【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(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。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(shì)場(chǎng)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(hào)上所載命令信息。：江蘇大學(xué) 2022 級(jí)本科畢業(yè)論文12數(shù)字信號(hào)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(hào)）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(hào)以無線電波的方式傳輸比較容易受到外界信號(hào)（各種噪聲及近頻帶信號(hào)）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(jí)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)。控制電路可分為四個(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(hào)。(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(guó)際比賽規(guī)則和場(chǎng)地規(guī)劃。同時(shí)，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了總體概述，針對(duì)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(duì)機(jī)器人有了宏觀認(rèn)識(shí)。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(chǎng)環(huán)境信息數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況（如當(dāng)前得分、控球方、對(duì)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(kù)調(diào)用的策略，規(guī)劃?rùn)C(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(kù)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(chǎng)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(jí)本科畢業(yè)論文14到的關(guān)于場(chǎng)上敵我雙方的位置、局勢(shì)、陣型以及各自運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)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)。基于盲人教練的思維過程，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(shì)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(jí)本科畢業(yè)論文15視覺信息 信息預(yù)處理態(tài)勢(shì)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(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。在獲得場(chǎng)上信息之后計(jì)算機(jī)需要對(duì)場(chǎng)上隊(duì)員情況進(jìn)行態(tài)勢(shì)分析，讓機(jī)器人了解對(duì)方球員位置，做出危險(xiǎn)判斷，采取適當(dāng)?shù)墓ナ夭呗?。此后，根?jù)已設(shè)定的規(guī)則表中調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)對(duì)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(duì)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?gòu)慕巧蝿?wù)庫(kù)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。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(jiǎn)化為最基本的兩個(gè)動(dòng)作（即以江蘇大學(xué) 2022 級(jí)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(jiǎn)化為復(fù)雜動(dòng)作的組合形式，再進(jìn)一步簡(jiǎn)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(shì)分析設(shè)計(jì)人類在球場(chǎng)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。但是，作為足球機(jī)器人系統(tǒng)核心部分的決策子系統(tǒng)面對(duì)的是精確的數(shù)據(jù)和刻板的程序，如同盲人教練一樣需要外界告訴它當(dāng)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(jì)算機(jī)程序表現(xiàn)出來，這便是態(tài)勢(shì)分析需要完成的任務(wù)。所謂的態(tài)勢(shì)分析是指機(jī)器人如何識(shí)別和分析場(chǎng)上局面的方法。足球機(jī)器人在場(chǎng)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。如何讓球員準(zhǔn)確地感知場(chǎng)上局面，怎樣正確認(rèn)識(shí)并且快速做出角色判斷是態(tài)勢(shì)分析的主要任務(wù)，同時(shí)也是衡量決策系統(tǒng)優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo) [29]。目前廣泛流行的態(tài)勢(shì)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(duì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，在此，提出將模糊變量和狀態(tài)空間分區(qū)相結(jié)合的決策方法來進(jìn)行態(tài)勢(shì)分析，在綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上有效地對(duì)各自存在的缺點(diǎn)進(jìn)行彌補(bǔ)。 場(chǎng)地劃分球是比賽場(chǎng)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。根據(jù)敵我兩方位置關(guān)系，將球場(chǎng)劃分為六個(gè)區(qū)，場(chǎng)地劃分示意圖如圖 所示。江蘇大學(xué) 2022 級(jí)本科畢業(yè)論文17A1A2A3 A4A5A6緩沖帶圖 場(chǎng)地分區(qū)示意圖 Sketch Map of Field Division我方球門 對(duì)方球門A1：危險(xiǎn)區(qū)，包括我方罰球區(qū)域（含球門區(qū)）所屬范圍。