤细的织物）很容易被红外测距传感器检测到17。 （2）红外传感器，光电开关输出是开关量，只能判断在测量距离内有无障碍物，不能给出障碍的实际距离，而且其开关的临界距离要受外界光环境的影响。因此在机器人系统中仅作为超声传感器的补充，以测量超声传感器的近盲区内有无障碍物。另外，该传感器带有一个灵敏度调节旋钮，可以调节传感触发的距离。随供电电压不同，最远探测距离在560cm可调。 8足球机器人自动走位设计图 2-3 红外传感器 （3）视觉传感器，自主移动机器人往往采用摄像机作为视觉传感器。但是普通的摄像机无法同时覆盖机器人四周的环境，一种解决办法是采用2自由度云台，利用云台的旋转、俯仰来获得更大的视角范围；但是这种方式也有响应速度慢、无法实时做到360度全方位监视的问题，并且机械旋转部件在机器人运动时会产生抖动造成图像质量下降、图像处理难度增加18。 （4）全景摄像机是一种具有特殊光学系统的摄像机。它的 CCD 传感器部分与普通摄像机没有什么区别，但是配备了一个特殊的镜头，因此可以得到镜头四周360 度的环形图像（图像有一定畸变） 。图像数据经过软件展平后即可得到正常比例的图像。 图 2-4（a）全景摄像机主视图 图 2-5（b）全景摄像反光镜 2.3 本章小结 9足球机器人自动走位设计本章主要是对 UP-Voyager足球机器人的概念及机器人的系统作了介绍。包括机器人，足球机器人的基本概念及用途。主要对足球机器人的系统做了典型的介绍，对各种传感器及性能的简介，满足足球机器人的需求，为整个课题的完成提供了保证。 10足球机器人自动走位设计第三章 足球机器人比赛策略分析 3.1 RoboCup 大赛分析 RoboCup 的原意为机器人世界杯（ Robot World Cup）。1997 年正式成立，总部设在日本东京，正式注册瑞士伯尔尼。RoboCup 自 1997 年起每年举办一次机器人足球世界杯赛( The Robot World Cup)。RoboCup 是一个通过提供足球比赛这样一个标准问题来促进人工智能、机器人以及相关领域的研究而建立的国际组织。1997年，首届 RoboCup 比赛及会议在日本的名古屋举行，为实现 2050 年机器人足球队击败人类足球世界冠军的梦想迈出了坚实的第一步。 RoboCup 规则是用以保证比赛的公正而不受影响的进行，并以鼓励技术性和有创造性的改进，而不是用来描述比赛如何进行。 RoboCup 国际比赛规则是进行国际RoboCup 比赛时由 RoboCup 中型组机器人社团技术委员会所制定的规则。参考 RoboCup 比赛规则，中国自动化学会机器人竞赛工作委员会特考虑制定与国际赛制和比赛规则接轨的国际项目规则，同时考虑中国机器人的发展情况制定与中国国情相符和的项目规则。ROBOCUP 2006 中国公开赛中，中型组的场地标准是 12 米 x8 米。07 年应该是 18 米 x12 米。由于组委会还没有给出标准的场地图纸，因此我们只能给出 06 年比赛的场地图纸如下图。地面要求比较平整，最好是水磨石地面，表面再铺设绿色塑料地毯，即大多数展会铺地面所使用的、类似浅浅草皮的地毯，表面有类似毛巾的绿色卷毛。通常这种地毯的规格是宽度 1 米，长度 100 米，需要自己裁减，并用胶水粘贴在地面上。各种标志线、点，可以采用白色不反光 PVC 胶布，贴在场地的指定位置。这种胶布可以在建材市场买到。除了图纸所标明的之外，场地的其他任何地方，不能出现蓝色、黄色、红色等有在比赛中明确含义的颜色。球门内四面（上、中、下、内表面）蓝色（纯蓝色）或者黄色（纯黄色） 。门框白色。具体颜色和尺寸要求看图纸。材质可以采用铝合金框架+ 复合三层板。各种颜色应采用 PVC 胶布贴膜。喷漆效果不好 足球采用国际足联标准规定的 5 号球，尺寸、材质、充气程度等要求与正式足球比赛一致；表面喷漆，底漆乳白色喷两遍，表面再喷荧光橙色（市场上可以买到），11足球机器人自动走位设计达到完全盖住原有颜色、并且比较明亮的标准19。机器人顶部有一个 20cm 直径的圆盘，应制作如图所示的颜色标记（建议采用喷绘的办法做），贴在机器人顶部。守门员标识必须有两个小点。必须选以上两种颜色之一。参加比赛时应该准备两种颜色。 图 3-1 足球场尺寸 12足球机器人自动走位设计图 3-2 足球场全景 3.2 足球机器人总体策略分析 中型组足球机器人机器人的活动范围大致是一个 12*8（ m）的长方形，机器人足球比赛的环境相对来说比较简单。