【正文】 ，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(duì)發(fā)展到 30 多個(gè)國家組織的上百支球隊(duì)。這表明機(jī)器人足球已經(jīng)受到各國的高度重視。一年一度的世界杯賽也都同時(shí)召開學(xué)術(shù)會(huì)議，推動(dòng)相關(guān)學(xué)術(shù)的進(jìn)展。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 。 (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(yùn)行。 決策子系統(tǒng)面對(duì)的是一個(gè)復(fù)雜、動(dòng)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(shí)時(shí)反應(yīng)快、適應(yīng)能力強(qiáng)、智能度高等幾方面的要求。模糊變換如圖 ，若輸入為 A，則可經(jīng)運(yùn)算，求得模糊輸出 B[11]。 （ 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(duì)位置，決定運(yùn)動(dòng)員應(yīng)采取的 動(dòng)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(gè)機(jī)器人應(yīng)采取的動(dòng)作。前者 模糊矢量的建立較為便捷，容易上手，但是各個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域的標(biāo)定只存在于徑向的劃分，而對(duì)于寬度方向并未增加界定，這樣的設(shè)計(jì)對(duì)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(jì)者需要考慮的問題。許多研究人員針對(duì)路徑規(guī)劃問題開展了大量的理論研究 。它的缺點(diǎn)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(duì)路徑是否最優(yōu)并未加以考察。其中， 某一個(gè)柵格范圍內(nèi)不包含任何障礙物，則稱此柵格為自由柵格 [16]；反之，稱為障礙柵格由這些柵格構(gòu)成了一個(gè)連通圖，在這個(gè)連通 圖上搜索一條從起始柵格到目標(biāo)柵格的路徑，該路徑均由自由柵格構(gòu)成，用柵格的序號(hào)來表示。但是在使用柵格法的時(shí)候，需要注意柵格的大小設(shè)計(jì)，如果選擇過大，可能會(huì)造成機(jī)器人決策的不精確，影響軌跡規(guī)劃；反之，如果柵格分得過細(xì)，又會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)存儲(chǔ)量過大，加重計(jì)算機(jī)負(fù)荷。 該方法是一種自適應(yīng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，一大特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。 通過綜合國內(nèi)外研究方案，建立四元模糊矢量模型和 軌跡規(guī)劃方案以完善相應(yīng)的策略部分。 第三章 ，決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 介紹了 Middle League SimuroSot 5vs5 仿真平臺(tái)，并且 以守門員決策系統(tǒng)為例， 運(yùn)用該仿真軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案。 江蘇大學(xué) 20xx 級(jí) 本科畢業(yè)論文 7 第二章 足球機(jī)器人系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì) 足球機(jī)器人系統(tǒng)的分類 根據(jù)感知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式和策略決策所在的位置，足球機(jī)器人系統(tǒng)可劃分為：集控式足球機(jī)器人系統(tǒng)、 集中視覺式 (半自主式 )足球機(jī)器人系統(tǒng)、分布控制式 (自主式 )足球機(jī)器人系統(tǒng) [19]。 ② 集中視覺式 (半自主式 )足球機(jī)器人系統(tǒng) 集中視覺式足球機(jī)器人系統(tǒng)是向分布式過渡的一種方案，只是將主機(jī)中的決策系統(tǒng)下 載到各機(jī)器人的單片機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的獨(dú)立決策。即全部功能環(huán)節(jié)均由機(jī)器人獨(dú)立實(shí)現(xiàn)。 在1997 年 6 月 7 日韓國大田召開了 FIRA 成立大會(huì)，通過了 FIRA 章程，選舉了領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)。 