【正文】 .............................. 26 ..................................................... 28 第四章 決策系統(tǒng)軟件仿真 ........................................ 29 仿真的目的和技術(shù)方法 ......................................... 29 Middle League SimuroSot 仿真平臺介紹 ......................... 29 仿真平臺綜述 ........................................... 29 仿真平臺的使用 ......................................... 31 決策系統(tǒng)仿真設(shè)計 ............................................. 33 基本動作設(shè)計 ........................................... 34 守門員關(guān)鍵點仿真設(shè)計 ................................... 38 本章小結(jié) ..................................................... 42 第五章 決策系統(tǒng)硬件搭建 ........................................ 43 足球機(jī)器人實物介紹 ........................................... 43 精簡小車配置 ........................................... 43 無線通訊部分 ........................................... 44 軌跡采樣部分 ........................................... 44 足球機(jī)器人裝配步驟 ........................................... 44 預(yù)期 實現(xiàn) 功能 ................................................. 44 本章小結(jié) ..................................................... 46 第六章 總結(jié)與心得 ............................................... 47 江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 VII 課題總結(jié) ..................................................... 47 課題展望 ..................................................... 48 致 謝 ............................................................. 49 參考文獻(xiàn) ......................................................... 50 江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 1 第一章 緒論 隨著社會科技的飛速發(fā)展，智能系統(tǒng)的出現(xiàn)成為科學(xué)發(fā)展歷史上耀眼的一筆。它是集機(jī)械、材 料、計算機(jī)、人工智能、信息處理與通訊等技術(shù)于一體，具有多學(xué)科交叉和融合的特點 [1][2]。通過機(jī)器人的相互協(xié)作來完成一些復(fù)雜的問題，取締了在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下的人工作業(yè)，同時，它強大的運算能力、通訊能力以及事物處理能力也為人們的工作生活帶來不可估量的影響。 足球機(jī)器人系統(tǒng)主要由小車系統(tǒng)、視覺子系統(tǒng)、無線通訊子系統(tǒng)以及決策子系統(tǒng)四部份組成。 決策系統(tǒng)在足球機(jī)器人的研究中占有極其重要的作用。 