机器人的运动是在一个平面内，而且整个场景的信息可以通过视觉系统获知，系统能够进行信息完全的全局规划。另外场景中的物体都具有相对固定的尺寸和简单的几何形状。 足球机器人要完成的任务需要在高速运动状态下进行实时性很强的路径规划，很多离线规划方法或者计算复杂的在线方法都不再适用。足球机器人系统是一个多机器人系统，机器人的路径规划之间必然相互影响，实现相互协调的合理路径规划。在足球机器人这样一个具有动态性、不确定性、实时性的环境中，复杂环境的变化往往存在很多随机性和不确定因素。动态障碍物的出现也带有随机性。机器人的运动存在几何约束和物理约束。几何约束是指机器人的形状制约，而物理约束是指机器人的速度和加速度。 13足球机器人自动走位设计下面举例说明运动控制在VC+环境中的实现 / Implementation Protected: CVisTest m_test; CvoyWhit2Cap m_voy; HICON m_hIcon; Void CBaseSAMPLEDlg:OnOpen90 -框控制，通过类向导映射变量 / TODO: Add your control notification handler code here UpdateData(); M_voy.OpenPort(m_nport); Void CBaseSampleDlg:OnUpward() -添加前进按钮 / TODO:Add your control notification handler code here m_voy.VectorMove(180,200,0) Void CBaseSampleDlg:OnBrake() -添加刹车 / TODO: Add your control nification handler code here M_voy.Brake(); 在这个过程中需要用到传感器和图像采集、处理技术，使得这些技术在 VC 环境下发挥功效。在机器人运动过程中，路径的性能要求存在多种目标，如路径最短，时间最优，安全性能最好，能源消耗最少。在新的比赛规则中，规定了机器人相互之间发生碰撞属于犯规的几种情况。本课题要达到的预期目标是使守门员既可以成功挡住球，又不至于和其他机器人发生碰撞，因为机器人的速度还是比较快的，且重量大，发生碰撞易损坏机器人。 全局路径规划与局部路径规划的结合。全局路径规划方法依照已获得的环境信息，给机器人规划出一条路径。规划路径的精确程度取决于获取环境信息的准确程度。全局方法通常可以寻找最优解，但是需要预先知道环境的准确信息，并且计算量大。局部规划方法侧重于考虑机器人当前的局部环境，让机器人具有良好的避碰能力。和全局规划方法相比较，局部方法更具有实时性和实用性。缺陷是仅仅依靠局部信息，有时会产生局部极点，无法保证机器人顺利到达目的地。 因此如果把两者结合就可以达到更好的规划效果，即将全局规划的“粗”路径作为局部规划的子目标，从而引导机器人最终找到目标点 。 14足球机器人自动走位设计全景实现机器人跟球行为 ： Double angle = m_rad.CalAngle(ball.x.ball.y)-所在位置对应的机器人移动方向角 m_pCmdVectorMove(angle, 速度， 0)；- 向球移动 在机器人足球比赛中，由于足球机器人系统场上的环境是时刻变化的，其路径规划属于一种作业环境未知且动态的路径规划及控制，而目前大多数规划方法都只针对固定目标点而没有考虑移动目标点的情况, 此时的规划由于要考虑机器人自身、障碍物、目标的位置信息和速度信息而更加复杂。 3.3 足球机器人裁判盒的分析与应用 3.3.1 裁判盒分析 RoboCup中型组比赛使用裁判盒是为了使比赛过程更加自动化，减少人类对比赛的干预，保证比赛更加公正的进行，并记录比赛中必要的信息。 在比赛中，场外有一台计算机运行裁判盒程序，该程序有一名助理裁判操作，根据主裁判的判罚决定通过裁判盒给比赛双方球队发送比赛指令信息。因此每支球队在场外需要有一台计算机运行 Coach 程序，该计算机与中型组裁判盒机器的连接通过有线网络，通讯协议为 TCP/IP 协议，也就是说要使用 TCP 网络通讯。 