毕业论文-足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验

足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验摘要足球机器人已经成为一个向人们展示机械与人工智能完美结合的平台。仿真比赛利用物理引擎模拟实体比赛。仿真平台具有统一的比赛环境和规范的策略模版，让参赛者在不用考虑硬件的前提下，设计出高效，能力突出的比赛策略。分析与比较三个不同的足球机器人3D仿真平台，选择了NewNEU轮式足球机器人3D仿真平台作为基础开发框架。该平台使用了PhysX物理引擎作为底层框架，保证了物理实体的物理仿真度，并使用MicrosoftVisualC+2008作为开发工具。重点研究了机器人足球仿真比赛的策略系统。将策略流程模型归纳为组织层、协调层和执行层，并根据六步推理模型，将组织层分为信息预处理、态姿分析、任务分解、队形确定、角色分配和机器人管理等六步。在NewNEU轮式足球机器人3D仿真平台上实现了设计的策略系统。根据设计的策略系统，规划了其队列和任务执行参数，在仿真平台下进行了仿真比赛。仿真比赛结果表明，比赛中队员站位都与赛前的规划保持一致，能够顺利执行赛前规划的防守与进攻的战术。关键词：足球机器人，3D仿真平台，比赛策略I足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验AbstractRobotsoccerhasbecomeaplatformofperfectcombinationofmechanicalandartificialintelligence.Simulationgamesusephysicsengineanalogizingentities.Simulationplatformhasthesamecompetitioncircumstanceandthesamestrategyofstandardizedtemplate.Participantscoulddesignhighefficiencystrategywithoutconsideringthehardware.NewNEU3DSimulatorforWheeledRobotplatformisselectedasthe3Dsimulationplatformthroughcarefullycomparingthreedifferentsoccerrobot3Dsimulationplatforms.ThisplatformusesthePhysXphysicsengineastheunderlyingframeworktoensurethatphysicalentitiesdegreesofphysicalsimulation.AndtheMicrosoftVisualC+2008isusedasadevelopmenttool.Thestrategysystemisresearchedstrictlyanddividedintotheorganizationlayer,Coordinationlayerandtheimplementationlayer.Accordingtothesix-stepreasoningmodel,theorganizationlayerisimplementedbysixsteps,includingpre-processing,analysisofstateposition,thetaskdecomposition,formationidentification,distributionandrobotrolemanagement.ThestrategysystemiscarriedoutontheNewNEU3DSimulatorforWheeledRobotplatform.Accordingtothedesignedstrategysystem,queueofrobotmembersandtheimplementationparametersareplanedanddesigned,andcompetitionisrunintheselectedsimulationplatform.Aftercomparisonwiththequeueofstrategiessystem,aconclusioncouldbedrawnthatthepositionofteammemberskeepasthesameasexpectedprovingthecorrectnessoftheprogramstrategy.Thepre-plannedstrategyofdefensiveandoffensivecouldbeimplemented.Keywords：robotsoccer,3Dsimulationplatform,strategyII目录第一章前言.11.1引言.11.2研究意义.11.2.1研究意义.11.2.2机器人足球比赛组织.21.2.3国内机器人足球研究进展.41.3机器人仿真平台.61.3.1FIRA系列SimuroSot仿真平台.61.3.2RoboCup仿真平台.101.3.3NewNEU轮式足球机器人3D仿真平台.141.4机器人足球系统决策模型.181.4.1四层决策结构.191.4.2六层推理模型.191.4.3三层推理模型.20第二章总体方案设计.212.1机器人足球仿真平台对比.212.2机器人足球仿真平台选择.222.3设计方案确定.22第三章NewNEU轮式足球机器人3D仿真平台.233.1NewNEU轮式足球机器人3D仿真平台介绍.233.2NewNEU轮式足球机器人3D仿真平台的结构.233.3可扩展功能.243.4仿真实例.243.4.1仿真实体混合建模.243.4.2控制面板.273.4.33D可变视角仿真环境.283.5控制面板、界面及仿真环境详细介绍.303.5.1服务器端控制面板.30III足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验3.5.2服务器端控制面板功能详解.323.5.3客户端控制面板功能详解.373.5.4控制面板操作.383.6策略板开发介绍.393.6.1开发平台介绍.393.6.2策略板介绍.41第四章足球机器人3D仿真平台比赛策略设计.464.1策略总体方案设计.464.2执行层.494.3协调层运动控制器.494.4组织层全局决策方案.504.4.1信息预处理.514.4.2态势分析.534.4.3任务分解.574.4.4队形确定.584.4.5角色分配.594.4.6机器人管理器.604.5策略板文件介绍.60第五章足球机器人3D仿真实验.625.1赛前队列预规划.625.1.1防守区域.635.1.2防守进攻过渡区域.675.1.3进攻区域.685.2任务执行参数设计.705.3策略文件在仿真平台上的实现.705.3.1防守区域.705.3.2防守进攻过渡区域.735.3.3进攻区域.745.4仿真平台物理引擎碰撞实验.75第六章经济分析.77IV足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验第七章结论与展望.787.1结论.787.2展望.78参考文献.80致谢.82声明.83V足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验第一章前言1.1引言和计算机博弈一样，机器人足球也是人工智能研究的一个里程碑。机器人足球就是让机器人代替真人进行足球比赛，它的规则与真实的足球比赛类似。这个设想是加拿大哥伦比亚大学的AlanMackworth1教授在1992年的一次人工智能的国际会议上提出的，其目的就是为了促进人工智能学科的进一步发展。这是一个标志性的课题，它的提出得到了众多科学家的大力支持。在第15届国际人工智能联合大会上，由Kiatno、Veloso和Tambe等九位世界知名学者联合发表重要论文TheRoboCupSyntheticagentchallenge，系统阐述了研究机器人足球系统的意义、目标、阶段设想、近期主要内容和评价原则。机器人足球研究的最终目标，就是在21世纪中叶，机器人球队能够在世界杯上击败人类最好的球队。1.2研究意义1.2.1研究意义机器人足球是一个极富挑战性的高技术密集型项目。它涉及的主要研究领域有：小车机械、机器人学、机电一体化、微处理器、数据融合、精密仪器、实时数字信号处理、图像处理与图像识别、知识工程与专家系统、决策、轨迹规划、自组织与自学习理论、多智能体协调、以及无线通讯等等。不难看出，需要创新的内容非常得多，所涉及的研究领域也非常得多，并且不仅仅要求在这些领域内要取得巨大的突破，还要求在各个学科之间要进行交叉与集成。机器人足球同时又提供了一个标准任务，使得研究人员能够利用各种技术，获得更好的解决方案，从而又反过来促进各个领域的发展。这既是开展机器人足球研究的深远意义，也是机器人足球研究的魅力所在。机器人足球除了在科学研究方面具有深远的意义，它也是一个很好的教学平台。通过它可以使学生将理论与实践紧密地结合起来，提高学生的动手能力、创造能力、协作能力和综合能力。目前国家所提倡的素质教育中，能力培养是核心。机器人足球提供了一个对学生的能力进行培养的大舞台。机器人足球是人工智能的新兴研究领域，是联系理论与应用的一个有效手段。