【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 因此，該方法適合運(yùn)用于局部避障系統(tǒng)，而對(duì)于全局設(shè)計(jì)欠佳。 （ 2）柵格法 針對(duì)人工勢(shì)場(chǎng)的缺陷， VFH（ vector field histogram）的方法，該方法采用柵格表示環(huán)境。其中， 某一個(gè)柵格范圍內(nèi)不包含任何障礙物，則稱此柵格為自由柵格 [16]；反之，稱為障礙柵格由這些柵格構(gòu)成了一個(gè)連通圖，在這個(gè)連通 圖上搜索一條從起始柵格到目標(biāo)柵格的路徑，該路徑均由自由柵格構(gòu)成，用柵格的序號(hào)來表示。最后把柵格序號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)器空間的實(shí)際坐標(biāo)，令機(jī)器人按此路徑運(yùn)動(dòng)。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(gè)過程 [17]。 通過搜索獲取自由柵格，機(jī)器人可以有效地進(jìn)行路徑規(guī)劃，只要搜尋方法設(shè)計(jì)得當(dāng)，能夠做出最優(yōu)路徑判斷。但是在使用柵格法的時(shí)候，需要注意柵格的大小設(shè)計(jì)，如果選擇過大，可能會(huì)造成機(jī)器人決策的不精確，影響軌跡規(guī)劃；反之，如果柵格分得過細(xì)，又會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)存儲(chǔ)量過大，加重計(jì)算機(jī)負(fù)荷。 （ 3）遺傳算法 遺 傳算法是一種人工智能方法， 在 1975年左右由美國密歇根大學(xué)的 Holland江蘇大學(xué) 20xx 級(jí) 本科畢業(yè)論文 6 教授研究得出。遺傳算法模仿了生物的遺傳、進(jìn)化原理，并引用了隨機(jī)統(tǒng)計(jì)理論。在求解過程中，算法從一個(gè)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]。 該方法是一種自適應(yīng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，一大特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。利用遺傳算法解決機(jī)器人動(dòng)態(tài)環(huán)境的軌跡規(guī)劃問題，可以避免困難繁瑣的理論推導(dǎo)，直接獲取問題的最優(yōu)解。但遺傳算法運(yùn)算速度不快，進(jìn)化過程的規(guī)劃要占用較大的存儲(chǔ)空間和運(yùn)算時(shí)間。 本課題 來源及論文結(jié)構(gòu)安排 本文研究了 足球機(jī)器人決策系統(tǒng)并側(cè)重研究決策系統(tǒng)中態(tài)勢(shì)分析和軌跡規(guī)劃兩個(gè)部分 。 通過綜合國內(nèi)外研究方案，建立四元模糊矢量模型和 軌跡規(guī)劃方案以完善相應(yīng)的策略部分。 對(duì)于角色分配部分，以守門員為例進(jìn)行策略設(shè)計(jì)。 全文分為六 章 ，本文后續(xù)章節(jié)內(nèi)容安排如下： 第二章 ， 足球機(jī)器人系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì) 。介紹足球機(jī)器人的分類，以及機(jī)器人在FIRA 國際比賽和實(shí)際系統(tǒng)中的構(gòu)成。 第三章 ，決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要介 紹 在遵循六步推理模型的基礎(chǔ)上決策系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案， 其中包括 態(tài)勢(shì)分析、路徑規(guī)劃 、角色分配 等環(huán)節(jié)策略 的設(shè)計(jì)。 并且針對(duì)角色分配中守門員的任務(wù)要求提出了關(guān)鍵點(diǎn) 站位體系。 第四章 ， 決策系統(tǒng)軟件仿真 。 介紹了 Middle League SimuroSot 5vs5 仿真平臺(tái)，并且 以守門員決策系統(tǒng)為例， 運(yùn)用該仿真軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案。 第五章 ， 決策系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 。介紹 圓夢(mèng)二代小車 的實(shí)物系統(tǒng)組成，硬件搭建過程以及預(yù)期實(shí)現(xiàn)功能。 第六章 ，對(duì)本次設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)并提出后續(xù)研究的展望 。 江蘇大學(xué) 20xx 級(jí) 本科畢業(yè)論文 7 第二章 足球機(jī)器人系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì) 足球機(jī)器人系統(tǒng)的分類 根據(jù)感知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式和策略決策所在的位置，足球機(jī)器人系統(tǒng)可劃分為：集控式足球機(jī)器人系統(tǒng)、 集中視覺式 (半自主式 )足球機(jī)器人系統(tǒng)、分布控制式 (自主式 )足球機(jī)器人系統(tǒng) [19]。 ① 集控式足球機(jī)器人系統(tǒng) 集控式足球機(jī)器人系統(tǒng)通過由安放在球場(chǎng)上放的攝像頭獲取視覺圖像，并送至主機(jī)進(jìn)行圖像分析與識(shí)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(duì)各機(jī)器人，機(jī)器人進(jìn)而做出動(dòng)作反應(yīng)。該系統(tǒng)屬于集中視覺遙控?zé)o腦多機(jī)器人系統(tǒng)。 FIRA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(chǎng)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1997 年 6 月 7 日韓國大田召開了 FIRA 成立大會(huì)，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(huì)議，引發(fā)了文集江蘇大學(xué) 20xx 級(jí) 本科畢業(yè)論文 8 和錄像帶，使這個(gè)新生事物揚(yáng)名海外，茁壯成長(zhǎng) [20]。自此以后， FIRA 每年舉辦一屆比賽。 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(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(tái)或兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過置于場(chǎng)地上方支架上的攝像頭來獲取場(chǎng)地信息。在接收到場(chǎng)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(zhǎng)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)四周有圍墻，所以沒有界外球，而在相持10 秒后判爭(zhēng)球 [22]。 球場(chǎng) 標(biāo)記如圖 ： 圖 中型組（ 5vs5）場(chǎng)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(jí) 本科畢業(yè)論文 9 FB： freeball（爭(zhēng)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(duì)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(tái)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(chǎng)上方的攝像頭攝取賽場(chǎng)上的信息，送至上位機(jī)進(jìn)行圖像分析與識(shí)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 。 足球機(jī)器人結(jié)構(gòu)框圖 如圖 ： 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，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)情視覺子系統(tǒng) 圖像獲取 攝像頭 圖像處理 模糊識(shí)別 球場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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 江蘇大學(xué) 20xx 級(jí) 本科畢業(yè)論文 10 況適當(dāng)調(diào)整相關(guān)性能參數(shù) 。 下面針對(duì)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(hào)檢測(cè)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(shí)，每個(gè)隊(duì)員也有自己區(qū)分其他隊(duì)員的顏色標(biāo)識(shí)。視覺系統(tǒng)的任務(wù)是實(shí)時(shí)采集和處理足球場(chǎng)上的比賽場(chǎng)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(chǎng)上形勢(shì)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(shí)，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 。 視覺子系統(tǒng)的軟件流程如 圖 。 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(duì)于幾何畸變的矯正； (3) 色標(biāo)設(shè)計(jì)與辨識(shí)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(shí)精度。 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)攝像頭 圖像采集卡A/D 轉(zhuǎn) 化 圖像識(shí)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(jí) 本科畢業(yè)論文 11 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(cè)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(huì)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(duì)位置信息進(jìn)行預(yù)測(cè)。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(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。 無線通信過程如圖 ： 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)的數(shù)字信號(hào) PWM RF 發(fā)送器 R/C 接收器 PWM CPU 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 江蘇大學(xué) 20xx 級(jí) 本科畢業(yè)論文 12 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)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)