集控式微型足球机器人决策部分课件

1、 集控式微型足球机器人 决策部分 人工智能与机器人研究所 -牛牛实验室 王枫 happysnailwf 2022/7/2512022/7/2521992年，加拿大学者Alan Mackworth教授率先提出并研制了具有自主视觉和决策能力的机器人追逐足球并开展对抗.同年，在东京召开的“关于人工智能领域严重挑战学术研讨会”上，与会者经过认真的论证，共同决定开展机器人足球活动。国际机器人足球协会（FIRA）和机器人世界杯赛会（RoboCup）已经组织了各种形式的机器人足球“世界杯赛”，使得这一活动蓬勃兴起。 2022/7/253 1.仿真组比赛 RoboCup主要比赛项目2022/7/2542 中型

2、组比赛3 四腿组比赛2022/7/2554.RoboCup 类人组比赛2022/7/256FIRA比赛类型：微型组：小型组（3vs3）、中型组（5vs5）、大型组（7vs7）和改进大型组（11vs11）2022/7/2572. FIRA仿真组比赛2022/7/2582022/7/259集 控 式 系 统 概 念 图小车子系统视觉子系统决策子系统总控子系统通讯子系统2022/7/2510 一个典型的微型足球机器人系统从功能看包括:（1）视觉子系统： 视觉子系统是机器人的眼睛。它由悬挂在球场中圈上空约2米的摄像头摄取图像，送入主计算机进行分析。由于双方各有不同颜色的队标（黄色和蓝色），而机器人也有

3、不同的队员色标。这样计算机就可以通过颜色分隔来识别全部机器人与球的位置与朝向了。2022/7/2511（2）决策子系统： 装在主机中的决策子系统根据视觉系统给出的数据，应用专家系统技术，判断场上攻守态势，分配本方机器人攻守任务，决定各机器人的运动轨线，然后形成给各小车左右轮轮速的命令值。2022/7/2512（3）通讯子系统： 无线通讯子系统从主机拿到命令值，再由独立的发射装置与装在小车上的接收模块建立无线通讯联系，遥控场上各机器人的运动。2022/7/2513（4）小车子系统： 机器人小车由车架、车轮、电机、减速机、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。它可以按着主机发出的

4、命令调整左、右轮转速，以保证按预定的轨迹运动。2022/7/2514（5）总控子系统： 总控子系统不仅是人机交互接口，而且更恰当的说是整个系统的大管家，负责管理整个系统的运行状态，各个子系统的初始化，对各个子系统进行赛前测试，以及诊断系统故障，全部都通过总控子系统完成。2022/7/2515微型足球机器人系统原理图2022/7/2516 机器人决策子系统1 决策子系统的任务与特点2 决策推理模型3 队形与角色分配4 典型动作设计与安排5决策系统结构设计6 决策系统的完善与丰富7牛牛决策 函数系统2022/7/2517MiroSot 3:3比赛瞬间蓝队谁进攻合适？2022/7/2518 X Y

5、R1 72 41 193R2 71 75 167R3 4 65 360ER1 106 49 272ER2 110 84 155ER3 145 73 90B 88 71 0请回答：蓝队谁进攻合适？从视觉子系统或者仿真环境实际得到的信息2022/7/2519决策系统的形象比喻The imaginative explanationPlaygroundBlind PlayerBlind PlayerBlind PlayerObserverwith bright eyesInput matrixBlind CoachOutput matrix1 决策子系统的任务与特点2022/7/2520决策子系统的任

6、务任务就是根据当前球场上的比赛形势，做出布署，给队员发出指令，担负起教练员的职责。决策系统O=f(I)视觉系统辨识结果人机界面决策设定各机器人轮速设定值IO输出 32 矩阵 O输入 73 矩阵 I 确定函数 O = f ( I )2022/7/2521足球机器人六步推理模型1 输入信息预处理；计算有关实体速度、相对距离、角度等2 态势分析与策略选择；3 队形确定与角色分配；4 目标位置确定；5 运动轨迹规划；6 左右轮速确定。一般说来1、4、5、6 步为演绎推理，可以由数学模型计算2、3 步为产生式推理，应该由专家系统来完成2 决策推理模型2022/7/2522首先完成演绎推理1 准备好决策需

