【文章內(nèi)容簡介】 IRA微機(jī)器人賽和RoboCup的小型組機(jī)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(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。在此系統(tǒng)中，多智能體協(xié)調(diào)問題變得突出和現(xiàn)實(shí)起來。該系統(tǒng)也常用在小型組足球機(jī)器人系統(tǒng)中。③分布控制式(自主式)足球機(jī)器人系統(tǒng)自主式足球機(jī)器人系統(tǒng)中的各機(jī)器人能自主實(shí)現(xiàn)主動(dòng)感知、思維決策、動(dòng)作響應(yīng)等功能。即全部功能環(huán)節(jié)均由機(jī)器人獨(dú)立實(shí)現(xiàn)。由于分別感知，攝像頭置于機(jī)器人車體之上，視場不斷變動(dòng)，視野局限性較大，故信息不夠完整，給決策帶來困難；并且機(jī)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(jī)器人比賽介紹FIRA 是由韓國高等科學(xué)研究院的金鐘煥創(chuàng)立的機(jī)器人足球比賽組織。在江蘇大學(xué) 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(jī)構(gòu)。緊接著又舉行了 MiroSot’97 賽事，同時(shí)召開了學(xué)術(shù)會議，引發(fā)了文集和錄像帶，使這個(gè)新生事物揚(yáng)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(duì)發(fā)展到30 多個(gè)國家組織的上百支球隊(duì)。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。本論文也是基于微型機(jī)器人比賽（MiroSot 5vs5）來進(jìn)行決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 [21]。在微型機(jī)器人比賽中，每個(gè)隊(duì)伍使用一臺或兩臺計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)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(jī)進(jìn)行信息預(yù)處理、機(jī)器人決策以及控制指令發(fā)送等工作。比賽進(jìn)行中操作人員是不允許接觸和控制機(jī)器人的。比賽每隊(duì)由五個(gè)邊長不超過 的立方體的遙控小車（機(jī)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(diǎn)球、任意球和門球，如果需要，也進(jìn)行加時(shí)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(biāo)記如圖 所示：25cm FIRA40cm 60cm 80cm7cm90cm50cm15cm55cm5cm15cm180cm35cm30cm(FB)(FB)(FB)(FB)(PK,FK)(PK,FK)220cm江蘇大學(xué) 2022 級本科畢業(yè)論文9圖 中型組（5vs5）場地標(biāo)記 The Field of Mediumsized Competition(5vs5)FB：freeball （爭球）放球點(diǎn)；PK：penaltykick（點(diǎn)球）放球點(diǎn)；FK：freekick(任意球)放球點(diǎn)；在MiroSot 5vs5比賽中，比賽將在兩個(gè)隊(duì)之間進(jìn)行，每對包括五個(gè)機(jī)器人，其中之一為守門員。球隊(duì)由三個(gè)人組成，分別是領(lǐng)隊(duì)、教練和訓(xùn)練員，他們只允許留在看臺上觀看。 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。足球機(jī)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(jī)進(jìn)行圖像分析與識別；由充當(dāng)教練員的決策軟件統(tǒng)一決策，形成機(jī)器人的控制命令，然后通過無線通訊的方式發(fā)送給機(jī)器人，每個(gè)足球機(jī)器人只要負(fù)責(zé)根據(jù)主機(jī)發(fā)送來的運(yùn)動(dòng)指令通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)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(jī)器人控制命令球場圖像機(jī)器人小車系統(tǒng) 1機(jī)器人小車系統(tǒng) 2電機(jī)控制 無線接收…..電機(jī)控制 ….. 無線接收...球場環(huán)境輪速控制圖 足球機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 Structure Chart of Robot Soccer System以上四個(gè)子系統(tǒng)必須全部正常運(yùn)行才能保證整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的正常運(yùn)行，江蘇大學(xué) 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(gè)子系統(tǒng)統(tǒng)一提高，在系統(tǒng)中任何一個(gè)部分都有可能成為整個(gè)系統(tǒng)瓶頸，所以每一個(gè)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(dāng)調(diào)整相關(guān)性能參數(shù)。下面針對足球機(jī)器人的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。 視覺系統(tǒng)視覺系統(tǒng)是足球機(jī)器人的信號檢測機(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。每個(gè)隊(duì)有自己的顏色標(biāo)識，每個(gè)隊(duì)員也有自己區(qū)分其他隊(duì)員的顏色標(biāo)識。