足球机器人智能决策系统设计实现

1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET. 本本文由lliucchenntc贡贡献 ppdf文文档可能能在WAAP端浏浏览体验验不佳。建建议您优优先选择择TXTT，或下下载源文文件到本本机查看看。 维维普资讯讯 htttp:/ 第第 卷 第第 期期 北北 京 机 械械 工 业 学学 院 学 报报 年年 月 文文 章 编 号号 ： （ ） 足足 球 机 器器 人 智 能能 决 策 系系 统 设 计计 实 现 南南建 辉辉 ， 贾永 乐 （ 京机 械工 业学 院 北北 计 算机 及 自自动化系系 北 京

2、京 ） 摘摘 要要 ： 球 机机 器 人 系系统 为为 人 工 智智 能 特 别别 是 多 智智 能体体 的研研 究提提 供 了一 个 标标 足足 准准 的 试 验验 平 台 。 系统 的 核核 心 是 “ ” 决 策 系系 统 ； 分分 层 递 阶阶 决 策 的的 基 础 上上 ， 取 模模 块 脑 即 在在 采 化化设 计计 ； 细 介介 绍 了决 策 系系统 各各 个 模 块块 包括括 视 觉模 块 、 策模 块 和和 控 制 模模 块 等 ， 提 详 决决 并 出出 了一一 系列列 新 的 实实现 方方 法 。 关关 键键 词词 ： 球 机机 器 人 ； 能 决 策策 ； 块 足 智智

3、 模 文献 标识码码 ： 中中图 分分 类 号 ： 机机 器 人 足足 球 比赛 兴 起起 于 年 代代 。 是 自自动 化化 及 机 器器 人 领 域域 最 具 有有前 瞻瞻性 的的 研 究 之之 一 。 足足 它它 球球 机 器 人人 系统统 是 一 个个 典 型 的的 多智智 能 体 系系 统 和 分分 布 式 人人 工智智 能 系 统统 ， 及 机机 器 人 学学 、 算 机机 视 觉 涉 计计 和模模 式 识 别别 、 智 能能体 系系统 、 工 神神 经 网络 等 领领 域 。 而而 且 它 为为 人 工 智智 能理理 论 研 究究 及 多 种种 技 术 的的 多多 人 集 成成应

4、 用用 提 供 了了 良好好 的实实 验 平 台台 【 。 】 由于 上 述述 特 征 。 足球 机 器器 人 研 究究受 到到 国 内外 广 泛泛 关 注 。 目前 比 较较 有 影 响响 的 足 球球 机 器 人人 比 赛赛 组 织 有有 （ 器器 人 足 球球 世 界 杯杯 ） （ 机机 和 。 ） 分别 由 日日本和韩韩 国的的学者发发起 。 的 比比赛。 目目前分为为 组组 ： 真组 、 、 仿仿 组 组 和 有有 腿 机 器器 人 组 。 近近 年 来 ， 于 足足 球 机 器器 人 的研 究 在在 国 内发 展 较较 快 ， 其其 是 关 尤尤 组 的的 器 人 组组 ； 机 而

5、 组 只 是是 从 年年 以来来 才 开 始始 普 及 ， 进 行行 的 一 般般 都 是 仿仿 真 组 的的 比赛赛 关 且且 有 实实 际机机 器 人 组组 的 比赛 年 才 开开 始 在 上上 海 进 行行 了 第 一一 次 比赛 。 本 文 在在 分 层 递递 阶 控 制制 系统统 基 础 上上 。 新 对对 决 策 进进 行 分 层层 ； 且 在在 具 体 实实 现 过 程程 中 实 的 重 并并 现 了程 序 模模 块 化 。 加 了了系 统统 的 可 靠靠性 。 低 了了 系 统 开开 发 的 难难 度 。 增增 降 足 球 机机 器 人 系系 统 结 构构 足足球 机机 器 人

6、 系系 统 是 一一 个 相 当当 复 杂 的的 控控 制 系 统统 。 的的 组组 足 球 机机 器 人人 系 统 。 般 可可 分 为 部 分分 。 觉 系系 统 、 一一 视 智智能决 策系 统、 线通 讯 系系统 和和机 器器 人 无 小 车车 系 统 ? 引引 图图 所所 示 。 ? 如如 从从 控 制 的的 角 度 看看 （ 图 。 觉 系系 如如 ）视视 统统 可 以看 作 整整 个 系统 的输 入 反反 馈 部 分分 ； 图图 足球 机器 人系统统 收收稿 日日期 ： 作作者简介介 ： 建辉 （ 一一） 男男。 南南 。 山西运运 城人人 北京 机搬 工 业业学院 计算机机 及

7、 自动化化 系硕硕士研 究生。 主要从从 事智智 能 控制 在 自自动化 中中的应 用方 面的 研究 。 维维普资讯讯 第第 期期 南南 建 辉 等等 ： 球 机机 器 人 智智 能 决 策策 系 统 设设 计 实 现现 足足 机机 器 人 是是 整 个 系系 统 的 “ 行 机 构构 ” 智 能 决决 策 控 制制 系统统 就 是 足足 球 机 器器 人 系统 的控 制 器器 部 分 ； 以 执 ； 可可 看 出 决决 策 部 分分 是 控 制制 系 统 的的决 定定 因 素 。 智 能 决决 策 系统 智 能能 决 策 控控 制 系 统统 结 构 如如 图 所 示 ， 能 决决 策 控 制