1足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验它以体育竞赛为载体，集中展示了各国高新科技的发展，并且检验了参赛国的技术水平，从而促进科技的发展和人才的培养。仿真技术是计算机人工智能领域研究的重要方面，为足球机器人智能软件的开发者提供开发环境和开发手段，用计算机模拟真实的比赛环境，为软件开发者调试和验证策略软件提供手段。在仿真系统中开发软件可以极大地加快软件的开发速度，降低开发成本。仿真机器人足球赛是在标准软件平台上进行的，这种软件平台的设计能够体现控制、通信、智能、传感等多方面的技术水平，在仿真环境下开发的机器人足球策略软件可以直接放到真实的足球机器人系统运行。在人工智能的发展道路上曾经出现过计算机象棋，它是用计算机对人类进行的象棋比赛，它作为博弈的典型问题在人工智能领域发展了搜索与产生式理论，成为发展人工智能第一个里程碑。但是计算机象棋只反映了人类社会的一个侧面，即它是在静态环境下以非实时的方式进行的知识处理问题。而实际的人类社会发生的绝大部分问题是在复杂环境下，以实时方式进行的知识处理问题。它将过去封闭和孤立的知识系统发展为开放、分布的知识系统，使人工智能面向更多的实际应用领域。比赛的组织者始终奉行研究与教育相结合的根本宗旨，提供一种素质教育、创新教育与前沿研究相结合的生动形式。与传统的以知识传授和技能培养为目标的课程不同，足球机器人及球队的研制具有实践性强、探索性强和综合性强的特点，有利于迅速接触前沿研究，并促使选课同学的创新能力和专业素质得到提高。开展机器人足球竞赛的重点和宗旨是非常明确的，那就是通过世界上最热门的体育运动足球来推动人工智能、机器人学和其它相关科研的进展。因为要让机器人踢足球，就必须实现广阔领域里的技术集成与突破。在机器人踢足球这样一个长远目标的激励下必然将有一系列的发明与创新，而这些高新技术也一定会应用到众多的工业领域，满足广泛的社会需求。如灾难救助、运输、建筑、空间、无线通信和娱乐生活等等。1.2.2机器人足球比赛组织目前，有关机器人足球比赛的国际组织有两个：RoboCup联合会和FIRA组织。其中，FIRA采用集中式系统结构，系统中只有一个决策机制，比赛过程中需要人的部分参与；RoboCup为分布式系统，各个队员具有自己独立的进程，负责自身的信息感知、决策和动作执行，进程之间的信息交换需通过服务器进行。2足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验(1)FIRA足球机器人的发展与韩国科学院(KoreaAdvancedInstituteofScienceandTechnology，KAIST)是密不可分的，可以说KAIST是它的摇篮和发源地。金钟焕教授于1995年在韩国创立国际足球联合会(FederationofInternationalRobot-SoccerAssociation，FIRA)，设总部于韩国大田，并于1997年6月在大田召开国际机器人足联成立大会。该组织主办机器人足球世界杯赛(RWC)，自1996年在大田举行韩国国内冠军赛以来每年举行一届，如表1-1所示。表1-1FIRA机器人足球比赛历届地点年份国家城市2008FIRARoboWorldCupChinaChinaQingdao2007FIRACupUSAUSASanFrancisco2006FIRACupGermanyGermanyDortmund2005FIRACupSingaporeSingaporeSingapore2004FIRACupKoreaKoreaBusan2003FIRACupAustriaAustriaVienna2002FIRACupKoreaKoreaBusan,Daegu,Daejeon,Gwangju,Suwon,andSeoul2001FIRACupChinaChinaBeijing2000FIRACupAstraliaAstraliaRockhampton,Gladstone,andQueensland1999FIRACupBrazilBrazilCampinas1998FIRACupFranceFranceParisMiroSot97KoreaDaejeonMiroSot96KoreaDaejeonzFIRA机器人足球比赛种类：半自主型机器人足球：MiroSot全自主型机器人足球：RoboSot仿真机器人足球：SimuroSot3足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验超小型半自主机器人足球：NaroSot超小型全自主机器人足球：KheperaSot类人机器人足球：HuroSot微软3D仿真(新增)(2)RoboCup1992年，加拿大不列颠哥伦比亚大学的教授AlanMackworth在论文OnSeeingRobots中提出了机器人足球比赛这一设想。