視覺系統(tǒng)的任務(wù)是實(shí)時(shí)采集和處理足球場上的比賽場景，從而獲得各機(jī)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(zhǔn)確的機(jī)器人的位姿信息，為決策系統(tǒng)協(xié)調(diào)策略做好準(zhǔn)備。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，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。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(jì)視覺系統(tǒng)需要考慮的問題如下 [24]：(1) 圖像增強(qiáng)。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(biāo)設(shè)計(jì)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(xué) 2022 級本科畢業(yè)論文11 決策系統(tǒng)決策系統(tǒng)是整個(gè)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(gè)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(yùn)動(dòng)控制這幾個(gè)主要部分。還有很多和其他系統(tǒng)的接口。由于整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)作過程中會產(chǎn)生信息傳遞延時(shí)，視覺信息不能真實(shí)的反映當(dāng)前機(jī)器人和球的位置坐標(biāo)和方向，需要對位置信息進(jìn)行預(yù)測。一般采用的辦法有擴(kuò)展卡爾曼濾波、線性模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。一段時(shí)間內(nèi)或者有一定目的的機(jī)器人隊(duì)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(gè)機(jī)器人都會分配到不同的任務(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)對手進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)選擇，對任何對手都能以最高效率進(jìn)行比賽。路徑規(guī)劃的問題是機(jī)器人如何避開所有的障礙從一點(diǎn)走到另一點(diǎn)，常用算法有：基于格點(diǎn)的算法，遺傳算法，人工勢場法，Delaunay三角法，幾何方法，隨機(jī)擴(kuò)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(jī)與機(jī)器人的橋梁與紐帶，主要負(fù)責(zé)把決策指令通過串行方式輸出至無線發(fā)射機(jī)，經(jīng)調(diào)制后發(fā)射出去，機(jī)器人內(nèi)的無線接收機(jī)解調(diào)出無線信號上所載命令信息。：江蘇大學(xué) 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(jī)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(jī)相連，接收裝置在足球機(jī)器人上。來自主機(jī)決策系統(tǒng)的控制命令（數(shù)字信號）通過計(jì)算機(jī)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(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]。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(shí)由于機(jī)器人上的接收器與機(jī)器人的控制電路安排在一起，還裝有驅(qū)動(dòng)電路和電動(dòng)機(jī)，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(jī)器人錯(cuò)誤的動(dòng)作，所以要求通信系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和可靠性。無線通信子系統(tǒng)式機(jī)器人足球閉環(huán)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其通信性能的好壞，將嚴(yán)重影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和比賽是否能夠順利進(jìn)行。為了提高通信質(zhì)量和通信效率，在設(shè)計(jì)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(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))。機(jī)械部分主要包括行走機(jī)構(gòu)、帶球機(jī)構(gòu)江蘇大學(xué) 2022 級本科畢業(yè)論文13和擊球機(jī)構(gòu)；電路控制部分的功能是與無線通訊接口，接受運(yùn)動(dòng)控制指令，驅(qū)動(dòng)和控制各機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂齐娐房煞譃樗膫€(gè)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(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號。(3)驅(qū)動(dòng)電路，主要用來驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)和球處理機(jī)構(gòu)等驅(qū)動(dòng)電路。(4)傳感器電路。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]。 本章小結(jié)本章從總體上介紹了足球機(jī)器人系統(tǒng)，其中包括足球機(jī)器人分類、FIRA 國際比賽規(guī)則和場地規(guī)劃。