8、制 智智 系统统 可 分 成成 部部 分 ， 觉觉 模 块 ， 视 决决 策策 模 块 和和 控 制 模模 块 ， 控控 制 模 块块 而而 又可可 以分分 为 路 径径 规 划 模模 块 和 无无 线 通 讯模 块 。 视视 觉 模 块块 从 视 觉觉 系统统 中 得 到到 图图 智智能决策策控制系系统结构构图 原原 始 数据 ， 括括 两 队 机机 器 人 和和 球 的 位位 置 坐 标标 ， 向角 ， 度度 以 及 各各 种 状 态态数 据据 等 ； 始始 数 据 经经 过 包 朝 速速 原 卡卡 尔 曼滤 波 之之 后 ， 线线 性 预 测测 法 预 测测 下 一 步步 机 器 人人

9、、 的 位位 置 ， 度度 等 ； 波波 后 的 数数 据 和 预预 测 的 用 球球 速 滤 数数 据 作 为为决 策策 模 块 的的输 入入 ， 过 分分 析这这 些 数 据据 ， 断 场场 上 状 态态 ， 而 决决 定 各 个个 机 器 人人 的 动 作作 、 通通 判 进 目目 标标 点 及速 度 等等 。 路 径径 规 划 模模 块 根 据据 决 策 系系统 做做 出的的 判 断 ， 划 路路 径 ， 算算 各 个 机机 器 人 的的期 望望 速 规 计 度度 ， 后 由由 无 线通 讯 模模 块 通 过过 通 讯 系系 统 传 递递 给 场 上上 机 器 人人 。 最 视视 觉

10、模 块块 由于于 足 球 机机 器 人 系系 统 实 时时性 要要 求较较 高 ， 求求 图 像 辨辨 识 速 度度 达 到 每每 秒 要要 帧帧 以 上 。 别 是是 由 特 于 比比赛 场场 地 灯 光光 不 均 匀匀 ， 以误 辨 识识 和 噪声 不 可可 避 免 。 例 如如 于于 误 辨 识识 引 起 辨辨 识 出来 的 机机 器 所 由 人人的数据据发生 位置跳跳变等 。 为 了更 好 地地 控 制 机机 器 人 ， 用 扩扩 展 滤滤 波 法 ? 进进 行 滤 波波 ， 滤 波波 采采 】 法法 如 下 。问问 题 可 以以 归 结 为为 ： 已知 观 测测 向量量 ， ， 求

11、均 方方 意 义 下下 的 最 优优 估 计 ， ， ， 的的 系 统统方程和和观测 向量的的观测方方程 式式可以表表示为 ： ： （ ， 一一 ） ” （） （ ， ） （ ， 是 第 步 时时 的 观 测测 值 ， 是 步 时时 的 输入 ， 和和 是是 期 望 为为 的的高 斯斯 白噪噪 声 ， 协协 方 差 “ 叫 其 分分 别 为 和 。 在 下下 面 的讨 论 中中 二 表 示示 的的 状 态估 计 值值 。扩扩 展 滤 波 法法 具 体 操操 作作起来分分为两 步进行行 ： 根根 据 系 统统 动 态 模模 型更更 新 状 态态估 计计 值 及其 协方 差 （ 一 ， “ ， ）

12、 一一 一一 （） 一 一 二二 是 的 协 方方 差 ， 和 是 第 步 厂厂（ ） 于 状状 态估估 计 及 噪噪 声 序 列列 叫的 雅雅 可 比行 列 式式 。 ?关 （ ） 一（ （ ， ） ） （） 把把 实 际 系系 统 的 观观 测值值 复 合 到到 状 态 估估 计 中 （ 一 ） 是是 第 步 （ ） 于于 状 态观 测 和和 噪声声 序 列 的 雅雅 可 比行 列 式式 。 ?关 维维普资讯讯 北北 京 机 械械 工 业 学学 院 学 报报 第第 卷 通通 过 设 置置 不 同 的的 状 态 变变 量 。 以以分 别别 用 上 述述 公 式 对对 有 关 机机 器 人 和

13、和 球 的 数数 据 分 别别 进 行 滤滤 波 可 估计 。数 据 进进 行 滤 波波 后 。 单单 地 用 线线 性 预 测测 法 预 测测 下 一 帧帧 机 器 人人 和 球 的的 位 置 信信 息 和 速速 度 信 息息 简简 等等。 决 策策 模 块 决决 策 模 块块 完 成 文文 献 层 结 构构 决 策 中 协 调调 层 和 运运 动 规 划划 层 的 任任 务 。决 策 模模 块 根 据 场场 上 形 势势 （ 球 方方 。 分 等等 ） 取 不不 同 的 控 比比 采 模 式式 。 攻 模模 式 还 是是 防 守 模模 式 。 且且 根 据 模模 进进 并 式式采 取取 不