日本首先响应实施这一伟大设想，并于1996年举行机器人足球表演赛。1997年，在日本名古屋举行首届机器人世界杯足球锦标赛(RobotWorldCup，RoboCup)，之后每年举行一届。RoboCup的使命是促进分布式人工智能与智能机器人技术的研究与教育。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，从而有效促进相关领域的发展。RoboCup的最终目标是经过五十年左右的研究，使机器人足球队能战胜人类足球冠军队。zRoboCup机器人足球比赛种类：仿真组：SimulationLeague小型组：SmallSizeRobotLeague中型组：MiddleSizeRobotLeague四腿组：SonyLeggedRobotLeague类人组；HumanoidLeague1.2.3国内机器人足球研究进展1997年7月，国际机器人足球联盟中国分会(简称FIRA中国分会)成立，分会设在哈工大。由洪炳镕教授担任主席。同年中国人工智能学会下设机器人足球工作委员会，由洪炳镕教授同时担任主任。此后的十年间，在FIRA中国分会的领导下，先后组织了七届全国机器人足球锦标赛，有力地推动了国内机器人足球的研究和发展。中国第一支机器人足球队于1997年7月在哈尔滨工业大学成立，同年8月在中国人工智能学会(CAAI)支持下国际机器人足球联盟(FIRA)中国分会在哈工大成立。1999年8月与11月份别在哈工大举办了首届全国机器人足球邀请赛和锦标赛。国家863计划机器人专家贾培发教授和谭民教授出席了大会，并对中国机器人足球的开端表示热烈祝贺。4足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验自1999年开始到2004年在CAAI和FIRA支持下，已经举办了6次全国锦标赛和1次FIRA世界杯机器人足球大赛，中国机器人足球队已从零发展到50多个，参加了5次世界杯机器人足球大赛，尤其是2004年中国人工智能学会机器人足球竞赛工作委员会带领参赛的中国机器人足球代表队(14个大学队)，在8种比赛项目中4种比赛项目获得了世界杯冠军，中国机器人足球队已成为世界机器人足球领域中不可忽视的劲旅。不仅如此，在2001年FIRA中国分会举办的第六届世界杯机器人足球大赛中FIRA中国分会提出的全自主型机器人足球(RoboSot)和仿真型机器人足球(SimuroSot)比赛项目已成为FIRA公认的比赛项目，它为国际机器人足球的发展做出了不可磨灭的贡献。表1-2FIRA中国分会全国机器人足球锦标赛情况时间名称城市11999.7首届全国机器人足球邀请赛哈尔滨21999.11“德达杯”首届全国机器人足球锦标赛哈尔滨32000.9“滨化杯”第二届全国机器人足球锦标赛北京42001.8“FIRA世界杯”国际机器人足球锦标赛北京52002.4“大庆杯”第三届全国机器人足球锦标赛大庆62003.8“哈工大杯”第四届全国机器人足球锦标赛哈尔滨72004.6“武汉工程大学杯”第五届全国机器人足球锦标武汉82005.7“西华大学杯”第六届全国机器人足球锦标赛成都92006.6“华煤杯”第七届全国机器人足球锦标赛平凉102007.5“思远1杯”第八届全国机器人足球锦标赛武汉112008.6“韵升杯”第九届全国机器人锦标赛宁波(因四川地震取消)北京石油化工学院的奥美机器人足球队，近几年也在积极地参加国内的比赛和机器人的研究工作。并取得了不错的成绩。见表1-35足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验表1-3北京石油化工学院的奥美机器人足球队参赛情况年份名称项目奖项2004“广州理想”杯MiroSot3V3三等奖MiroSot3V3二等奖2005江苏常州MiroSot5V5三等奖2006江苏苏州RoboCup公开赛MiroSot5V5三等奖MiroSot3V3一等奖2007武汉全国机器人足球锦标赛MiroSot5V5三等奖SimuroSot11V11三等奖MiroSot3V32008广东中山RoboCup公开赛MiroSot5V5SimuroSot11V11组织奖MS轮式仿真5V51.3机器人仿真平台机器人足球比赛是一个多智能体在动态环境中实时知识处理的过程正是由于机器人足球比赛具有多智能体在动态环境中和实时处理的特点使它成为人工智能研究的新的标准问题2。仿真比赛具有投资小的特点,作为测试各种算法的标准平台,仿真比赛在机器人足球比赛中是参加队伍最多的一项比赛,也是衡量各个国家在人工智能领域研究状况的一个重要标志。1.3.1FIRA系列SimuroSot仿真平台6足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验图1-1FIRA系列SimuroSot仿真仿真系统由6个模块以及2个缓冲区组成,如图1-2所示。