【正文】 ，使得守門員運動路徑實現(xiàn)最優(yōu)，確保準確、快速、高效地實現(xiàn)運動。根據(jù)最短路徑原則，守門員應(yīng)該是在門前平行于門線的一條直線上進行來回運動，這樣對于守門員來說，每次撲救走的都是最短路徑，避免了轉(zhuǎn)角而浪費時間。也就是說其中關(guān)鍵的就是如何確定守門員在各種情況下的目標位置。 守門員策略改進 “一個好的守門員就是半支球隊。 后衛(wèi) 后衛(wèi)主要是進行防御策略。其主要任務(wù)是當球出現(xiàn)在本方半場的中間區(qū)域時，把球踢向?qū)Ψ桨雸?、破壞?方的傳球、對對方的中路接應(yīng)隊員進行卡位盯防。它的本位點可以是距離對方球門一定距離的某個位置，這要根據(jù)球的位置來定。在圖 b所示的情況下，球不向球門運動，此時守門員的站位應(yīng)該選擇球與球門中心的連線上，因為這一點有利于封堵對方的射門角度，并且能夠很迅速的前后移動。 障礙 目標點 v v F 引 F 斥 F 合 圖 人工勢場建立示意圖 Sketchmap of Situationdesigning 避障路徑 機器人 障礙物 目標 圖 機器人避障 示意圖 Sketchmap of Avoiding Obstacles 江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 22 守門員 守門員的職責是避免球進入本方的球門 ，如果其他 球員失去了防守能力， 那么 守門員將會成為最后一道防線， 由此可見守門員角色在比賽中 占據(jù)了舉足輕重的作用 [33]。 角色設(shè)計 每個角色都有一個本位點、目標點和它的工作區(qū)域。 如圖所示 。如圖。 （ 2）區(qū)域規(guī)劃好后，開始檢測障礙物的位置，并根據(jù)障礙物位置找到對應(yīng)柵格地圖中的 序號，并對對應(yīng)的柵格值進行修改。最后把柵格序號轉(zhuǎn)換成機器人空間實際坐標，令江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 20 機器人按照此路徑運動 [31]。 目前，在路徑規(guī)劃方面常見的包括路標法、柵格法、人工勢場法以及遺傳算法等等，結(jié)合各種算法的優(yōu)缺點，本文采 用柵格法對總體進行設(shè)計，以上提到的局部碰撞問題通過建立人工勢場加以解決。機器人在一個尺寸場地固定的環(huán)境中進行比賽，通過視覺系統(tǒng)對場地信號的獲取，機器人可以掌握整個比賽場地的數(shù)據(jù)信息， 其中包括物體的相對位置、速度矢量以及簡單的幾何形狀等，這些都給路徑規(guī)劃帶來了便利。 江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 19 移動機器人的路徑規(guī)劃問題可以總結(jié)為由 DurrantWhyte H F 提出的三個問題： （ 1）“我現(xiàn)在何處？” （ 2）“我要往何處去？” （ 3）“應(yīng)如何到該處去？” 大多數(shù)路徑規(guī)劃系統(tǒng)由兩級規(guī) 劃組成，即局部規(guī)劃（ local planning）和全局規(guī)劃（ global planning） 。角色需要完成運動規(guī)劃，即角色每次執(zhí)行任務(wù)，通常是從當前位置運動到目標位置，這期間的運動軌跡如何是需要進行規(guī)劃的，而不是簡單的調(diào)用基本動作來完成，而且還需要考慮機器人避障。若存在的話則開啟人工勢場避障功能，否則不需要進行避障。彈性區(qū)域的增設(shè)為模式切換增加了緩沖帶，能夠有效地避免機器人過于頻繁的目標跳變。我方逼近對方球門，占據(jù)極大的主動權(quán)和進攻性，此時我方采用 2201，前鋒球員主動出擊尋求射門機會，增加命中率，中鋒協(xié)助前鋒射門，同時若射門失敗，中鋒可以立即轉(zhuǎn)為防守狀態(tài)。當球位于該部分區(qū)域時，我方具有很強的進攻性。 A4：助攻區(qū) ，對方球場中靠近中線的四分之一區(qū)域。 A2：防守區(qū) ，靠近我方的四分之一場地區(qū)域。根據(jù)敵我兩方位置關(guān)系，將球場劃分為六個區(qū) ，場地劃分示意圖如圖 所示。如何讓球員準確地感知場上局面，怎樣正確認識并且快速做出角色判斷是態(tài)勢分析的主要任務(wù)，同時也是衡量決策系統(tǒng)優(yōu)劣的一項重要指標 [29]。但是，作為足球機器人系統(tǒng)核心部分的決策子系統(tǒng)面對的是精確的數(shù)據(jù)和刻板的程序，如同盲人教練一樣需要 外界 告訴它當前的比賽情況 ，然后做出決策判斷。最后，通過路徑規(guī)劃，足球機器人根據(jù)自身角色定位來計算出最優(yōu)或次優(yōu)運動路徑，而所有的復(fù)雜運動過程都可以簡化為最基本的兩個動作（即以一定速度運動到目標點和以一定角速度轉(zhuǎn)過目標角度）來實現(xiàn)。在獲得場上信息之后計算機需要對場上隊員情況進行態(tài)勢分析，讓機器人 了解對方球員位置，做出危險判斷，采取適當?shù)墓ナ夭呗?。從效果上來看是指在哪些條件下直接運動到定點，什么江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 14 時候走曲線，哪些情況下需要避障。