【文章內容簡介】 般采用的辦法有擴展卡爾曼濾波、線性模型、BP神經網絡等方法。一段時間內或者有一定目的的機器人隊伍整體決策稱為戰(zhàn)術，根據不同的情況采用不同的戰(zhàn)術。每個機器人都會分配到不同的任務，并且每個戰(zhàn)術都有它的應用條件，通過戰(zhàn)術選擇算法在比賽中決策系統(tǒng)能自適應對手進行戰(zhàn)術選擇，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，經調制后發(fā)射出去，機器人內的無線接收機解調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（數字信號）通過計算機的串行口送至通信發(fā)射模塊，經過調制后發(fā)射出去，機器人的通信接收模塊接收命令并解調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，還裝有驅動電路和電動機，電磁環(huán)境惡劣也容易受到干擾而產生誤差，通信過程有誤差將導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。為了提高通信質量和通信效率，在設計通信系統(tǒng)是應該注意通信芯片的選擇和通信協議的制定。 機器人小車系統(tǒng)機器人車體可分為機械執(zhí)行機構和電路控制兩個部分，機械執(zhí)行機構的主要功能是機械傳動和運動驅動，是足球機器人系統(tǒng)的最終執(zhí)行機構，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，能夠快速實現前進、后退、轉向、停止等基本動作，并根據指令要求完成戰(zhàn)術動作(帶球、射門等戰(zhàn)術)。機械部分主要包括行走機構、帶球機構江蘇大學 2022 級本科畢業(yè)論文13和擊球機構；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，驅動和控制各機械執(zhí)行機構?？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)行機構的驅動電路發(fā)送驅動信號。(3)驅動電路，主要用來驅動行走機構和球處理機構等驅動電路。(4)傳感器電路。用來為執(zhí)行機構控制提供反饋信息，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)境信息數據為依據，根據現場的情況（如當前得分、控球方、對手的水平等因素）安排相應的策略，決定是進攻還是防守，確定機器人隊形和角色分配，然后根據從策略數據庫調用的策略，規(guī)劃機器人的任務，決定各機器人的路徑規(guī)劃，并生產運動軌跡，從動作函數庫中調用相應的動作函數進行軌跡跟蹤，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果。 決策系統(tǒng)設計原則決策子系統(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)充當的是教練員的職責，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)。基于盲人教練的思維過程，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)設計中被廣泛使用。本課題以該模型為指導思想，將策略分為了以下六個步驟 [28]：（1）輸入信息預處理。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，再根據所處位置判定進攻與防守的人數比例。（4）目標位置確定及動作選擇。每一個復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）和轉角（以一定角速度轉過既定角度）。（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，但在實際決策應注意根據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。 總體設計流程決策系統(tǒng)總體設計的流程圖如圖 所示：江蘇大學 2022 級本科畢業(yè)論文15視覺信息 信息預處理態(tài)勢分析和任務分解隊形確定角色分配角色解釋技術動作基本動作速度指令視覺系統(tǒng)路徑規(guī)劃規(guī)則表協調、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，采取適當的攻守策略。此后，根據已設定的規(guī)則表中調用相應的應對策略，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分配，賦予各自的角色屬性。然后再從角色任務庫中調用對應的執(zhí)行程序以完成對角色的解釋，實現動作分配。最后，通過路徑規(guī)劃，足球機器人根據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過目標角度）來實現。將戰(zhàn)術動作簡化為復雜動作的組合形式，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，再輸出命令實現最終的小車運動。 機器人態(tài)勢分析設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，通過大腦權衡做出判斷。但是，作為足球機器人系統(tǒng)核心部分的決策子系統(tǒng)面對的是精確的數據和刻板的程序，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。如何將教練員的決策思維過程形式化、規(guī)范化，并用計算機程序表現出來，這便是態(tài)勢分析需要完成的任務。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。足球機器人在場地中需要了解對方球員位置，做出危險判斷，采取適當的攻守策略，與此同時，掌握我方隊員的情況，準確地進行傳球或者配合助攻。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，同時也是衡量決策系統(tǒng)優(yōu)劣的一項重要指標 [29]。