各模块的主要功能如下:视觉模块主要用来模拟实际比赛中的CCD摄像机,主要是把缓冲区的数据以数据包的形式发给策略软件。为了仿真识别误差,在数据传递过程中加人了一些误差。策略模块的作用是作为一个接口让用户可以按一定的标准开发策略软件,以便移植到实际系统中进行真正的比赛。为了评价策略的有效性,策略模块还应包含评价功能,在一场比赛后,仿真系统能够给出球队的技术指标来比较策略孰优孰劣。实体仿真模块主要实现实体(机器人和球)的运动学棋型。每个机器人和球根据上一周期的运动状态、本身的机械特性和它接收到的控制字计算出新的位置、角度和速度，并把数据送到计算级冲区。但是这些数据是没有考虑碰撞的。仿真系统通讯棋块负责把策略系统产生的控制字传递给实体仿真模块中有关的机器人。碰撞检测模块在实体仿真的基础上,实现了物体间的碰撞模型和动力学模型。该模块从计算缓冲区中读取初级仿真数据实体仿真模块的计算结果,经计算分析把处理结果送7足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验到显示缓冲区。OpenGL3显示模块的作用是实时的显示场上形势。碰撞检运动学网网信息综合测模块模块分析模块络络通通动力学自动裁行为决策略库模块判模块策模块信信模模显示基本动作及模块服务器块块客服机路径规划图1-2仿真系统环境1.软件平台结构软件平台由服务器和客户机组成，2个部分之间通过通讯网络联接,见图1-3所示。8足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验图1-3客户机和服务器的基本结构2.服务器的任务接收客户端发送来的机器人控制字,根据动力学运动学模型计算出机器人的速度、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)碰撞检测模块主要完成机器人、球及墙壁之间的碰撞检测。(3)动力学模块根据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。(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,可以裁决自由球、点球等。(5)显示模块显示比赛过程及比赛时间、结果及裁判判罚情况等。(6)网络通信模块采用UDP/IP协议,负责服务器与客户端的通讯。3.客户机的任务接收服务器发送过来的机器人的位置、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发送给服务器在本软件平台中,1个机器人对应于1个客户机。(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UDP/IP协议进行的通讯,以及出现错误时的解决机制。9足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验(2)信息综合分析模块分析由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能接受的对应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由策略驱动下的基本动作,如踢球及射门等预先编好的,由机器人足球队员执行的不可分解的动作。(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。1.3.2RoboCup仿真平台图1-4RoboCup仿真10足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验RoboCup仿真比赛是在一个标准的计算机环境内进行的。比赛由RoboCup委员会提供标准的服务器系统，各参赛队设计各自的客户程序(Client)，模拟实际足球队员参加比赛。比赛以客户/服务器方式进行，服务器，即Soccerserver，提供了一个虚拟场地，并对比赛双方的全部队员和足球的移动进行仿真;客户程序，相当于球员的大脑，指挥球员的运动。服务器和客户端之间的通信是通过UDP/IP协议进行的。所以，竞赛者可以使用支持UDP/IP的任何操作系统。Soccerserver是一个允许竞赛者使用各种程序语言进行仿真足球比赛的系统。它提供了一个虚拟场地，并对比赛双方的全部队员和足球的移动进行仿真。一个Client相当于一个智能体Agent，作为球员的大脑指挥球员的行为。Server和Client之间的通信是通过UDP/IP协议进行的，竞赛者可以使用支持UDP/IP的任何程序系统。Client发送指令去控制相应的队员，同时从Server接受队员的感知信息。