根據(jù) 各個隊員所在位置進行角色劃分，例如：首先確定守門員，再根據(jù)所處位置判定進攻與防守的人數(shù)比例。主要是計算各個實體之間的距離，雙方機器人和足球的速度矢量以及角速度。它極大地影響著比賽的勝負結(jié)果。 本章小結(jié) 本章 從總體上介紹了足球機器人系統(tǒng)，其中包括足球機器人分類、 FIRA 國際比賽 規(guī)則和場地規(guī)劃。用來執(zhí)行決策命令，給執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動電路發(fā)送驅(qū)動信號。機械部分主要包括行走機構(gòu)、帶球機構(gòu)和擊球機 構(gòu)；電路控制部分的功能是與無線通訊接口，接受運動控制指令，驅(qū)動和控制各機械執(zhí)行機構(gòu)。 在通信過程中，信號以無線電波的方式傳輸比較容易受到外界信號（各種噪聲及近頻帶信號）的干擾而產(chǎn)生誤差；同時由于機器人上的接收器與機器人的控制電路安排在 一起，還裝有驅(qū)動電路和電動機，電磁環(huán)境惡劣也容易受到干擾而產(chǎn)生誤差，通信過程有誤差將導(dǎo)致機器人錯誤的動作，所以要求通信系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力和可靠性。 路徑規(guī)劃的問題是機器人如何避開所有的障礙從一點走到另一點，常用算法有：基于格點的算法，遺傳算法，人工勢場法， Delaunay三角法，幾何方法，隨機擴展搜索算法等 [25]。 由于整個機器人系統(tǒng)運作過程中會產(chǎn)生信息傳遞延時，視覺信息不能真實的反映當前機器人和球的位置坐標和方向，需要對位置信息進行預(yù)測。 決策系統(tǒng) 決策系統(tǒng)是整 個比賽系統(tǒng)的核心，是連接視覺系統(tǒng)和無線通訊系統(tǒng)的重要環(huán)攝像頭 圖像采集卡A/D 轉(zhuǎn) 化 圖像識別算法 決策系統(tǒng) 圖 視覺子系統(tǒng)流程圖 Flow Chart of Vision System 江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 11 節(jié)。 視覺子系統(tǒng)的軟件流程如 圖 。每個隊有自己的顏色標識，每個隊員也有自己區(qū)分其他隊員的顏色標識。 足球機器人在比賽過程中首先通過安裝在球場上方的攝像頭攝取賽場上的信息，送至上位機進行圖像分析與識別 ；由充當教練員的決策軟件統(tǒng)一決策，形成機器人的控制命令，然后通過無線通訊的方式發(fā)送給機器人，每個足球機器人只要負責根據(jù)主機發(fā)送來的運動指令 通過電機驅(qū)動 實現(xiàn) 所 要求的動作 即可 。與人類足球的明顯不同之處在于球場四周有圍墻，所以沒有界外球，而在相持10 秒后判爭球 [22]。 比賽 每隊由五個邊長不超過 的立方體的遙控小車（機器人）組成。本論文也是基于微型機器人比賽 （ MiroSot 5vs5） 來進行決策系統(tǒng)設(shè)計的 [21]。緊接著又舉行了 MiroSot’ 97 賽事，同時召開了學(xué)術(shù)會議，引發(fā)了文集江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 8 和錄像帶，使這個新生事物揚名海外，茁壯成長 [20]。由于分別感知，攝像頭置于機器人車體之上，視場不斷變動，視野局限性較大，故信息不夠完整，給決策帶來困難；并且機器人之間的溝通需靠無線通訊網(wǎng)絡(luò)。在此系統(tǒng)中，多智能體協(xié)調(diào)問題變得突出和現(xiàn)實起來。 ① 集控式足球機器人系統(tǒng) 集控式足球機器人系統(tǒng)通過由安放在球場上放的攝像頭獲取視覺圖像，并送至主機進行圖像分析與識別，由決策系統(tǒng)統(tǒng)一決策，以廣播的形式通過無線通訊發(fā)送給本隊各機器人，機器人進而做出動作反應(yīng)。 第五章 ， 決策系統(tǒng)硬件設(shè)計 。主要介 紹 在遵循六步推理模型的基礎(chǔ)上決策系統(tǒng)總體設(shè)計方案， 其中包括 態(tài)勢分析、路徑規(guī)劃 、角色分配 等環(huán)節(jié)策略 的設(shè)計。 對于角色分配部分，以守門員為例進行策略設(shè)計。利用遺傳算法解決機器人動態(tài)環(huán)境的軌跡規(guī)劃問題，可以避免困難繁瑣的理論推導(dǎo)，直接獲取問題的最優(yōu)解。 （ 3）遺傳算法 遺 傳算法是一種人工智能方法， 在 1975年左右由美國密歇根大學(xué)的 Holland江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 6 教授研究得出。最后把柵格序號轉(zhuǎn)換成機器空間的實際坐標，令機器人按此路徑運動。 人工勢場 的建立結(jié)構(gòu)較為簡單，使用方便，可以考慮到多個機器人和球的共同影響。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)造目標位姿引力場和障礙物周圍的斥力場共同作用的人工勢場。 