FIRA 比賽分為微型機(jī)器人足球錦標(biāo)賽（ MiroSot）、仿真機(jī)器人足球錦標(biāo)賽（ SimuroSot）和類人機(jī)器人足球錦標(biāo) 賽 (HuroSot)三種比賽項(xiàng)目，其中微型機(jī)器人世界杯足球錦標(biāo)賽是目前 FIRA 系列中歷史最悠久、影響最廣泛的比賽類別之一。比賽進(jìn)行 中操作人員是不允許接觸和控制機(jī)器人的。只是因電池容量有限，每半場為 5 分鐘，中間休息 10 分鐘。 足球機(jī)器人系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 小型足球機(jī)器人系統(tǒng)包括：視覺 系統(tǒng) 、決策 系統(tǒng) 、無線通訊 系統(tǒng) 以及機(jī)器人車體四個(gè) 組成部分 。 視覺系統(tǒng) 視覺系統(tǒng)是足球機(jī)器人的信號(hào)檢測機(jī)構(gòu)，由攝像頭、采集卡等硬件處理設(shè)備和圖像處理軟件組成。場上形勢瞬息萬變，視覺系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)每秒數(shù)十幅彩色圖像的辨識(shí)，并給出各實(shí)體精確的位姿，故視覺系統(tǒng)要求具有實(shí)時(shí) 性，精確性；除此之外由于比賽時(shí)光照不均，還可能出現(xiàn)各類色光干擾，視覺系統(tǒng)還要考慮抗干擾性 。對(duì)于幾何畸變的矯正； (3) 色標(biāo)設(shè)計(jì)與辨識(shí)算法研究； (4) 顏色模型的選擇與亮度不變性的考慮； (5) 顏色分割與特征提取算法； (6) 視覺系統(tǒng)處理信息的速度； (7) 辨識(shí)精度。還有很多和其他系統(tǒng)的接口。每個(gè) 機(jī)器人都會(huì)分配到不同的任務(wù)，并且每個(gè)戰(zhàn)術(shù)都有它的應(yīng)用條件，通過戰(zhàn)術(shù)選擇算法在比賽中決策系統(tǒng)能自適應(yīng)對(duì)手進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)選擇，對(duì)任何對(duì)手都能以最高效率進(jìn)行比賽。來自主機(jī)決策系統(tǒng)的控制命令（數(shù)字信號(hào)）通過計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào) PWM RF 發(fā)送器 R/C 接收器 PWM CPU 通信子系統(tǒng) 機(jī)器人小車 圖 無線通信過程 Flow Chart of Wireless Communication System 江蘇大學(xué) 20xx 級(jí) 本科畢業(yè)論文 12 串行口送至通信發(fā)射模塊，經(jīng)過調(diào)制后發(fā)射出去，機(jī)器人的通信接收模塊接收命令并解調(diào)后傳送給車載微處理器進(jìn)一步處理，以決定機(jī)器人的行為 [26]。 機(jī)器人 小車系統(tǒng) 機(jī)器人車體可分為機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電路控制兩個(gè)部分，機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要功能是機(jī)械傳動(dòng)和運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，是足球機(jī)器人系統(tǒng)的最終執(zhí)行機(jī) 構(gòu)，其性能的好壞在一定程度上決定了比賽的勝負(fù)，所以機(jī)器人實(shí)體必須具備良好的穩(wěn)定性和靈活性，能夠快速實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、停止等基本動(dòng)作，并根據(jù)指令要求完成戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作 (帶球、射門等戰(zhàn)術(shù) )。 (2)主控制電路。用來為執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制提供反饋信息，以達(dá)到精確、有效的執(zhí)行決策指令的目的 [27]。決策子系統(tǒng)是決定整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的重要因素。本課題以該模型為指導(dǎo)思想，將策略分為了以下六個(gè)步驟 [28]： （ 1） 輸入信息預(yù)處理。 （ 3） 隊(duì)形確定與決策分配。 （ 5） 運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃。 