每个Client模块只允许控制一名球员，Client之间不允许直接进行通信，Client之间的通讯必须通过Soccerserver来进行。竞赛者同时运行与比赛球员数目相等的Client。Soccerserver包含Soccerserver和Soccermonitor，Soccerserver的工作主要是仿真足球和队员的移动、与客户进行通信、按照一定的规则控制比赛的进程，Soccermonitor则负责利用Window(或Windows2003)系统在电脑屏幕中显示虚拟场地和现场情况。RoboCup仿真比赛的系统组成如图1-5所示。RoboCup仿真比赛系统构成: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Soccerserver系统，各机器人足球队开发自己的Client系统，模拟真实机器人参加足球比赛。11足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验UDP/IPSoccerServerUDP/IPClient1Client1UDP/IPUDP/IPUDP/IPClientNSoccerMonitorClientNTeamTeam图1-5RoboCup仿真系统组成机器人足球仿真系统采用Client/Server结构，Server和Client在同一个局域网中，它们之间通过网络通讯交换信息。如图1-5。(l)Soccerserver(服务器)服务器是整个RoboCup仿真系统的核心4，它是一个轻量简洁的程序，对系统的性能要求很低，可以运行在诸如SunOS、SolariS，Linux，Windows等多种操作系统上。服务器是控制处理的核心，在后台运行并完成各种信息的处理，它通过UDP/IP协议与客户程序连接。RoboCup即仿真系统所使用的Soccerserver系统结构如图1-6所示:图1-6SoccerServer结构图12足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验Server是能使不同的球队进行足球比赛的系统，因为比赛是以Client/Server方式进行的，所以对球队的开发编译没有任何限制。仅要求球队的开发工具提供通过UDP/IP连接的Client/Server支持。这是因为Server和每个Client之间的通讯都是通过UDP/IP端口实现的。每个Client都是独立的进程，通过给定的端口和Server连接。一支球队可以有最多11个Client(或者说是球员)。当球员和Server连接上后，所有的信息都通过这个端口传递。球员发送他们下一步要做的动作请求给Server(如踢球kick，转身turn，跑run等)。server接收到这些消息后，执行请求，并相应的更新环境。另外，Server向所有的球员提供感知sensory信息(如关于足球，球门和其他球员的位置可视信息)。还有相当重要的一点，server是一个以离散的时间间隔(或周期)工作的实时系统。每个时间周期都有确定的分时，为了在某个周期执行，动作必须在正确的间隔到达Server。因此，缓慢的反应会对球队的性能产生很大的影响，它会造成丢失执行动作的机会。为了与人类足球相符合，球员的感知和行动是异步的。这与大部分人工智能方面的系统是不一样的，通常系统的感知和行动都是同步的:感知信息、行动、感知结果、再行动，就这样直到达到目标。如图1-7所示，Server提供了分离行动模型。中间的粗线表示Server的时间，上面和下面分别是两个不同球员的时间，从Server到Client的虚线箭头表示Server传给球员的感知信息，从Client到Server的箭头是球员发给Server的行动命令。从图中可以看出，Server并不立即执行每个球员的行动，而是到一个周期结束时才一起执行他们的行动。如果一个球员在一个周期内发送了多个行动，Server随机选择一个来实现(如t+2周期的球员l)，如果球员没有发送行动命令(如t+2周期的球员l)，就像真实的足球运动员在发呆一样，对手就会有很好的进攻机会。从图中也可以看出感知信息也是异步的。图1-7Server的分离行动模型13足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验(2)Monitor(监视器)Monitor是一个可视化的工具，允许人们观看比赛时Serve:到底发生了什么事情。在Monitor上显示的信息包括比分，球队名字，所有球员和足球的位置。Monitor也提供了一个很简单的Server接口。1.3.3NewNEU轮式足球机器人3D仿真平台图1-8NewNEU轮式足球机器人3D仿真平台NewNEU轮式足球机器人3D仿真平台5是基于MicrosoftRoboticsStudioSDK1.5开发的，充分利用了开发平台提供的仿真引擎服务。