具体来说，裁判盒程序首先会启动，创建其套接字，并侦听是否有其它程序试图连接自己；而球队要设计的程序则是首先创建自己的套接字，创建成功后再连接裁判盒的套接字（比赛时裁判盒机器的 IP 和端口都是已知的，端口为 28097，我们则需要把自己机器的 IP 地址设置在与裁判盒机器 IP 同一个地址段里） ，连接上以后即可接收裁判盒发送来的指令字，根据通讯协议解析后即可通过无线网络发送给场上比赛的机器人。RoboCup 中型组比赛中裁判盒程序作用示意图如图所示。 15足球机器人自动走位设计图3-3 RoboCup 中型组比赛中裁判盒的作用示意图 3.3.2 基于裁判盒的足球机器人的定位 足球机器人的自定位就是在裁判发出准备信号之后，所有参赛的机器人队员会自动走位到比赛开始的站位位置。此过程中需要机器人自己找准需要站位的具体位置，从而自主的走位到相应的位置。 实现这一策略，应用的是机器人的全景摄像头，通过全景摄像头的颜色识别目标位置的HIS阀值。全景视觉系统由全向反射镜和摄像机组成，其中全向反射镜起着反射光线的作用，而摄像机则通过镜头折射采集全向反射镜面反射的光线来获取全景图像，来进行目标识别和自定位。 通过全景摄像头以标记的的球门的 HIS 阀值，判断出球门的位置，再通过对全景场地的HIS阀值识别，根据球门的位置，识别出具体要走位的具体位置的坐标。 把整个画面分成若干个小块,再从每个小块的中心点进行颜色判断,当中心点是所要识别的颜色时,就以这个中心点为种子,向四周扩散,判断周围像素点的颜色,直到把整个色块填充满为止。 通过全景的 HIS 阀值及已有的球门的位置确定出最中间的位置。以此位置作为种子点（M1,L1），对找到的一个作为种子点,从该点出发水平向左找到左边界点16足球机器人自动走位设计再从 M1,L1,出发沿水平方向向左找到左边点，计算 M1， L1和左边点距离 L1，以此确定左边点（M2,L2），以此方法在确定右边的点（M3,L3）。 图 3-4 自定位示意图 3.4 本章小结 本章中主要对 RoboCup 大赛做了系统的介绍与分析，同时对比赛的场地做了简单的概述。本章的重点在于对对比赛的总体策略进行了分析，对于足球机器人在比赛中的跑位做了总体的分析，同时对于静态情况下的机器人地位做了分析，做了系统的坐标法。这是本章的重点，为下一章的足球机器人自动走位策略设计做了铺垫。 17足球机器人自动走位设计第四章 足球机器人自动走位策略设计 要想在赛中机器人比赛中取得胜利，灵活多变的战略，攻守和快速敏捷的技术动作是不可缺少的。足球机器人的路径规划及动作设计原则是实现这一切的基础。本章主要研究足球机器人的路径规划及其自动走位的设计问题。 4.1 足球机器人自动走位策略与说明 机器人自动走位包括路径的规划及自动协防等。路径规划要求机器人在一个有障碍的环境中(环境是静态的，并且完全己知)由一个位置运动到另一个位置，而不与障碍发生碰撞。在这种前提下，运动规划是一个纯粹的几何问题，不考虑任何物理的或者时间的因素，不发生碰撞是对它唯一的要求。在这个空间里，用一个点来表示机器人的位置和方向。对一个机器人进行运动规划，转化成在空间中为这个点寻找一条无碰撞的路径。 4.1.1 进攻跑位的设计与说明 进攻过程中常会遭遇干扰导致丢球，进攻球员应通过跑位来拿到球。双轮差动机器人带球转向时容易丢球，所以应尽量面对对方球门拿球。 机器人路径规划是一个困难的非线性问题。本文在机器人足球系统中设计了一个避障方案，该方案在考虑球场边界约束、动态避障和最短路径要求的条件下，针对移动目标，就机器人的路径规划进行了研究。采用了两次寻优的办法，即首先以移动目标的轨迹上的某一随机点为目标，规划一条最佳路径，再从移动目标轨迹上搜索出一最优点，以保证机器人先以最佳路径到达该点，再沿着目标轨迹与目标会合，整个过程用时最短。 在路径选择过程中，（如图4-1所示）。起始点即为机器人的当前位置，我们可在起始点与目标间找到许多路径，并用直线连接起来，形成一条路径。 足球在运动中必须满足条件不能越出球场边界,目的是在最短时间内与足球会合。 18足球机器人自动走位设计图 4-1 机器人的路径选择 4.1.2 攻门策略的设计与说明 按规则，任何进攻球员在无球状态下进入球门区都会被判罚犯规。进攻球员（有射门可能）在对方球门区内停留时间不能超过 10 秒，任何攻方球员在球门区内触碰到守方守门员会被判罚非法进攻。 