7、要的各种状 态变量函数值 条件4、5、6 作为动作安排可以 统一规划 归宿2022/7/25233 队形与角色分配队形球员在场上的相对位置关系。它是和比赛双方特点及场上形势密切相关的。它直接关系到攻守策略。足球场上的队形有4-3-3，4-4-2，3-5-2等。机器人足球车速可在2米以上，攻守转换极为神速，常常视球的位置、运动速度和方向而决定。队形多构成堵截和围攻之势。队形和角色分配密切相关。主攻或主防角色确定之后，其他队员呈配合之势。角色分配有相应准则给出。如最近、最有利等。2022/7/2524足球机器人动作设计与实现动作是比赛活动的基本单元任何精彩激烈的比赛都是由球员的一系列动作构成的动作

8、是决策子系统的最终归宿，是决策的基础和保证准确有效的动作实现，意味球员具有良好的基本技能4典型动作设计与安排2022/7/2525动作设计的目标如何从眼花缭乱的比赛中归纳提炼出有限的基础性的单元动作如何构造和设计足球机器人的动作体系、定义动作空间如何设计和实现各种动作2022/7/2526足球机器人动作特点分析各种动作都是通过机器人的线速度、角速度、位移和轨迹来实现的一切动作都是由小车的速度控制来实现的。最终都落实到小车左、右轮速的计算，都落实到VL、VR函数的设计上动作设计与实现属于机器人运动学范畴的问题，当前位姿 期望位姿动作设计的不唯一性2022/7/2527动作的层次关系基本动作Bas

9、ic Actions, BA技术动作Skilled Actions, SA组合动作(单人) Combinatorial Action, CA 战术动作(多人) Tactical Actions, TA 2022/7/2528动作空间组成示意图基本动作技术动作组合动作战术动作2022/7/2529ToPostion 到定点（停）TurnAngle转动一定角度MoveAlong向某点(或方向)作定向运动基本动作Basic Action (BA)2022/7/2530到 定 点 函 数 设 计dxdyq22dydxd+=目标点机器人机器人方向角2022/7/2531机器人运动动作示意图2022/7/

10、2532机 器 人 转 角 函 数 示 意 图q目标角机器人X轴1q2q机器人方向角2022/7/2533技术动作Skilled Action (SA)KickBall 踢球动作ShootGoal 射门TurnShoot 转身射门DefenseBall 防球（回防）BlockMan 盯人防守AvoidBound 防止碰撞边界2022/7/2534BLrRp1 p2T(切点)G圆弧射门算法示意图2022/7/25352022/7/2536中分线射门方法示意图TiT1BG2022/7/2537人工势场法射门生成的势场线示意图2022/7/2538Skilled Action (Cont.)Keep

11、Goal 守门员防守ProcessBoundBall 边界球处理ProcessCornerBall 角球处理PassBall2Pt 传球到定点AvoidObst2Pt 避障碍到定点 2022/7/2539dangerArea T2 目标点 T1 目标点 机器人 小球图中分三种情况示意机器人守门动作的目标点守 门 员 动 作 示 意 图2022/7/2540R我方机器人防 守 机 器 人 盯 人 动 作 示 意 图Home对方机器人ERRB2022/7/2541 组合动作 Combinatorial Action(CA） 组合发球包括 ：PenaltyKick （罚点球）GoalKick （罚门

12、球）FreeBall（争球）FreeKick （罚任意球）2022/7/25422022/7/25432022/7/25442022/7/25452022/7/2546战术动作Tactical Action (TA)NormalKickoff 中场开球Pass2Shoot 一传一射BL_Pass2CenterShoot 底线传中射门2022/7/2547动作函数几何关系函数集信息预处理函数状态函数状 态 函 数动 作 函 数信息预处理函数几何关系函数集相关函数集的关系2022/7/2548 简易3-3决策系统设计思想简单情况：专职守门员， MF/MG，AF/AG以我为主：只辨识我方位姿，不管对