目前廣泛流行的態(tài)勢分析主要有模糊變量法、狀態(tài)空間分區(qū)等等。本文在第一章中針對各自的優(yōu)缺點進行了分析，在此，提出將模糊變量和狀態(tài)空間分區(qū)相結合的決策方法來進行態(tài)勢分析，在綜合兩者的優(yōu)點基礎上有效地對各自存在的缺點進行彌補。 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機器人所應分配的角色以及執(zhí)行的動作。根據敵我兩方位置關系，將球場劃分為六個區(qū)，場地劃分示意圖如圖 所示。江蘇大學 2022 級本科畢業(yè)論文17A1A2A3 A4A5A6緩沖帶圖 場地分區(qū)示意圖 Sketch Map of Field Division我方球門 對方球門A1：危險區(qū)，包括我方罰球區(qū)域（含球門區(qū)）所屬范圍。當足球處于該區(qū)域內時，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。因此，此時采用陣型分配 0131（前鋒中鋒后衛(wèi)守門員，下同）進行緊密防守，減小失球率。A2：防守區(qū)，靠近我方的四分之一場地區(qū)域。在該區(qū)域中我方仍處于被動防守狀態(tài)，采用陣型 0221，后衛(wèi)加強防守的同時，中鋒可以盯住對方其他球員或協助傳球。A3：助防區(qū)，我方球場除去防守區(qū)外剩下的區(qū)域。當球處于該區(qū)域時，我方存在略微弱勢，在不放松防御的警惕性基礎上增設一名前鋒，攻守兼顧，一旦防守成功便可以立即轉為進攻模式，因此該區(qū)的陣型設置為 1121。A4：助攻區(qū)，對方球場中靠近中線的四分之一區(qū)域。我方占據場上的主動權，采用 1211 進攻模式，中鋒在中場一方面盯住對方球員，為前鋒制造良好的局勢；另一方面?zhèn)鬟f足球，協助前鋒射門，從而使前鋒可以主動尋找進球機會。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。A5：進攻區(qū)，對方場地靠近球門區(qū)域的四分之一球場區(qū)。當球位于該部分區(qū)域時，我方具有很強的進攻性。在仍然保持防守力度的同時增加前鋒人數，主動出擊增加進球機會。采用陣型為 2111。江蘇大學 2022 級本科畢業(yè)論文18A6：射門區(qū)，對方罰球區(qū)域（含球門區(qū)）所屬范圍。我方逼近對方球門，占據極大的主動權和進攻性，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，中鋒協助前鋒射門，同時若射門失敗，中鋒可以立即轉為防守狀態(tài)。由于雙方球員在兩個相鄰區(qū)域的分界線附近搶球，會導致球在這兩個區(qū)域中來回滾動，若頻繁變換陣型、切換各機器人角色以及所執(zhí)行的任務，會影響決策系統(tǒng)速度。因此，在場地劃分時每兩個相鄰區(qū)域之間分界線出增設 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，只有當足球越過彈性區(qū)域后，我方才轉變?yōu)橹リ囆?。反之，當球?A4 向 A3 區(qū)域滾動時，也只能當球滾過彈性區(qū)域后陣型才發(fā)生變化，由進攻變?yōu)榉朗?。彈性區(qū)域的增設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。 模糊變量的引入在足球比賽中，除了球在場地上的不同位置對比賽結果產生影響外，球的運動趨勢、一定范圍內是否有對方球員、是否需要避障等因素也會對比賽造成不同程度的影響。因此，在上面介紹的場地劃分基礎上，本文引入模糊變量對場地信息加以描述，使計算機能夠全面、精確地了解場上態(tài)勢，從而做出正確決策。為了描述場上的比賽態(tài)勢，本文將球在場地中的位置、機器人與球的位置關系、控球狀態(tài)、障礙信息以及球的運動趨勢五個集合作為狀態(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∈{ A 1，A 2，A 3，A 4，A 5，A 6}B：控球狀態(tài)；指該周期內足球的控球方，B∈{1，0}1：表示我方機器人控制足球；0：表示對方機器人控制足球；C：機器人與足球的位置關系；以球為圓心一定范圍為半徑的區(qū)域內是否有對方球員，C∈{1，0}江蘇大學 2022 級本科畢業(yè)論文191：表示該區(qū)域內存在對方球員；0：表示該區(qū)域內沒有對方球員；D：障礙信息；在機器人和目標點之間是否存在障礙物。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。D∈{1，0}1：表示有障礙物；0：表示沒有障礙物；E：球的運動趨勢；該變量用來描述當前情況下球的運動方向是朝向我方半場還是背離我方半場（即朝向對方半場） 。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=624=96 種狀態(tài)，針對每一種狀態(tài)建立不同的狀態(tài)動作映射關系就可以實現場地態(tài)勢的分析和反饋。 機器人路徑規(guī)劃設計足球機器人當中的角色就是指能完成特定任務的邏輯機器人，角色是通過調用機器人動來完成任務的。角色需要完成運動規(guī)劃，即角色每次執(zhí)行任務，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，而不是簡單的調用基本動作來完成，而且還需要考慮機器人避障。下面分別討論這幾個問題。路徑規(guī)劃是移動機器人導航中最重要的任務之一。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，機器人路徑規(guī)劃根據一定的任務要去，尋求一條連接起始點和目標點并且能避開環(huán)境中障礙物的運動軌跡，即最優(yōu)有效路徑。移動機器人的路徑規(guī)劃問題可以總結為由 DurrantWhyte H F 提出的三個問題：（1）“我現在何處？”（2）“我要往何處去？”江蘇大學 2022 級本科畢業(yè)論文20（3）“應如何到該處去？”大多數路徑規(guī)劃系統(tǒng)由兩級規(guī)劃組成，即局部規(guī)劃（loca