【正文】 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。 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)。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)。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]。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]。每個隊有自己的顏色標(biāo)識，每個隊員也有自己區(qū)分其他隊員的顏色標(biāo)識。 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)。 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]。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)。 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。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。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。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(biāo)點和以一定角速度轉(zhuǎn)過目標(biāo)角度）來實現(xiàn)。如何讓球員準(zhǔn)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(biāo) [29]。 A2：防守區(qū) ，靠近我方的四分之一場地區(qū)域。當(dāng)球位于該部分區(qū)域時，我方具有很強的進攻性。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(biāo)跳變。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(dāng)前位置運動到目標(biāo)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。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。最后把柵格序號轉(zhuǎn)換成機器人空間實際坐標(biāo)，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]。如圖。 角色設(shè)計 每個角色都有一個本位點、目標(biāo)點和它的工作區(qū)域。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。其主要任務(wù)是當(dāng)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。 守門員策略改進 “一個好的守門員就是半支球隊。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。主要步驟是：先做出當(dāng)前的射門三角區(qū)，然后做出射門三角區(qū)的頂角平分線，與守門員防守底線相交，將這個交點作為防守人員的目標(biāo)位置。在路線站位法中， 守門員位于足球運動軌跡 L2 和和站位線 L1 的 交 點 K1 處。 區(qū)域防守策略 根據(jù)足球在場上所處的位置，可以將球場劃分成為危險區(qū)、次危險區(qū)和安全區(qū) 。 當(dāng)球進入危險區(qū)時， 足球逼近球門，面臨著被射門的危險。足球再次向我方球門運動 的情況只可能是對方前鋒進行補射，因此，守門員選擇前鋒 球關(guān)鍵點作為站位點進行防守即可。此時的補射可能性較小，采用角平分線站位。該部分守門員的軌跡規(guī)劃可以分為兩種情況： （ 1）球 朝 向我方球門運動：此時應(yīng)該做好防守足球射門準(zhǔn)備，同時需要考慮對方前鋒補射的情況，因此，選取路線關(guān)鍵點與前鋒 球關(guān)鍵點的中間點作為站位點。每種站位方法得到的站位點定義為關(guān)鍵點，在不同的時刻、不同的情況下，守門員應(yīng)該定位于不同的關(guān)鍵點。 （ 2） 路線站位法 路線 站位法是通過上位機對場上足球和雙方機器人的運動方向進行軌跡追蹤處理，計算出足球的運動方程 。然而 以上三 種站法都存在一定的不足，現(xiàn)針對 上述 傳統(tǒng)的防守策略進行 簡要 分析。一旦球進入到守門員江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 24 的工作區(qū)域中，守門員就開始根據(jù)球的位置和運動情況調(diào)整自身的位置來阻止球進入本方球門。此外，當(dāng)球出現(xiàn)在本方半場的靠近兩邊的區(qū)域時，應(yīng)該把球踢向?qū)Ψ桨雸龊头乐箤Ψ綑C器人的下底傳中進攻。前鋒隊員在前場調(diào)用射門動作來完成它的角色任務(wù)。一旦球進入到守門員的工作區(qū)域中，守門員就開始根據(jù)球的位置和運動情況調(diào)整自身的位置來阻止球進入本方球門。 在接近于障礙物時 斥力增大， 使物體繞過障礙物繼續(xù)朝向目標(biāo)運動， 避免物體與障礙物 相撞。 人工勢場法解決局部避障 機器人路徑規(guī)劃中， 機器人應(yīng)該盡量避免碰撞，一方面這是為了使得策略運用到事物機器人的實際性；另一方面也是為了能使角色在最短的時間內(nèi)有效地到達目標(biāo)位置完成任務(wù)。若某一柵格范圍內(nèi)不包含任何障礙物，則稱此柵格為自由柵格；反之則稱為障礙柵格。 機器人在運動規(guī)劃和控制問題上具有典型性，同時，足球比賽這種應(yīng)用環(huán)境也使得機器人的路徑規(guī)劃具有鮮明的特點。 E∈ {1， 0} 1：表示球的運動方向朝 向我方半場； 0：表示球的運動方向背離我方半場； 在決策過程中，球的運動趨勢是以預(yù)測球的位置的形式加以考慮的，基于上述模糊變量集合的定義，可以很好地描述場地態(tài)勢；集合 S 可以描述 N=6 24=96種狀態(tài)，針對每一種狀態(tài) 建立不同的狀態(tài) 動作映射關(guān)系 就可以實現(xiàn)場地態(tài)勢的分析和反饋。因此，在場地劃分時每兩個相鄰區(qū)域之間分界線出增設(shè) 10cm 的彈性區(qū)域，例如球從 A3 助防區(qū) 向 A4 助攻區(qū) 滾動時，若球處于彈性區(qū)域中，則我方仍然保持助防陣型不變，只有當(dāng)足球越過彈性區(qū)域后，我方才轉(zhuǎn)變?yōu)橹リ囆?。與此同時，在我方球場區(qū)域仍然保留一名后衛(wèi)進行防守。 當(dāng)足球處于該區(qū)域內(nèi)時，我方受到極大的威脅，對方前鋒很有可能射門進球，除了守門員進行防守以外，我方需要增加防守力度。 所謂的態(tài)勢分析是指機器人如何識別和分析場上局面的方法。在隊形確立后，計算機需要對各個隊員進行不同 的角色任務(wù)分配，賦予各自的角色屬性。