【文章內(nèi)容簡介】 IRA微機器人賽和RoboCup的小型組機器人比賽多采用此類系統(tǒng)。②集中視覺式(半自主式)足球機器人系統(tǒng)集中視覺式足球機器人系統(tǒng)是向分布式過渡的一種方案，只是將主機中的決策系統(tǒng)下載到各機器人的單片機上，實現(xiàn)了機器人的獨立決策。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。該系統(tǒng)也常用在小型組足球機器人系統(tǒng)中。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。即全部功能環(huán)節(jié)均由機器人獨立實現(xiàn)。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)。網(wǎng)絡(luò)形式和協(xié)議也是須待解決的關(guān)鍵問題。 FIRA 微型機器人比賽介紹FIRA 是由韓國高等科學研究院的金鐘煥創(chuàng)立的機器人足球比賽組織。在江蘇大學 2022 級本科畢業(yè)論文81997 年 6 月 7 日韓國大田召開了 FIRA 成立大會，通過了 FIRA 章程，選舉了領(lǐng)導(dǎo)機構(gòu)。緊接著又舉行了 MiroSot’97 賽事，同時召開了學術(shù)會議，引發(fā)了文集和錄像帶，使這個新生事物揚名海外，茁壯成長 [20]。自此以后，F(xiàn)IRA 每年舉辦一屆比賽。經(jīng)過近十年的發(fā)展，F(xiàn)IRA 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。FIRA 比賽分為微型機器人足球錦標賽（MiroSot） 、仿真機器人足球錦標賽（SimuroSot）和類人機器人足球錦標賽(HuroSot)三種比賽項目，其中微型機器人世界杯足球錦標賽是目前 FIRA 系列中歷史最悠久、影響最廣泛的比賽類別之一。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]。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。在接收到場地信息后主機進行信息預(yù)處理、機器人決策以及控制指令發(fā)送等工作。比賽進行中操作人員是不允許接觸和控制機器人的。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。它們的任務(wù)就是將橘紅色的高爾夫球（足球）撞入對方的球門而力保本方不失球或少失球。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。只是因電池容量有限，每半場為 5 分鐘，中間休息 10 分鐘。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]。球場標記如圖 所示：25cm FIRA40cm 60cm 80cm7cm90cm50cm15cm55cm5cm15cm180cm35cm30cm(FB)(FB)(FB)(FB)(PK,FK)(PK,FK)220cm江蘇大學 2022 級本科畢業(yè)論文9圖 中型組（5vs5）場地標記 The Field of Mediumsized Competition(5vs5)FB：freeball （爭球）放球點；PK：penaltykick（點球）放球點；FK：freekick(任意球)放球點；在MiroSot 5vs5比賽中，比賽將在兩個隊之間進行，每對包括五個機器人，其中之一為守門員。球隊由三個人組成，分別是領(lǐng)隊、教練和訓練員，他們只允許留在看臺上觀看。 足球機器人系統(tǒng)設(shè)計小型足球機器人系統(tǒng)包括：視覺系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)以及機器人車體四個組成部分。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。：視覺子系統(tǒng)圖像獲取攝像頭圖像處理模糊識別球場環(huán)境信息 通信子系統(tǒng)決策子系統(tǒng)（推理、決策）機器人控制命令球場圖像機器人小車系統(tǒng) 1機器人小車系統(tǒng) 2電機控制 無線接收…..電機控制 ….. 無線接收...球場環(huán)境輪速控制圖 足球機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 Structure Chart of Robot Soccer System以上四個子系統(tǒng)必須全部正常運行才能保證整個機器人系統(tǒng)的正常運行，江蘇大學 2022 級本科畢業(yè)論文10而系統(tǒng)性能的提高也依賴于每個子系統(tǒng)統(tǒng)一提高，在系統(tǒng)中任何一個部分都有可能成為整個系統(tǒng)瓶頸，所以每一個子系統(tǒng)都需要全面均衡，并且根據(jù)其他子系統(tǒng)情況適當調(diào)整相關(guān)性能參數(shù)。下面針對足球機器人的各個子系統(tǒng)進行詳細介紹。 視覺系統(tǒng)視覺系統(tǒng)是足球機器人的信號檢測機構(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。