14、 同 的的 阵 形 。 后 动动 态 分 配配 角 色 。 然 前前 锋 、 卫卫 、 门 员员 分 别 采采 取 不 同同 的 控 制制 策 后 守 略略 。通通 用 的 机机 器 人 控控 制 流 程程 图 可 以以 简单单 描 述述 如图图 所所 示 。 控控 制 模 块块 图图 机机器人选选择动作作流程图图 控控 制 模 块块 包 括 个 子子 模 块 。 径 规规划 和和 无 线 通通 讯 。 路路径 规规划 根根 据 决 策策 模 块 的的输 出出 。 划 机机 路路 规 器器 人动动 作 的路 径 。 无 线线 通 讯 模模 块 在路 径 规规 划 完 毕毕 后 。 每每 个 机

15、 器器 人 的 期期 望 速 度度 通 过 无无 线 通 讯讯 将将 系系统传 给 场场 上 机 器器 人 。 路 径 规规 划 模块 路路 径 规 划划 模 块 属属 于 基 本本 动 作 层层 的 内容 【 。 全全 的 路径 规 划划 控 制 【 图 所 示 。 径 规规 划 完 ? 如如 路 器器 根据据 视 觉 模模 块 的 预预 测 数 据据 以及及 决 策模 块 提提 供 的 期期 望 的位 置 和和 速 度 。 机 器器 人 的 路路 径 进 行行 规 对 划划。 图图 （） 目目标 为为 （ 。 ） 的路 径规划划 图 。 （） 虑 避避障 时时的调 整 。 时 ；考 已已知

16、 初初 始 位 置置 （ 。 ） 。 以及 目标 位置 （ 。 。 。 。 根根 据 下 列列 公 式 计计 算 个 机 器器 人 。 ， ）可 轮轮 子速速 度 。 （ （ ） 口口 号号 ） 一 （ ， ） （。 ） （ 。 ） （ ） （ ） ， （） （ ） 是是 机 器 人人 到 目标 点 （ ， ） 。 。 的方 向 。 是是 机 器 人人 的方方 向 。 是是 期 望 的的 速 度 ， 是 到到 目 维维普资讯讯 第第 期期 南南 建辉辉 等 ： 球球 机器器 人 智能决决 策 系统 设 计计 实现现 足 标标 点 的距 离 ， 是 清 除除参 数数 ， 和 是 控控 制 机 器

17、器 人 运 动动 方 向 的的 中 间 变变 量 ， 机机 器 人 绕绕 到 ， 当当 时 这 个 参参 数 保 持持 机 器 人人 到 目标 点 的的距 离离 为 见见 图 。 ， （ ） 当当规划 的路径径前面有有障碍物物时 ， 应该考考虑避 障 ； 障算算法 集集 成在在 运动动 控制制 中， 避 通通过 基基 于路路 径径 上 突然 出 现现 的 障 碍碍 物 来 调调 整 目标 的方 向 。这这 种 调 节节 如 图 （ ） 示示 。 所 如如果 目目标的方方 向太太靠近障障碍物 。方 向的调调节是 通过预预置 的的障碍物物的清除除参 数数的切线线。 由由 于于运 动动 控 制 算算

18、 法 是 连连 续 运 行行 ， 障 分分 析 一 直直 不 断 地地 重 新 规规 划 无 障障 路 径 。 避 无线通通讯模块块 无无线 通通 讯 模 块块 主 要 的的任 务务 是 把 期期 望 的 机机 器 人 速速 度 通 过过 的 口口传 送送 给 无 线线 电发发 射 板板 。最最 主要要 的 问 题题 就 是 选选 择 串 口口还 是是 并 口通 讯 ， 于 以以 下几几 个 原 因因 ， 们选 择 了了 串 口 ： 基 我 现 在 所所 用操操 作 系统 是 ， 果 用用 并 口， 须 写写 相 应 的的 驱 动 程程 序 ， 加加 了开开 发 的难 度 。 如 必必 增 串

19、 口开 发 起起 来 比并 口更 容 易易 ， 单 直直 接 。 可可 以 直 接接 使 用 系系 统 提 供供 的 简简 函 数数 ， 可 以以使 用用 也也 一一 些些 由别别 人 免 费费 提 供 的的 串 口类 【 。 】 至 于通 讯 速速 率 ， 机 提提 供 的 串串 口速速 率 完 全全可 以以满 足足 足 球 机机 器 人 系系统 的的 实 时 性性 要 求 。 总结结 多多 智 能 体体 的研研 究是是 现在在 人工工 智能能 科学学 研 究 的的 一 个 热热 点 ， 组 织 虽虽 然 没 有有 明确确 提 出 在 组组 必 须 采采 用 分 布布 式 控 制制 ， 为 了了 更 好 地地研 究究 多 智 能能 体 ， 用用 集 中视 觉 分分 布 式 控控 制 也 就就 但但 采 成 了了趋 势势 所 在 ， 原 本本 驻 留在 主 机机 上 的 决决 策 系 统统 下 载 到到 车 载