通過研究足球機(jī)器人決策系統(tǒng)有助于解決智能體的信息獲取、認(rèn)識建模、路徑規(guī)劃、策略學(xué)習(xí)以及反饋執(zhí)行等一系列問題 [3]。 本文 分 析了決策系統(tǒng)中態(tài)勢分析和軌跡規(guī)劃兩個環(huán)節(jié) ，總結(jié)國內(nèi)外 設(shè)計 方法， 提出相應(yīng)的改進(jìn)策略 。 同時， 針對足球比賽中極為重要的角色 —— 守門員的策略設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，通過建立站位體系和關(guān)鍵點以克服傳統(tǒng)的角平分站位法、前鋒 球站位法、中垂線法存在的缺陷。并且在最后通過 Middle League SimuroSot 5vs5仿真平臺對守門員策略進(jìn)行仿真。 此外，在運動環(huán)節(jié)上， 通過圓夢二代小車實現(xiàn)運動環(huán)節(jié)決策。 課題 研究 背景 足球機(jī)器人最初是由英屬哥倫比亞大學(xué)的 Alan Mackworth教授在其 1992年的“ On Seeing Robots”一文中提出 [4]。隨后，韓國學(xué)者金鐘煥在 1996年于 韓國高等技術(shù)研究院 （ KAIST）所在的韓國（ Daejeon）開始主辦機(jī)器人足球比賽（ Mirosot），第二年，全球十四個國家代表成立了國際機(jī)器人足球聯(lián)盟（ FIRA），決定在 FIRA的組織下每年都舉辦 MIROSOT。 從 1996年在韓國大田的 KAIST舉辦第一屆 MiroSot比賽至今， FIRA已經(jīng)舉行了十二屆世界杯比賽，足跡遍布亞洲、歐洲、美洲和大洋洲，成為各類國際機(jī)器人競賽中最具水平和影響力的賽事之一 [5]。 在 FIRA 比賽蓬勃開展的同時 ，有關(guān)機(jī)器人足球系統(tǒng)和機(jī)器人足球競賽的理論研究也取得了長足的進(jìn)步。在每一屆機(jī)器人足球世界杯比賽和地區(qū)性比賽期間，主辦者都會舉行相關(guān)的培訓(xùn)和研討會，并召開一些機(jī)器人足球?qū)ｎ}學(xué)術(shù)會議。江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 2 例如， 20xx 年在韓國召開的 20xxFIRA Robot World Congress,就錄用了來自 26個國家的 142 篇論文； 20xx 年在北京舉行的中國機(jī)器人足球大賽錄用了全國數(shù)十所高校的近百篇論文 [6]。這些論文集中介紹了與足球機(jī)器人相關(guān)的視覺系統(tǒng)、運動規(guī)劃、動作設(shè)計、策略系統(tǒng)設(shè)計等領(lǐng)域的最新研究成果。 同時，足球機(jī)器人正以一種 高技術(shù)對抗的形式贏得學(xué)術(shù)界的認(rèn)同。一些學(xué)術(shù)刊物如《 Artificial Intelligence Journal》、《 AI Magazine》、《 Applied Artificial Intelligence》、《 Advanced Robotics Journal》等都出版了機(jī)器人足球?qū)］?。在國?nèi)，機(jī)器人足球的研究近幾年來也取得長足的進(jìn)步 [9]。目前，國內(nèi)有很多大學(xué)都有了自己的 FIRA 機(jī)器人足球隊，其中包括哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）、四川大學(xué)、華中科技大學(xué)、 武漢科技大學(xué)、武漢工程大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)、西華大學(xué)等。從 1999 年開始，國內(nèi)開始組織全國性的機(jī)器人足球比賽，以及相關(guān)的學(xué)術(shù)交流活動 [7]。 目前，從機(jī)器人足球的國際發(fā)展來看，主要有以下幾個方面特點。 （ 1）發(fā)展迅速，比賽規(guī)模逐年擴(kuò)大 經(jīng)過近十年的發(fā)展， FIRA 已經(jīng)從最初參賽的 37 支代表隊發(fā)展到 30 多個國家組織的上百支球隊。 RoboCup 現(xiàn)有成員國近 40 個，參賽隊已經(jīng)從最初的 37 支代表隊發(fā)展到今天的一百多支 [8]?？梢姍C(jī)器人足球發(fā)展之迅速。 （ 2）競爭激烈，比賽水平提高很快 由于參賽隊伍多，除了 一些一流強隊外，大部分實力接近，競賽趨于激烈。這表明機(jī)器人足球已經(jīng)受到各國的高度重視。每屆世界杯賽各隊的戰(zhàn)術(shù)水平都有明顯提高，都會出現(xiàn)新穎的軟件、硬件設(shè)計和巧妙的戰(zhàn)術(shù)配合。 （ 3）得到著名期刊、國際研討會議的高度重視 機(jī)器人足球正以一種高科技對抗性的形式贏得學(xué)術(shù)界的認(rèn)同。一些學(xué)術(shù)刊物如《 The Intelligence Journal of Intelligent Automation and Soft Computer》、《 The Journal on Robotics and Autonomous System》都出版了機(jī)器人足球的專輯 [12]。一年一度的世界杯賽也都同時召開學(xué)術(shù)會議，推動相關(guān)學(xué)術(shù)的進(jìn)展。 （ 4）歐美以及韓國、日本的機(jī)器人足球水平仍然處于領(lǐng)先地位 江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 3 課題 研究 意義 機(jī)器人足球是人工智能領(lǐng)域與機(jī)器人領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究課題，是一個極富挑 戰(zhàn)性的高技術(shù)密集型項目。它涉及的主要研究領(lǐng)域有 :小車機(jī)械、機(jī)器人學(xué)、機(jī)電一體化、單片機(jī)、數(shù)據(jù)融合、精密儀器、實時數(shù)字信號處理、圖象處理與圖象識別、知識工程與專家系統(tǒng)、決策、軌跡規(guī)劃、自組織與自學(xué)習(xí)理論、多智能體協(xié)調(diào)、以及無線通訊等等 [9]。 而決策系統(tǒng)在足球機(jī)器人的 研究中占有極其重要的作用， 通過研究足球機(jī)器人決策系統(tǒng)有助于解決智能體的信息獲取、認(rèn)識建模、路徑規(guī)劃、策略學(xué)習(xí)以及反饋執(zhí)行等一系列問題。此外，除了在智能體理論方面的研究具有重要意義外，足球機(jī)器人決策系統(tǒng)的學(xué)習(xí)還有著廣闊的應(yīng)用前景 。 (1)工業(yè)應(yīng)用：將機(jī)器人足球技術(shù)中的多機(jī)器人協(xié)作應(yīng)用到生產(chǎn)自動化上，用以改造舊的企業(yè)技術(shù)或開發(fā)新型高技術(shù)產(chǎn)品。 (2)軍事應(yīng)用：將多機(jī)器人協(xié)作技術(shù)及戰(zhàn)略具體應(yīng)用到機(jī)器人部隊的協(xié)同作戰(zhàn)或救災(zāi)機(jī)器人部隊的協(xié)同救護(hù)系統(tǒng)上。 (3)體育應(yīng)用：將多機(jī)器人協(xié)作技術(shù)應(yīng)用到足球、籃球等體育團(tuán)體競技 項目中，改進(jìn)競技策略，并使體育競技超現(xiàn)代化方向發(fā)展。 (4)太空應(yīng)用：將多機(jī)器人協(xié)作技術(shù)應(yīng)用到多衛(wèi)星協(xié)調(diào)中，使衛(wèi)星更加平穩(wěn)安全運行。 綜上所述，開展足球機(jī)器人決策子系統(tǒng)的研究對于智能體結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)和工業(yè)等領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用都具有極其重要的作用。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 MiroSot足球機(jī)器人系統(tǒng)由 4個部分組成：視覺子系統(tǒng)、決策子系統(tǒng)，通信子系統(tǒng)和機(jī)器人小車子系統(tǒng)。其中，最關(guān)鍵的是決策子系統(tǒng)，它相當(dāng)于整個系統(tǒng)的“大腦”，因此決策子系統(tǒng)是整個足球機(jī)器人系統(tǒng)中研究最多的部分 [10]。 決策子系統(tǒng)面對的是一個復(fù)雜、動態(tài)、難 以得到精確模型的環(huán)境，所以決策子系統(tǒng)必須滿足實時反應(yīng)快、適應(yīng)能力強、智能度高等幾方面的要求。 