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。視覺系統(tǒng)的任務(wù)是實時采集和處理足球場上的比賽場景，從而獲得各機器人和球的速度、方位等信息 [23]。視覺系統(tǒng)的輸出是決策系統(tǒng)的輸入，視覺部分的關(guān)鍵是獲得準確的機器人的位姿信息，為決策系統(tǒng)協(xié)調(diào)策略做好準備。場上形勢瞬息萬變，視覺系統(tǒng)必須實現(xiàn)每秒數(shù)十幅彩色圖像的辨識，并給出各實體精確的位姿，故視覺系統(tǒng)要求具有實時性，精確性；除此之外由于比賽時光照不均，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。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在設(shè)計視覺系統(tǒng)需要考慮的問題如下 [24]：(1) 圖像增強。濾除噪聲，提高質(zhì)量；(2) 圖像恢復(fù)。對于幾何畸變的矯正；(3) 色標設(shè)計與辨識算法研究；(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) 辨識精度。江蘇大學 2022 級本科畢業(yè)論文11 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)節(jié)。決策系統(tǒng)是一個多智能體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。它主要包括：視覺信息預(yù)測處理，多智能體(MAS)協(xié)調(diào)策略、角色分配執(zhí)行、路徑規(guī)劃、運動控制這幾個主要部分。還有很多和其他系統(tǒng)的接口。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。一般采用的辦法有擴展卡爾曼濾波、線性模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。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)。每個機器人都會分配到不同的任務(wù)，并且每個戰(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)對手進行戰(zhàn)術(shù)選擇，對任何對手都能以最高效率進行比賽。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]。 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)是聯(lián)系主機與機器人的橋梁與紐帶，主要負責把決策指令通過串行方式輸出至無線發(fā)射機，經(jīng)調(diào)制后發(fā)射出去，機器人內(nèi)的無線接收機解調(diào)出無線信號上所載命令信息。：江蘇大學 2022 級本科畢業(yè)論文12數(shù)字信號PWMRF 發(fā)送器R/C 接收器PWMCPU通信子系統(tǒng) 機器人小車圖 無線通信過程 Flow Chart of Wireless Communication System通信系統(tǒng)分為發(fā)射系統(tǒng)和車載接收系統(tǒng)兩部分，發(fā)射裝置與主機相連，接收裝置在足球機器人上。來自主機決策系統(tǒng)的控制命令（數(shù)字信號）通過計算機的串行口送至通信發(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一步處理，以決定機器人的行為 [26]。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。無線通信子系統(tǒng)式機器人足球閉環(huán)控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，其通信性能的好壞，將嚴重影響機器人的運動和比賽是否能夠順利進行。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。 機器人小車系統(tǒng)機器人車體可分為機械執(zhí)行機構(gòu)和電路控制兩個部分，機械執(zhí)行機構(gòu)的主要功能是機械傳動和運動驅(qū)動，是足球機器人系統(tǒng)的最終執(zhí)行機構(gòu)，其性能的好壞在一定程度上決定了比賽的勝負，所以機器人實體必須具備良好的穩(wěn)定性和靈活性，能夠快速實現(xiàn)前進、后退、轉(zhuǎn)向、停止等基本動作，并根據(jù)指令要求完成戰(zhàn)術(shù)動作(帶球、射門等戰(zhàn)術(shù))。機械部分主要包括行走機構(gòu)、帶球機構(gòu)江蘇大學 2022 級本科畢業(yè)論文13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)?？刂齐娐房煞譃樗膫€部分：(1)無線通訊系統(tǒng)的接收端。用來接收和解碼無線指令，獲得決策命令。(2)主控制電路。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。(3)驅(qū)動電路，主要用來驅(qū)動行走機構(gòu)和球處理機構(gòu)等驅(qū)動電路。