13、方以球位为前提：从球所在区域出发，开始推理以距离为准则：按距离优先原则分配角色 （MF/MG， AF/AG）以个人技术为根本：固定角色动作映射关系， 队员间只有呼应，没有配合2022/7/25492022/7/2550右 攻 假 设 与 球 场 分 区 546312789101112YXOGOALHOMEForwardlineHomelineDanger Area2022/7/2551状态空间动作空间IO决 策 系 统 映 射 关 系2022/7/25525 决策系统结构设计视觉信息信息预处理态势分析任务分解队形确定决策层角色分配机器人管理器队形库角色库管理层角色解释技术动作基本动作执行层速度

14、指令决策系统工作流程图2022/7/25531234567891731261822101112151619272823242925301314213220场地分区图2022/7/2554队形号各机器人角色号角色名称备 注15边线推球当球在区域1时的队形38中间等球25左上(30,135)180度等球26左上(40,110)45度等球25边线推球当球在区域2时的队形38中间等球26左上(40,110)45度等球25左上(30,135)180度等球325左上(30,135)180度等球当球在区域3时的队形38中间等球28横向等球2(40,110)30横向等球4(20,90)422协助守门员当球在区

15、域4时的队形29横向等球3(40,70)28横向等球2(40,110)38中间等球队形库存放内容（部分）2022/7/2555队形号各机器人角色号角色名称备 注295边线推球当球在区域29时的队形23一传一射上射门37右下中间等球24一传一射下射门305边线推球当球在区域30时的队形37右下中间等球24一传一射下射门4下边界守候315边线推球当球在区域31时的队形35左下中间等球38中间等球14近距离下协助325边线推球当球在区域32时的队形34左上中间等球38中间等球13近距离上协助队形库存放内容（部分）2022/7/2556角色号角 色 名 称动 作 内 容0静止左右轮速度均为04下边界守

16、候调用函数BoundDefence（）避开球并在下边界等候球5边线推球调用函数BoundPushBall（）将球踢出本方门区附近6拨球出边界调用函数PushBallofBound（）将球踢向对方半场7小禁区上平行护球调用函数ParallelDefence（）在小禁区上线护球11射门调用函数Vect_MidShoot1（）执行射门动作12守门调用函数GoalieAction（）执行守门动作13近距离上协助调用函数ptWait（）在球上方或后上方协助进攻或防守14近距离下协助调用函数ptWait（）在球下方或后下方协助进攻或防守20三角进攻后侧后等球调用函数ptWait（）在球后上方或后下方等球（

17、在Y方向比球更远离球门）21扫球调用函数ClearBall（）完成扫球动作（详见该函数）22协助守门员调用函数ParallelDefence（）在小禁区线上协助守门员防守角色库存放内容（部分）2022/7/2557角色号角 色 名 称动 作 内 容25左上(30,135)180度等球调用函数ToPositionPD（）和TurnToAnglePD到定点（30，135）等球，并使机器人的角度为180度。26左上(40,110)45度等球调用函数ToPositionPD（）和TurnToAnglePD到定点（40，110）等球，并使机器人的角度为45度。28横向等球2(40,110)调用函数ToP

18、ositionPD（）和TurnToAnglePD到定点（40，110）等球，并使机器人的角度为90度。29横向等球3(40,70)调用函数ToPositionPD（）和TurnToAnglePD到定点（40，70）等球，并使机器人的角度为90度。30横向等球4(20,90)调用函数ToPositionPD（）和TurnToAnglePD到定点（20，90）等球，并使机器人的角度为90度。37右下中间等球调用函数ToPositionPD（）和TurnToAnglePD到定点（165，45）等球，并使机器人对准球。38中间等球调用函数ToPositionPD（）和TurnToAnglePD到球场

19、中点等球，并使机器人的角度为90度。角色库存放内容（部分）2022/7/2558角色库队形库视觉输入信息 预处理态势 分析任务分解队形确定队形1队形2 队形 队形n角色分配角色1 角色2 角色 角色n 机器人管理器R1R2RRn机器人动作选择机器人左右轮速三层递阶决策模型站到哪？干什么？谁上岗？做什么？执行动作2022/7/25597 决策系统的完善与丰富在比赛过程中经常会出现一些令局外人费解的现象。当两队的主攻队员顶牛僵持，而协攻队员仍然“恪尽职守”旁边观望，这时就会出现球无人问津的情况。如果规划的轨迹有一段超出边界，那么机器人就会不断地往外冲，人们会奇怪机器人怎么总撞边墙？机器人足球是人工