主要實現(xiàn)步驟包括場地信息預(yù)處理、態(tài)勢分析、隊形確定與角色分配、軌跡規(guī)劃以及基本動作實現(xiàn)等。江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 4 其中在態(tài)勢分析部分，現(xiàn)今 主要 的實現(xiàn)方案 有以下 兩 種： （ 1） 建立模糊 變量 基于模糊關(guān)系的模糊變換是模糊控制中極為重要的運算過程。所謂模糊變換，是指給定兩個集合之間的 一 個模糊關(guān)系，據(jù)此將一個集合上的模糊子集經(jīng)運算得到另一個集合上的模糊子集的過程。模糊變換如圖 ，若輸入為 A，則可經(jīng)運算，求得模糊輸出 B[11]。 圖 模糊變換示意圖 Fuzzy Conversion Sketch Map 設(shè) R為 X*Y上的模糊關(guān)系， A是 X上的模糊子集，則可求得相應(yīng)的 B為 ： B=A*R[12]。上式就是模糊變換，結(jié)果 B實際上是模糊子集 A和模糊關(guān)系矩陣 R的合成，它把 X中的模糊集 A變?yōu)?Y上的模糊集 B，實現(xiàn)了論域的轉(zhuǎn)換。當(dāng) R表示的是某種邏輯因果關(guān)系時，模糊變換就是一種模糊推理 [13]。 （ 2）狀態(tài)空間分區(qū) 在機(jī)器人足球比賽中，球在場地中的位置及人與球的相對位置，決定運動員應(yīng)采取的 動作 ,機(jī)器人足球比賽與人類足球比賽類似，球是比賽場上的核心，它所處的位置直接決定著每個機(jī)器人應(yīng)采取的動作。 國內(nèi)外決策系統(tǒng)的設(shè)計上廣泛采用空間分區(qū)的方法 將球場劃分成為不同的區(qū)域， 如死區(qū)、緊防守區(qū)、松防守區(qū)、中場區(qū)、進(jìn)攻區(qū)。 當(dāng)球、敵方或者我方進(jìn)入不同的區(qū)域內(nèi)時計算機(jī)針對不同情況做出相應(yīng)的決策 [14]。 以上兩種態(tài)勢規(guī)劃的方法分別存在各自的優(yōu)缺點。前者 模糊矢量的建立較為便捷，容易上手，但是各個數(shù)據(jù)區(qū)域的標(biāo)定只存在于徑向的劃分，而對于寬度方向并未增加界定，這樣的設(shè)計對于最終的機(jī)器人控制具有極大的影響，怎樣進(jìn)行分區(qū)和 規(guī)則建立，是設(shè)計者需要考慮的問題。 而后者 突出了場地不同位置的特征值，但卻忽略了對于場上其他因素（例如在相同區(qū)域中對方球員的個數(shù)）對比賽的影響。 此外，為了讓機(jī)器人在掌握場上態(tài)勢的前提下準(zhǔn)確、迅速地實現(xiàn)各自角色相應(yīng)的運動路徑， 路徑規(guī)劃是移動機(jī)器人導(dǎo)航中的重要任務(wù)之一。路徑規(guī)劃問題可以描述成：給定一個移動機(jī)器人所處的環(huán)境，一個起始點和一個期望的終止點，R A B 江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 5 機(jī)器人路徑規(guī)劃根據(jù)一定的 任務(wù)要求，尋求一條連接七點和目標(biāo)點并且能避開環(huán)境中障礙物的運動軌跡，即最優(yōu)或次優(yōu)有效路徑。許多研究人員針對路徑規(guī)劃問題開展了大量的理論研究 。目前最常用的軌跡規(guī)劃方法如下： （ 1）人工勢場法 人工勢場法由 Khatib于 1986年提出的，其基本思想是構(gòu)造目標(biāo)位姿引力場和障礙物周圍的斥力場共同作用的人工勢場。 在這個構(gòu)造出的勢場中，每一個點都具有自己勢場的大小和方向， 機(jī)器人沿著合成的勢場力方向運動，繞開障礙物，向目標(biāo)點運動 [15]。人工勢場法結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可以考慮了多個障礙物的影響并允許機(jī)器人在一個連續(xù)變化的環(huán)境中自由移動。它的缺點也很明顯，人工勢場法是一種局部尋優(yōu)方法，只著眼于得到 一 條能夠避障的可行路徑，對路徑是否最優(yōu)并未加以考察。 人工勢場 的建立結(jié)構(gòu)較為簡單，使用方便，可以考慮到多個機(jī)器人和球的共同影響。但是缺點也是很明顯的，運用人工勢場法機(jī)器人最為關(guān)注的是怎樣避開障礙物，而對于路徑是否最優(yōu)并未有太多考慮，