每一個復(fù)雜的動作都是由很多個基本動作組合而成，基本動作包括定點（以一定速度運動到某點）和轉(zhuǎn)角（以一定角速度轉(zhuǎn)過既定角度）?；诿と私叹毜乃季S過程，東北大學(xué)徐心和教授提出了六步推理模型，在機器人決策系統(tǒng)設(shè)計中被廣泛使用。 (4)傳感器電路。為了提高通信質(zhì)量和通信效率，在設(shè)計通信系統(tǒng)是應(yīng)該注意通信芯片的選擇和通信協(xié)議的制定。 一段時間內(nèi)或者有一定目的的機器人隊伍整體決策稱為戰(zhàn)術(shù)，根據(jù)不同的情況采用不同的戰(zhàn)術(shù)。濾除噪聲，提高質(zhì)量； (2) 圖像恢復(fù)。 下面針對足球機器 人的各個子系統(tǒng)進行詳細介紹。比賽規(guī)則與人類足球類似，也有點球、任意球和門球，如果需要，也進行加時賽。 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。 ③ 分布控制式 (自主式 )足球機器人系統(tǒng) 自主式足球機器人系統(tǒng)中的各機器人能自主實現(xiàn)主動感知、思維決策、動作響應(yīng)等功能。 第六章 ，對本次設(shè)計進行總結(jié)并提出后續(xù)研究的展望 。介紹足球機器人的分類，以及機器人在FIRA 國際比賽和實際系統(tǒng)中的構(gòu)成。在求解過程中，算法從一個初始變量群體開始，逐代尋找問題的最優(yōu)解，直至滿足收斂判據(jù)或預(yù)先設(shè)定的迭代次數(shù)為止，屬于迭代式算法 [18]。 （ 2）柵格法 針對人工勢場的缺陷， VFH（ vector field histogram）的方法，該方法采用柵格表示環(huán)境。路徑規(guī)劃問題可以描述成：給定一個移動機器人所處的環(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。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]。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)是整個足球機器人系統(tǒng)中研究最多的部分 [10]。 而決策系統(tǒng)在足球機器人的 研究中占有極其重要的作用， 通過研究足球機器人決策系統(tǒng)有助于解決智能體的信息獲取、認識建模、路徑規(guī)劃、策略學(xué)習(xí)以及反饋執(zhí)行等一系列問題。 （ 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。一些學(xué)術(shù)刊物如《 Artificial Intelligence Journal》、《 AI Magazine》、《 Applied Artificial Intelligence》、《 Advanced Robotics Journal》等都出版了機器人足球?qū)］嫛? 課題 研究 背景 足球機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]。通過機器人的相互協(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。 最后， 設(shè)計與制作了具備 無線通訊 功能的足球 機器人。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫 3）畢業(yè)論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁以上的雙面打印 4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上 5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔 1）設(shè)計（論文） 2）附件：按照任 務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂 江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 III 摘 要 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。對本論文（設(shè)計）的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。學(xué)?？梢怨颊撐模ㄔO(shè)計）的全部或部分內(nèi)容。因此，決策系統(tǒng)的研究在多機器人、多智能體領(lǐng)域具有十分重要的意義。 Situation analyzing。 通過研究足球機器人決策系統(tǒng)有助于解決智能體的信息獲取、認識建模、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]。 在 FIRA 比賽蓬勃開展的同時 ，有關(guān)機器人足球系統(tǒng)和機器人足球競賽的理論研究也取得了長足的進步。從 1999 年開始，國內(nèi)開始組織全國性的機器人足球比賽，以及相關(guān)的學(xué)術(shù)交流活動 [7]。 （ 3）得到著名期刊、國際研討會議的高度重視 機器人足球正以一種高科技對抗性的形式贏得學(xué)術(shù)界的認同。 (2)軍事應(yīng)用：將多機器人協(xié)作技術(shù)及戰(zhàn)略具體應(yīng)用到機器人部隊的協(xié)同作戰(zhàn)或救災(zāi)機器人部隊的協(xié)同救護系統(tǒng)上。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。 當(dāng)球、敵方或者我方進入不同的區(qū)域內(nèi)時計算機針對不同情況做出相應(yīng)的決策 [14]。 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]。柵格法路徑規(guī)劃包括建立模型、生成障礙物地圖和搜索無碰最優(yōu)路徑三個過程 [17]。但遺傳算法運算速度不快，進化過程的規(guī)劃要占用較大的存儲空間和運算時間。 并且針對角色分配中守門員的任務(wù)要求提出了關(guān)鍵點 站位體系。該系統(tǒng)屬于集中視覺遙控?zé)o腦多機器人系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)形式和協(xié)議也是須待解決的關(guān)鍵問題。 在微型機器人 比賽中 ，每個隊伍使用一臺或兩臺計算機，計算機通過置于場地上方支架上的攝像頭來獲取場地信息。 球場 標(biāo)記如圖 ： 圖 中型組（ 5vs5）場地標(biāo)記 The Field of Mediumsized Competition(5vs5) 25cm FIRA 40cm 60cm 80cm 7cm 90cm 50cm 15cm 55cm 5cm 15cm 180cm 35cm 30cm (FB) (FB) (FB) (FB) (PK,FK) (PK,FK) 220cm 江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 9 FB： freeball（爭球）放球點 ； PK： penaltykick（點球）放球點 ； FK： freekick(任意球 )放球點 ； 在 MiroS