射门算法就是让机器人处在一个连续的、广阔的区域里来调整射门姿态,然后射门假设球所处坐标为 E(ball.x,ball.y),门区两极点坐标为 C(150,85),D(150,45),连接 CE,DE 并延长,理论上说在 EAB 这个敞开的大区域里的任意一点,只要机器人对准球就可以射门。但是如果机器人距离球太远,很有可能被敌方机器人档住,或者无法对准球,因此也不能将球射进球门,所以球 和机器人的距离需要控制在一定范围内,实验证明最好控制在 20cm 以内,可以取得较好的效果如 EF=20cm,则 ER20cm,那么 EAB 所围成的扇形就是射门区域。 当机器人从区域边线 AE 或 BE 进入射门区域时,因为球在运动,边线位置也在不断变化,但边线是判断机器人是否进入区域的标准,因 此,就出现了机器人在 AE或BE附近一进一退不停抖动的情况，比如,假设机器人从BE线进入区域ABE,而球在向上运动,则 BE 的位置也在向上移动,当系统判断机器人位置进入 ABE 时,由于球的运动和系统实时性,因此 BE 位置也向上移动了,这样系统在下一个周期又要重新进行判断,重新规划目标点O,其结果是造成机器人一进一退的抖动现象针对上述问题,本文中提出如下改进方法:在确定目标点时,通过预测先计算出机器人对准球19足球机器人自动走位设计的提前量,因此就需要提前预测球的运动轨迹。 4.1.3 协防跑位的策略设计与说明 一支完美的机器人足球队是由若干出色的队员组成。其中防守的策略直接关系失球的多少,在比赛中显得至关重要。战术策略基于球员的个人技术,但又不是仅与球员的个人技术有关,更要看教练的战术布置 。如果能够精确判断球的前进方向,甚至于能够预测球的前进方向,这将大大提高 系统的智能性,从而也就提高了防守的成功率,达到“万无一失”的防守效果。 根据前面已建立的坐标系，其中球的坐标设为 B(x1,y1),守门员坐标为R(x2,y2)。在球距离球门线比较远的时候,这 种防守策略不考虑球的运动轨迹,以球门底线的中点为一固定点,计算球与该点的连 线,此时该连线会与球门线有一个交点,守门员设置在此交点位置上.当该交点纵 坐标在球门两端纵坐标的区域内且离球门较远时,守门员会随着该交点纵坐标的变化而变化。在球距离球门线比较近的时候,守门员的纵坐标选取球当时的纵坐标, 因为在远距离时采用滞后点和球的连线与球门线的交点位置来做一下大致的预测,当球真正逼近球门时再对其精确位置进行判断。当该交点的纵坐标不在球门端区域范围内时,守门员会随着该点的位置变化分别在球门的两端等待拦截,待球进入守门员的出击范围时守门员主动出击。守门员位置的横坐标为球门线的横坐标.这里之所以选择门线的横坐标为守门员的横坐标是因为： 1)如果守门员在球门内,那么它突出球门线的高度会相对较小,球从侧面袭来时,守门员的防守区域相对于突出球门线的高度会缩小； 2)如果守门员离开球门线向前,球从底线袭来时守门员会漏球或者会导致“乌龙球”。因此,实践证明守门员在球门线上的位置为最佳位置。 4.2 足球机器人自动走位程序的设计与说明 4.2.1 开球的设计与说明 当比赛开始之后，首先会初始化球的颜色阀值，目标球门的颜色阀值，对全景的初始化对以及对历史变量的初始化。 20足球机器人自动走位设计寻找球得位置检测连通域找到求得位置找不到球位置求在旁侧或者盲区检测目标球门位置检测到球门位置检测不到球门以历史纪录作为参考获得离球最近的色域最为球，红色显示球的位置球在前方球在身后转身拿球向球前进YNYNYN图 4-2 开局流程图 21足球机器人自动走位设计开始比赛，首先检测可能的球的连通域， _rgb2hsi.Mapping( _Domain.InitMap(_rgb2hsi.Map,lWidth,lHeight,1); _Domain.Process(0); DomainNode ball; 如果找不到球，那么会查看前侧图像有没有球，并作出判断，发现球。如果仍然找不到球，那么会以前一次结果作为参考，选取离中心最近的色域作为球，并记录此次球的位置。 if (_Domain.GetCount() = 0)-如果全景找不到球则查看前侧图像 if (m_bBallinfront = true) ball.x = 160;-球在前侧 ball.y = 125; else ball.x = m_lastball.x;-找不到球以前一次结果作为参考 ball.y = m_lastball.y; else ball = _Domain.Get