MicrosoftRoboticsStudio是支持很多机器人硬件平台的Windows机器人开发环境，包括一个轻量级的REST模式的、面向服务的运行时以及一系列可视化的组件和仿真工具。MicrosoftRoboticsStudio运行时同时支持.NET框架和精简.NET框架。运行时由CCR和DSS两个主要的组件构成，方便用户编译、监视、发布以及根据需要构建各种各样的应用程序。CCR:并发和协调运行时(ConcurrencyandCoordinationRuntime，CCR)提供一个高度并发的、面向消息的编程模型，利用强大的消息组织机制替代了锁定、信号量等线程操作。CCR通过提供管理异步操作、处理并发、并行硬件管理以及14足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验处理部分错误的编程模型来实现面向服务的应用程序，使得设计低耦合的软件模块和组件成为可能。因此，各模块可以独立的开发并且不需要对它们的运行时环境和其他组件进行过多的假定。这样就不需要在程序设计一开始就考虑处理并发、错误和冲突的机制。它是整个开发平台的核心运行时。DSS:分布式系统软件(DecentralizedSystemServices，DSS)提供了一个轻量级的面向服务的应用程序模型，融合了传统网络架构的主要特性和一部分网络服务的架构的特性。DSS定义的应用程序模型包括服务状态以及针对服务状态的一系列操作，并且能过提供结构化数据操作、事件通知和构成服务扩展功能(结构图如图1-9)。DSS的主要目标是提高简单性、互操作性和低耦合性。这使得它特别适合于创建由服务构成的应用程序，而不用考虑服务是运行在同一个节点上的还是在网络上的。因此，基于DSS的应用程序具有很大的灵活性。DSS使用HTTP和DSSP作为服务交互的基础。DSSP(DecentralizedSoftwareServicesProtocol)是一个轻量级的基于SOAP的协议，对结构化数据操作和事件驱动模型提供了很好的支持。DSSP实现对服务的管理和订阅并且提供一个简单的状态驱动的应用程序模型。DSS运行时使用维护运行时环境的方式来管理服务，而且它还提供了像创建服务、登录服务、调试、安全相关以及监视等一系列基础服务。它是基于CCR核心运行时开发的。图1-9服务结构图15足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验仿真平台的结构：NewNEU轮式足球机器人3D仿真平台由三个基本的服务构成，运行在一个DSS结点上，DSS结点是服务的装载环境，为服务的创建和删除的提供了支持。三个服务通过传递消息实现通讯。NewNEU轮式足球机器人3D仿真平台的架构图见图1-10。DSS节点（服务运行环境）仿真引擎服务NewNEU仿真服AGEIA消息XNA游戏自动裁判模块PhysX物渲染引擎理引擎回放模块人机界面服务时序控制模块消息2D全景视图模机器人测试模块决策模块比赛设置模块状态显示模块BlueTeamYellowTeam决策文件决策文件图1-10仿真平台的基本框架仿真引擎服务：仿真引擎服务是MicrosoftRoboticsStudio提供的一个标准服务之一，主要负责渲染实体同时处理物理引擎的仿真时间，它跟踪整个仿真环境的状态并且提供为仿真提供访问前端。仿真引擎服务的主要功能是维护可视化的仿真环境，它以物理引擎和渲染引擎为基础。物理引擎：MicrosoftRoboticsStudioSDK采用Ageia公司的AgeiaPhysX作为物理引擎。PhysX技术现已遍布PC、PS3、Xbox360、Wii等各大平台，广泛应用16足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验在科研和游戏领域。AgeiaPhysX严格的实体动态模型具有很高的仿真度，充分体现了坐标系统、位置、速度、加速度、动量、力、旋转运动、能量、摩擦、冲激力、碰撞、限制等物理理念。碰撞检测完全，碰撞处理准确6，完全没有以前二维模拟平台中经常出现的机器人叠加、卡死等现象，保证了物理实体的物理仿真度。渲染引擎：MicrosoftRoboticsStudioSDK的渲染引擎是基于微软XNA框架建立的。渲染引擎根据3D顶点模型构建渲染实体，并实时渲染，使仿真环境呈现完全真实的视觉效果。决策模块：决策模块主要功能是调用外部的决策文件(DLL)实现决策控制。在实时采集仿真环境中足球机器人和足球的位姿信息后，调用决策文件，用返回的控制量控制足球机器人比赛。NewNEU仿真服务是NewNEU轮式足球机器人3D仿真平台的主运行服务，主要功能是仿真引擎服务和人机交互服务的消息处理、维护仿真环境的状态、保证比赛的时序和逻辑等。