總體設(shè)計(jì)流程 決策系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的流程圖 如圖 ： 視覺信息 信息預(yù)處理 態(tài)勢分析和 任務(wù)分解 隊(duì)形確定 角色分配 角色解釋 技術(shù)動(dòng)作 基本動(dòng)作 速度指令 視覺系統(tǒng) 路徑規(guī)劃 規(guī)則表 協(xié)調(diào)、分配 無線 傳輸 守門員 前 鋒 中 鋒 后 衛(wèi) 自由人 步進(jìn)電機(jī)控制 無線通訊系統(tǒng) 小車 系統(tǒng) 圖 決策系統(tǒng)流程圖 Flow Chart of Strategy System 江蘇大學(xué) 20xx 級(jí) 本科畢業(yè)論文 15 根據(jù)六步推理模型的建立，決策系統(tǒng)首先需要對(duì)所獲得的視覺信息進(jìn)行預(yù)處理，其中包括計(jì)算出雙方球員的速度大小和方向、球的位置以及球員之間的相對(duì)位置等。然后再從角色任務(wù)庫中調(diào)用對(duì)應(yīng)的執(zhí)行程序以完成對(duì)角色的解釋，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作分配。 機(jī)器人態(tài)勢分析 設(shè)計(jì) 人類在球場上對(duì)信息的處理通常是在模糊概念上，如遠(yuǎn)近、快慢、有利或是無利等，通過大腦權(quán)衡做出判斷。足球機(jī)器人在場地中需要了解對(duì)方球員位置，做出危險(xiǎn)判斷，采取適當(dāng)?shù)墓ナ夭呗裕c此同時(shí)，掌握我方隊(duì)員的情況，準(zhǔn)確地進(jìn)行傳球 或者配合助攻。 場地劃分 球是比賽 場上的核心，它所處的位置直接決定著每個(gè)機(jī)器人所應(yīng) 分配的角色以及執(zhí)行的動(dòng)作。因此， 此時(shí)采用陣型分配 0131（前鋒 中鋒 后衛(wèi) 守門員，下同）進(jìn)行緊密防守，減小失球率。當(dāng)球處于該區(qū)域時(shí)，我方存在略微弱勢，在不放松防御的警惕性基礎(chǔ)上增設(shè)一名前鋒，攻守兼顧，一旦防守成功便可以立即轉(zhuǎn)為進(jìn)攻模式，因此該區(qū)的陣型設(shè)置為 1121。 A5：進(jìn)攻區(qū) ，對(duì)方場地靠近球門區(qū)域的四 分之一球場區(qū)。 A6：射門區(qū) ，對(duì)方罰球區(qū)域（含球門區(qū)）所屬范圍。反之， 當(dāng) 球從 A4 向 A3 區(qū)域滾動(dòng)時(shí)，也只能當(dāng)球滾過彈性區(qū)域后陣型才發(fā)生變化，由進(jìn)攻變?yōu)榉朗亍? 為了描述場上的比賽態(tài)勢，本文將球在場地中的位置、機(jī)器人與球的 位置 關(guān)系、控球狀態(tài)、障礙信息以及球的運(yùn)動(dòng)趨勢五個(gè)集合作為狀態(tài)空間變量，用五元列表 S=(A,B,C,D,E)描述比賽態(tài)勢，進(jìn)行狀態(tài)描述，其中： A：球所在的位置；按照球場分區(qū)可以得 A∈ { A1， A2， A3， A4， A5， A6} B：控球狀態(tài)；指 該周期內(nèi)足球的控球方， B∈ {1， 0} 江蘇大學(xué) 20xx 級(jí) 本科畢業(yè)論文 18 1：表示 我方機(jī)器人控制足球； 0：表示對(duì)方機(jī)器人控制足球； C：機(jī)器人與足球的位置關(guān)系；以球?yàn)閳A心一定范圍為半徑的區(qū)域內(nèi)是否有對(duì)方球員， C∈ {1， 0} 1：表示該區(qū)域內(nèi)存在對(duì)方球員； 0：表示該區(qū)域內(nèi)沒有對(duì)方球員； D：障礙信息；在機(jī)器人和目標(biāo)點(diǎn)之間是否存在障礙物。 機(jī)器人路徑規(guī)劃設(shè)計(jì) 足球機(jī)器人當(dāng)中的角色就是指能完成特定任務(wù)的邏輯機(jī)器人，角色是通過調(diào)用機(jī)器人動(dòng)來完成任務(wù)的。路徑規(guī)劃問題可以描述成：給定一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人所處的環(huán)境，一個(gè)起始點(diǎn)和一個(gè)期望的終止點(diǎn)，機(jī)器人路徑規(guī)劃根據(jù)一定的任務(wù)要去，尋求一條連接起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)并且能避開環(huán)境中障礙物的運(yùn)動(dòng)軌跡，即最優(yōu)有效路徑。 一方面，機(jī)器人足球比賽的環(huán)境相對(duì)來說比較簡單。同時(shí)，足球機(jī)器人系統(tǒng)由多個(gè)行為主體構(gòu)成，機(jī)器人之間如何實(shí)現(xiàn)相互協(xié)作、相互配合，也成為路徑規(guī)劃中需要解決的問題。由這些柵格構(gòu)成了一個(gè)連通圖，在這個(gè)連通圖上搜索一條從起始柵格到目標(biāo)柵格的路徑，該路徑全部由全部自由柵格組成，用柵格的序號(hào)來表示。所以要合理選擇柵格的大小，并給每個(gè)柵格一個(gè)初值。機(jī)器人避障行為在系統(tǒng)中首先通過觀察其從當(dāng)前位置到目 + + + + 目標(biāo)點(diǎn) 開始點(diǎn) 圖 柵格法路徑規(guī)劃 Reference Frame Designing 江蘇大學(xué) 20xx 級(jí) 本科畢業(yè)論文 21 標(biāo)位置之間的障礙物情況，如果沒有障礙物則直接運(yùn)動(dòng)到達(dá)目標(biāo)位置；否則，就要繞過障礙物到達(dá)目標(biāo)位置，并使得到目標(biāo)位置的開銷最小 [32]。