同時(shí)，對機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)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(jī)器人有了宏觀認(rèn)識。第三章 決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)決策子系統(tǒng)是足球機(jī)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(dāng)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(jìn)攻還是防守，確定機(jī)器人隊(duì)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(jī)器人的任務(wù)，決定各機(jī)器人的路徑規(guī)劃，并生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，從動(dòng)作函數(shù)庫中調(diào)用相應(yīng)的動(dòng)作函數(shù)進(jìn)行軌跡跟蹤，然后形成各機(jī)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(jī)器人。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。它極大地影響著比賽的勝負(fù)結(jié)果。 決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則決策子系統(tǒng)在制定決策時(shí)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(dāng)?shù)氖墙叹殕T的職責(zé)，那么教練員是個(gè)盲人，他只能通過所接收江蘇大學(xué) 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(yùn)動(dòng)趨勢的信息來進(jìn)行比賽分析，再做出決策指揮全隊(duì)球員的左右腳行動(dòng)(左右輪速)?；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(jī)器人決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)步驟 [28]：（1）輸入信息預(yù)處理。主要是計(jì)算各個(gè)實(shí)體之間的距離，雙方機(jī)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(jī)器人的位置來判斷各個(gè)機(jī)器人應(yīng)該采用進(jìn)攻策略還是防守策略。（3）隊(duì)形確定與決策分配。根據(jù)各個(gè)隊(duì)員所在位置進(jìn)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(jìn)攻與防守的人數(shù)比例。（4）目標(biāo)位置確定及動(dòng)作選擇。每一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)作都是由很多個(gè)基本動(dòng)作組合而成，基本動(dòng)作包括定點(diǎn)（以一定速度運(yùn)動(dòng)到某點(diǎn)）和轉(zhuǎn)角（以一定角速度轉(zhuǎn)過既定角度）。（5）運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃。從效果上來看是指在哪些條件下直接運(yùn)動(dòng)到定點(diǎn)，什么時(shí)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(jī)器人足球決策系統(tǒng)的決策思路，但在實(shí)際決策應(yīng)注意根據(jù)實(shí)際情況分解決策過程分解，避免在不必要的時(shí)候分解過細(xì)而造成機(jī)器人執(zhí)行的不連貫。 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 所示：江蘇大學(xué) 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(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(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位置等。在獲得場上信息之后計(jì)算機(jī)需要對場上隊(duì)員情況進(jìn)行態(tài)勢分析，讓機(jī)器人了解對方球員位置，做出危險(xiǎn)判斷，采取適當(dāng)?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(jìn)一步確定比賽隊(duì)形。在隊(duì)形確立后，計(jì)算機(jī)需要對各個(gè)隊(duì)員進(jìn)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(shí)現(xiàn)動(dòng)作分配。最后，通過路徑規(guī)劃，足球機(jī)器人根據(jù)自身角色定位來計(jì)算出最優(yōu)或次優(yōu)運(yùn)動(dòng)路徑，而所有的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過程都可以簡化為最基本的兩個(gè)動(dòng)作（即以江蘇大學(xué) 2022 級本科畢業(yè)論文16一定速度運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)和以一定角速度轉(zhuǎn)過目標(biāo)角度）來實(shí)現(xiàn)。將戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作簡化為復(fù)雜動(dòng)作的組合形式，再進(jìn)一步簡化為以上兩種基本動(dòng)作，從而完成角色預(yù)定的軌跡路徑。計(jì)算機(jī)通過計(jì)算，將左右輪速通過無線通信傳達(dá)到各個(gè)足球機(jī)器人接收器中，再輸出命令實(shí)現(xiàn)最終的小車運(yùn)動(dòng)。 機(jī)器人態(tài)勢分析設(shè)計(jì)人類在球場上對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。但是，作為