NewNEU仿真服务主要包括以下模块：自动裁判模块：自动裁判模块根据仿真环境中的实时状态数据，依据比赛规则裁定简单的犯规，裁决进球等。回放模块：回放模块主要功能是实现实时在线回放。反复再现比赛情况，使裁判有充分时间观察某一段时间的比赛，最大限度地保证比赛公平合理地进行，同时也可以多次欣赏比赛的精彩瞬间7。时序控制模块：时序控制模块主要功能是保障比赛高效有序的运行。控制比赛的运行，停止以及适时调用自动裁判模块处理复杂的情况。决策模块：决策模块主要功能是调用外部的决策文件(DLL)实现决策控制。在实时采集仿真环境中足球机器人和足球的位姿信息后，调用决策文件，用返回的控制量控制足球机器人比赛。人机交互服务是足球机器人仿真平台的主控制服务，主要功能是显示比赛的运行情况、设置比赛的相关参数以及足球机器人的测试等。人机交互服务主要包括以下模块：2D全景视图模块：2D全景视图模块根据比赛的状态数据，同步显示平面的比赛示意图，使用户能够以全局和队形的角度去观看比赛。机器人测试模块：机器人测试模块主要是实现足球机器人运动测试，保证每17足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验个足球机器人能够响应控制指令，同时也可以用来调节控制参数。NewNEU轮式足球机器人3D仿真平台支持手柄控制。比赛设置模块：比赛设置模块实现对比赛的时间、比赛模式等自定义设置。同时为犯规等特殊情况提供开球方式的选择，NewNEU轮式足球机器人3D仿真平台支持手动设置队形。状态显示模块：状态显示模块将比赛运行时间、比分以及比赛状态等显示在控制面板中。NewNEU轮式足球机器人3D仿真平台现在具备的主要功能有：3D/2D实时显示、4s实时回放、裁判逻辑、人机交互等。在开发过程中预留的开发接口使得仿真平台具有很好的可扩展性，待扩展的高级功能有：智能裁判：仿真比赛的速度比较快的,而现在并没有像现实足球比赛中的专职的国际裁判,智能裁判功能能够减少需要人工判断的情况，降低人的干预，有效的防止误判和错判的情况发生,使比赛更公平合理。比赛录像：记录整场比赛的过程能够方便比赛双方根据需要回放比赛，更好的分析决策，从而改进算法的缺陷。自动开球：在仿真比赛的过程中，在进球或者违规之后都要开球，因此需要人工重新放置足球机器人。人工方式不仅浪费时间而且准确性不够，利用决策文件自动形成开球阵形将是比较好的方法。动态加载决策DLL：在不重新启动仿真环境的情况下,能够根据需要实时更换决策DLL，方便用户操作与决策效果比较8。Matlab实时引擎支持：使仿真环境能够与Matlab高级语言进行实时动态数据交互，充分发挥Matlab科学计算和算法开发的优越性，将Matlab数据分析与仿真集成到仿真环境中。Hardwareintheloop仿真：建立仿真环境中实体对象与真实比赛中物理实体一一对应关系，使得对其中一方的操作能够对另一方产生相同的作用，建立环境与现实环境的联系。1.4机器人足球系统决策模型决策系统是机器人足球系统核心，是仿真机器人足球系统研究重点。通常决18足球机器人3D仿真比赛策略设计及实验策系统采用分层结构模型，不同分层标准，对应不同决策模型。东北大学机器人足球队在1998年提出了四层决策模型。后来东北大学徐心和教授依据决策流程进行分层的模型提出六层推理模型9;彭晓君等人以决策权力大小为分层标准提出了三层决策模型10。六层推理模型以逐步推进的方式，将最初信息获取一直到最终动作输出的过程所需实现的各步骤进行详细描述;而三层决策系统着重于对多智能体架构的研究。本质上这两种模型并不冲突。需要注意的是在此描述的决策模型是对整体策略的一种把握，而一般提到策略这一词时，即可以说是对整体的决策进行描述，也可以说是对决策模型中某些层次的具体决策进行描述。当前许多学者对决策模型的研究本质上是六层推理模型的细化，即只是针对六层推理模型中的某些层次进行研究。1.4.1四层决策结构其中心思想是将足球机器人的决策过程分为四个层次:信息预处理层、角色分配层、动作分配层，动作实现层等四个层次。其中，信息预处理层对传感器信息进行必要处理;角色分配层按照角色分配评判指标进行角色的切换;动作分配层为角色选择适当的动作:动作实现层实现轨迹规划、轨迹跟踪完成机器人动作，输出场上各机器人的左右轮速度。实际上这种决策结构是一种简化的结构。在该结构中，足球机器人角色的个数、重要性和排序等都是固定的，所以简化了问题。角色分配层通过决策库来实现对赛场形势的分析，所以在角色分配之前有一个赛场状态分析层这个隐含的层次。机器人动作选择就是根据每个角色的定义中的一些规则来为每个机器人选择合适的动作，实际上是一个查询角色库的内容的过程(如果把角色及其内容封装在一个角色库中的话。)所以综合上面的讨论，四层决策结构的运作