當(dāng)足球處于該區(qū)域內(nèi)時(shí)，我方受到極大的威脅，對(duì)方前鋒很有可能射門進(jìn)球，除了守門員進(jìn)行防守以外，我方需要增加防守力度。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。A2：防守區(qū)，靠近我方的四分之一場(chǎng)地區(qū)域。在該區(qū)域中我方仍處于被動(dòng)防守狀態(tài)，采用陣型 0221，后衛(wèi)加強(qiáng)防守的同時(shí)，中鋒可以盯住對(duì)方其他球員或協(xié)助傳球。A3：助防區(qū)，我方球場(chǎng)除去防守區(qū)外剩下的區(qū)域。當(dāng)球處于該區(qū)域時(shí)，我方存在略微弱勢(shì)，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。A4：助攻區(qū)，對(duì)方球場(chǎng)中靠近中線的四分之一區(qū)域。我方占據(jù)場(chǎng)上的主動(dòng)權(quán)，采用 1211 進(jìn)攻模式，中鋒在中場(chǎng)一方面盯住對(duì)方球員，為前鋒制造良好的局勢(shì)；另一方面?zhèn)鬟f足球，協(xié)助前鋒射門，從而使前鋒可以主動(dòng)尋找進(jìn)球機(jī)會(huì)。與此同時(shí)，在我方球場(chǎng)區(qū)域仍然保留一名后衛(wèi)進(jìn)行防守。A5：進(jìn)攻區(qū)，對(duì)方場(chǎng)地靠近球門區(qū)域的四分之一球場(chǎng)區(qū)。當(dāng)球位于該部分區(qū)域時(shí)，我方具有很強(qiáng)的進(jìn)攻性。在仍然保持防守力度的同時(shí)增加前鋒人數(shù)，主動(dòng)出擊增加進(jìn)球機(jī)會(huì)。采用陣型為 2111。江蘇大學(xué) 2022 級(jí)本科畢業(yè)論文18A6：射門區(qū)，對(duì)方罰球區(qū)域（含球門區(qū)）所屬范圍。我方逼近對(duì)方球門，占據(jù)極大的主動(dòng)權(quán)和進(jìn)攻性，此時(shí)我方采用 2201，前鋒球員主動(dòng)出擊尋求射門機(jī)會(huì)，增加命中率，中鋒協(xié)助前鋒射門，同時(shí)若射門失敗，中鋒可以立即轉(zhuǎn)為防守狀態(tài)。由于雙方球員在兩個(gè)相鄰區(qū)域的分界線附近搶球，會(huì)導(dǎo)致球在這兩個(gè)區(qū)域中來回滾動(dòng)，若頻繁變換陣型、切換各機(jī)器人角色以及所執(zhí)行的任務(wù)，會(huì)影響決策系統(tǒng)速度。因此，在場(chǎng)地劃分時(shí)每?jī)蓚€(gè)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(dòng)時(shí)，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?。反之，?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?。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(jī)器人過于頻繁的目標(biāo)跳變。 模糊變量的引入在足球比賽中，除了球在場(chǎng)地上的不同位置對(duì)比賽結(jié)果產(chǎn)生影響外，球的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)、一定范圍內(nèi)是否有對(duì)方球員、是否需要避障等因素也會(huì)對(duì)比賽造成不同程度的影響。因此，在上面介紹的場(chǎng)地劃分基礎(chǔ)上，本文引入模糊變量對(duì)場(chǎng)地信息加以描述，使計(jì)算機(jī)能夠全面、精確地了解場(chǎng)上態(tài)勢(shì)，從而做出正確決策。為了描述場(chǎng)上的比賽態(tài)勢(shì)，本文將球在場(chǎng)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(shì)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(shì)，進(jìn)行狀態(tài)描述，其中：A：球所在的位置；按照球場(chǎng)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(nèi)足球的控球方，B∈{1，0}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}江蘇大學(xué) 2022 級(jí)本科畢業(yè)論文191：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。若存在的話則開啟人工勢(shì)場(chǎng)避障功能，否則不需要進(jìn)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(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；該變量用來描述當(dāng)前情況下球的運(yùn)動(dòng)方向是朝向我方半場(chǎng)還是背離我方半場(chǎng)（即朝向?qū)Ψ桨雸?chǎng)） 。E∈{1，0}1：表示球的運(yùn)動(dòng)方向朝向我方半場(chǎng)；0：表示球的運(yùn)動(dòng)方向背離我方半場(chǎng)；在決策過程中，球的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是以預(yù)測(cè)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(chǎng)地態(tài)勢(shì)；集合 S 可以描述N=624=96 種狀態(tài)，針對(duì)每一種狀態(tài)建立不同的狀態(tài)動(dòng)作映射關(guān)系就可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地態(tài)勢(shì)的分析和反饋。 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。角色需要完成運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，即角色每次執(zhí)行任務(wù)，通常是從當(dāng)前位置運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置，這期間的運(yùn)動(dòng)軌跡如何是需要進(jìn)行規(guī)劃的，而不是簡(jiǎn)單的調(diào)用基本動(dòng)作來完成，而且還需要考慮機(jī)器人避障。下面分別討論這幾個(gè)問題。路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中最重要的任務(wù)之一。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。移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃問題可以總結(jié)為由 DurrantWhyte H F 提出的三個(gè)問題：（1）“我現(xiàn)在何處？”（2）“我要往何處去？”江蘇大學(xué) 2022 級(jí)本科畢業(yè)論文20（3）“應(yīng)如何到該處去？”大多數(shù)路徑規(guī)劃系統(tǒng)由兩級(jí)規(guī)劃組成，即局部規(guī)劃（loca