在這個(gè)勢場中，每個(gè)物體都會(huì)對(duì)其他物體產(chǎn)生引力或者斥力影響，將引力場和斥力場進(jìn)行向量疊加就構(gòu)成了路徑規(guī)劃的環(huán)境。 在柵格法進(jìn)行路徑規(guī)劃的同時(shí)結(jié)合人工勢場進(jìn)行局部避障，能夠有效地在保證最優(yōu)路徑的基礎(chǔ)上避開障礙物實(shí)現(xiàn)決策系統(tǒng)對(duì)于準(zhǔn)確性、快速性的需求。也就是說，角色需要對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行規(guī)劃，找到一條合適的路徑來達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)，而不至于犯錯(cuò)誤，例如，把球撞入自家球門、為對(duì)方的進(jìn)攻 作配合，以及和本方機(jī)器人產(chǎn)生互相推擠等錯(cuò)誤。 如圖 ，在圖 a（ 標(biāo)注全部名稱 ）所示的情況下 ，球的運(yùn)動(dòng)方向指向球門，也就是說按照 這種形勢過幾個(gè)周期球會(huì)進(jìn)入球門，此時(shí)守門員應(yīng)該運(yùn)動(dòng)到球的入球點(diǎn)位置等待接球，此入球點(diǎn)就是球的運(yùn)動(dòng)射線與球門線的交點(diǎn)。 圖（ a） 圖（ b） 圖（ c） 圖（ d） 圖 守門員策略圖 Goalkeeper Strategy 江蘇大學(xué) 20xx 級(jí) 本科畢業(yè)論文 23 前鋒 前鋒是完成射門的角色。 中鋒 中鋒在足球比賽中充當(dāng)銜接的作用。中鋒在得到對(duì)球的控制之后，將選擇帶球或是傳球以發(fā)動(dòng)本方的進(jìn)攻。后衛(wèi)的本位點(diǎn)是在距離本方球門一定距離 的球門線附近，并且應(yīng)當(dāng)隨時(shí)根據(jù)足球位置的改變而進(jìn)行角度轉(zhuǎn)動(dòng) [34]。這里設(shè)計(jì)的守門員主要采取在球門線平行移動(dòng)，主要是封堵對(duì)方的進(jìn)球角度。 守門員能 否成功防守對(duì)方的射門，一個(gè)重要的因素是守門員能夠先于球到達(dá)關(guān)鍵位進(jìn)行防守，所以，合理的選取跑位目標(biāo)點(diǎn)至關(guān)重要。守門員能夠進(jìn)行成功的防守取決于兩個(gè)條件：一是站位點(diǎn)要靠近關(guān)鍵目標(biāo)點(diǎn)， d 站位點(diǎn) 關(guān)鍵目標(biāo)點(diǎn) 最小；二是撲救時(shí)守門員行使的是最快的速度 ， V 守門員 最大。 R2 R1 K1 K2 L1 L2 L3 圖 路線站位及前鋒 球站位 Route and Vanguardgoal strategy B1 B2 K1 K2 K3 Z1 Z2 X Y L 圖 角平 分線站位法 Anglehalving Strategy T= d 站位點(diǎn) 關(guān)鍵目標(biāo)點(diǎn) V 守門員 （ 31） 江蘇大學(xué) 20xx 級(jí) 本科畢業(yè)論文 25 （ 1） 角平分線站位法 角平分線站位法的提出是為了讓守門員更快得到球，而選擇相對(duì)短的路線。如圖 所示。 如圖 所示， L1 為守門員站位線， L2 為球的運(yùn)動(dòng)路線， L3 為對(duì) 方一號(hào)前鋒與球的連線。 關(guān)鍵點(diǎn) 站位體系 以上兩種主要的防守策略各有各的優(yōu)勢，但均有不足。 如圖 所示： 通常關(guān)鍵點(diǎn)有三種選擇：一是選取角平分線站位法的目標(biāo)點(diǎn)，簡稱 為角平分線關(guān)鍵點(diǎn)；二是選取路線站位法的目標(biāo)點(diǎn)，簡 稱為路線關(guān)鍵點(diǎn)；三是選取前鋒 球站位法的目標(biāo)點(diǎn)，簡稱為前鋒 球關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)于守門員來說最重要的是合理的站位讓自己的有效撲救范圍能夠覆蓋整個(gè)球門區(qū)域，以便為次危險(xiǎn)區(qū)和主 危險(xiǎn)區(qū)的防守創(chuàng)造有利條件。 （ 2）球背離我方球門運(yùn)動(dòng)： 選取角平分線關(guān)鍵點(diǎn) 作為站位點(diǎn)。 （ 2）球以低速向我方球門運(yùn)動(dòng)：此時(shí)足球可能 只是傳中，并且容易被對(duì)方前鋒進(jìn)行補(bǔ)射，因此分為以下兩種情況進(jìn)行分別討論： 無危險(xiǎn)區(qū) 次危險(xiǎn)區(qū) 危 險(xiǎn)區(qū) 射門區(qū) 圖 場地區(qū)域劃分 Field Designing Chart 江蘇大學(xué) 20xx 級(jí) 本科畢業(yè)論文 28 。 （ 3）球背離我方球門運(yùn)動(dòng)：此時(shí)極可能是對(duì)方的射門被我方守門員擋出。由于在此之前的各階段里守門員已近根據(jù)場上態(tài)勢