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。 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)、進攻區(qū)。 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]。 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。 綜上所述，開展足球機器人決策子系統(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。 (1)工業(yè)應(yīng)用：將機器人足球技術(shù)中的多機器人協(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。 （ 4）歐美以及韓國、日本的機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 機器人足球是人工智能領(lǐng)域與機器人領(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。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。 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]。目前，國內(nèi)有很多大學(xué)都有了自己的 FIRA 機器人足球隊，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。這些論文集中介紹了與足球機器人相關(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。 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，成為各類國際機器人競賽中最具水平和影響力的賽事之一 [5]。并且在最后通過 Middle League SimuroSot 5vs5仿真平臺對守門員策略進行仿真。 決策系統(tǒng)在足球機器人的研究中占有極其重要的作用。 江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 V 目 錄 第一章 緒論 ....................................................... 1 課題研究背景 .................................................. 1 課題研究意義 .................................................. 3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ................................................ 3 本課題來源及論文結(jié)構(gòu)安排 ...................................... 6 第二章 足球機器人系統(tǒng)概述 ...................................... 7 足球機器人系統(tǒng)的分類 .......................................... 7 FIRA 微型機器人比賽介紹 ....................................... 7 足球機器人系統(tǒng)介紹 ............................................ 9 視覺系統(tǒng) ............................................... 10 決策系統(tǒng) ............................................... 10 無線通信系統(tǒng) ........................................... 11 機器人小車系統(tǒng) ......................................... 12 本章小結(jié) ..................................................... 12 第三章 決策系統(tǒng)總體設(shè)計 ........................................ 13 決策系統(tǒng)設(shè)計原則 ............................................. 13 總體設(shè)計流程 ................................................. 14 機器人態(tài)勢分析設(shè)計 ........................................... 15 場地劃分 ................................