(4)傳感器電路。用來為執(zhí)行機構(gòu)控制提供反饋信息，以達到精確、有效的執(zhí)行決策指令的目的 [27]。 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。同時，對機器人系統(tǒng)進行了總體概述，針對視覺系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)和小車系統(tǒng)分別介紹，從整體上對機器人有了宏觀認識。第三章 決策系統(tǒng)設(shè)計決策子系統(tǒng)是足球機器人比賽系統(tǒng)的大腦，它以視覺系統(tǒng)處理得到的球場環(huán)境信息數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場的情況（如當前得分、控球方、對手的水平等因素）安排相應(yīng)的策略，決定是進攻還是防守，確定機器人隊形和角色分配，然后根據(jù)從策略數(shù)據(jù)庫調(diào)用的策略，規(guī)劃機器人的任務(wù)，決定各機器人的路徑規(guī)劃，并生產(chǎn)運動軌跡，從動作函數(shù)庫中調(diào)用相應(yīng)的動作函數(shù)進行軌跡跟蹤，然后形成各機器人小車左右輪輪速的控制命令，最后通過通信子系統(tǒng)發(fā)送給賽場上的足球機器人。決策子系統(tǒng)是決定整個系統(tǒng)實時性的重要因素。它極大地影響著比賽的勝負結(jié)果。 決策系統(tǒng)設(shè)計原則決策子系統(tǒng)在制定決策時更多的可以參照盲人教練思維過程展開，如果說決策子系統(tǒng)充當?shù)氖墙叹殕T的職責，那么教練員是個盲人，他只能通過所接收江蘇大學 2022 級本科畢業(yè)論文14到的關(guān)于場上敵我雙方的位置、局勢、陣型以及各自運動趨勢的信息來進行比賽分析，再做出決策指揮全隊球員的左右腳行動(左右輪速)?；诿と私叹毜乃季S過程，東北大學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。本課題以該模型為指導(dǎo)思想，將策略分為了以下六個步驟 [28]：（1）輸入信息預(yù)處理。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。（2）態(tài)勢分析與決策選擇。通過分析球的位置和雙方機器人的位置來判斷各個機器人應(yīng)該采用進攻策略還是防守策略。（3）隊形確定與決策分配。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。（4）目標位置確定及動作選擇。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）。（5）運動軌跡規(guī)劃。從效果上來看是指在哪些條件下直接運動到定點，什么時候走曲線，哪些情況下需要避障。（6）小車輪速確定。六步推理模型很好地描述了機器人足球決策系統(tǒng)的決策思路，但在實際決策應(yīng)注意根據(jù)實際情況分解決策過程分解，避免在不必要的時候分解過細而造成機器人執(zhí)行的不連貫。 總體設(shè)計流程決策系統(tǒng)總體設(shè)計的流程圖如圖 所示：江蘇大學 2022 級本科畢業(yè)論文15視覺信息 信息預(yù)處理態(tài)勢分析和任務(wù)分解隊形確定角色分配角色解釋技術(shù)動作基本動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)自由人步進電機控制無線通訊系統(tǒng) 小車系統(tǒng)圖 決策系統(tǒng)流程圖 Flow Chart of Strategy System根據(jù)六步推理模型的建立，決策系統(tǒng)首先需要對所獲得的視覺信息進行預(yù)處理，其中包括計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位置等。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?。此后，根?jù)已設(shè)定的規(guī)則表中調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)對策略，從而進一步確定比賽隊形。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。然后再從角色任務(wù)庫中調(diào)用對應(yīng)的執(zhí)行程序以完成對角色的解釋，實現(xiàn)動作分配。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（即以江蘇大學 2022 級本科畢業(yè)論文16一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)。將戰(zhàn)術(shù)動作簡化為復(fù)雜動作的組合形式，再進一步簡化為以上兩種基本動作，從而完成角色預(yù)定的軌跡路徑。計算機通過計算，將左右輪速通過無線通信傳達到各個足球機器人接收器中，再輸出命令實現(xiàn)最終的小車運動。 機器人態(tài)勢分析設(shè)計人類在球場上對信息的處理通常是在模糊概念上，如遠近、快慢、有利或是無利等，通過大腦權(quán)衡做出判斷。但是，作為