20、智能领域中颇具挑战性的课题，而其智能又集中体现在决策系统之中，这样机器人足球系统就会随着人工智能领域成果的不断丰富而更具有观赏魅力。2022/7/2560 Startx()函数是决策子系统的入口函数，其运行包含有以下步骤：一、信息预处理：信息的简单提取1、函数名：preprocess()2、参数入口与出口：无3、函数功能：记录前七个周期球和机器人的位置，预测球的相关信息。二、态势分析：特征状态提取没有单独作为函数，但是隐含在任务分解和队形确定中：函数名：GetAreaNo()参数入口与出口：传入：VecPosition posBall 返回：int nAreaNo3、函数功能：基于球的位置将场

21、地分为19个区。7.牛牛决策 函数系统2022/7/2561三、决策制定：制定具体决策，包括以下几部分：（一）任务分解和队形确定：从特征状态空间到策略空间的映射主函数1、主函数名：taskDecompose()2、参数入口与出口：无3、函数功能：根据球所在的区域号码判断目前比赛的模式和情况，得到我方机器人应排出的基本阵型。相关函数：函数名：formInterpret()2、参数入口与出口：无3、函数功能：对基本阵型进行解释，得出除守门员外的其余四名机器人应完成的任务。牛牛函数系统（二）角色分配：根据机器人的自身条件给各个机器人分配不同角色主函数1、主函数名：charAllot()2、参数入口与

22、出口：无3、函数功能：根据计算出来的指标，将目前阵型各个角色分配给各个机器人。相关函数：1、函数名：charInterpret()2、参数入口与出口：传入：int robotN,int charNo 返回：int* pCycle3、函数功能：计算出各个角色具体动作的完成时间或执行动作。2022/7/2562（三）机器人管理器（一）主函数1、主函数名：RobotManager()2、参数入口与出口：无3、函数功能：将上层决策决定的角色分配结果传递给每一个机器人，是机器人明确其职责，同时把上个周期的队形和角色分配结果存储起来。2022/7/25632022/7/2564（四）动作执行：根据角色分配

23、结果得到机器人的动作一致左右轮速度（一）主函数1、主函数名：actProcess()2、参数入口与出口：无3、函数功能：调用charInterpret()函数；处理如下特殊情况：当非守门员的我方队员在门区里时，立刻出门区；当我方队员在对方门区，而其又非目前队型中最重要的角色，则退出对方禁区；存储本周期的各机器人轮速备下一周期用。（二）相关函数：1 机器人基本动作函数:1.ToPositionN()函数功能：根据目标机器人的位姿和所要到的定点，应用PD算法对机器人和目标的角度偏差进行控制，速度与角度偏差成负指数关系，即偏差越大速度越小。2022/7/25652.ToPositionPD()基本思

24、想：误差消除法：根据PD算法，分别逐步将机器人与目标点之间的距离和夹角消除为0。2022/7/25663.TurnToAnglePD()参数入口与出口：传入：int nRobot double dAngle 返回：int Result函数功能：其基本思想也是PD误差消除法，将机器人与指定角度之间的误差消除为0。根据传入的小车位姿、指定角度和转动方向，快速使小车转动到指定角度。2022/7/25674.TurnToPointPD()参数入口与出口：传入：int nRobot VecPosition posTarget 返回：int Result函数功能：调用TurnToAnglePD函数使小车快

25、速转向定点。2022/7/25685.MoveToPt()参数入口与出口：传入：int nRobot,VecPosition posTarget,Double speed 返回：int Result函数功能：根据机器人于定点的位置关系，利用余弦函数法确定机器人的左右轮速，使机器人迅速到达定点，到定点时不减速2022/7/25696.ToPositionNew() 参数入口与出口：传入：int nRobot VecPosition posTarget VecPosition posBall double speed int IfEndprocess 返回：int Result函数功能：其基本思想也是误差消除法。根据传入球的信息、定点和同向