【文章內容簡介】 因此，該方法適合運用于局部避障系統(tǒng)，而對于全局設計欠佳。 （ 2）柵格法 針對人工勢場的缺陷， VFH（ vector field histogram）的方法，該方法采用柵格表示環(huán)境。其中， 某一個柵格范圍內不包含任何障礙物，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成了一個連通圖，在這個連通 圖上搜索一條從起始柵格到目標柵格的路徑，該路徑均由自由柵格構成，用柵格的序號來表示。最后把柵格序號轉換成機器空間的實際坐標，令機器人按此路徑運動。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)路徑三個過程 [17]。 通過搜索獲取自由柵格，機器人可以有效地進行路徑規(guī)劃，只要搜尋方法設計得當，能夠做出最優(yōu)路徑判斷。但是在使用柵格法的時候，需要注意柵格的大小設計，如果選擇過大，可能會造成機器人決策的不精確，影響軌跡規(guī)劃；反之，如果柵格分得過細，又會導致系統(tǒng)存儲量過大，加重計算機負荷。 （ 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的 Holland江蘇大學 20xx 級 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、進化原理，并引用了隨機統(tǒng)計理論。在求解過程中，算法從一個初始變量群體開始，逐代尋找問題的最優(yōu)解，直至滿足收斂判據或預先設定的迭代次數為止，屬于迭代式算法 [18]。 該方法是一種自適應的機器學習算法，一大特點是具有較強的適應性。利用遺傳算法解決機器人動態(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，直接獲取問題的最優(yōu)解。但遺傳算法運算速度不快，進化過程的規(guī)劃要占用較大的存儲空間和運算時間。 本課題 來源及論文結構安排 本文研究了 足球機器人決策系統(tǒng)并側重研究決策系統(tǒng)中態(tài)勢分析和軌跡規(guī)劃兩個部分 。 通過綜合國內外研究方案，建立四元模糊矢量模型和 軌跡規(guī)劃方案以完善相應的策略部分。 對于角色分配部分，以守門員為例進行策略設計。 全文分為六 章 ，本文后續(xù)章節(jié)內容安排如下： 第二章 ， 足球機器人系統(tǒng) 總體設計 。介紹足球機器人的分類，以及機器人在FIRA 國際比賽和實際系統(tǒng)中的構成。 第三章 ，決策系統(tǒng)設計。主要介 紹 在遵循六步推理模型的基礎上決策系統(tǒng)總體設計方案， 其中包括 態(tài)勢分析、路徑規(guī)劃 、角色分配 等環(huán)節(jié)策略 的設計。 并且針對角色分配中守門員的任務要求提出了關鍵點 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，并且 以守門員決策系統(tǒng)為例， 運用該仿真軟件實現設計方案。 第五章 ， 決策系統(tǒng)硬件設計 。介紹 圓夢二代小車 的實物系統(tǒng)組成，硬件搭建過程以及預期實現功能。 第六章 ，對本次設計進行總結并提出后續(xù)研究的展望 。 江蘇大學 20xx 級 本科畢業(yè)論文 7 第二章 足球機器人系統(tǒng) 總體設計 足球機器人系統(tǒng)的分類 根據感知系統(tǒng)實現方式和策略決策所在的位置，足球機器人系統(tǒng)可劃分為：集控式足球機器人系統(tǒng)、 集中視覺式 (半自主式 )足球機器人系統(tǒng)、分布控制式 (自主式 )足球機器人系統(tǒng) [19]。 ① 集控式足球機器人系統(tǒng) 集控式足球機器人系統(tǒng)通過由安放在球場上放的攝像頭獲取視覺圖像，并送至主機進行圖像分析與識別，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)送給本隊各機器人，機器人進而做出動作反應。該系統(tǒng)屬于集中視覺遙控無腦多機器人系統(tǒng)。 FIRA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，實現了機器人的獨立決策。在此系統(tǒng)中，多智能體協(xié)調問題變得突出和現實起來。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主動感知、思維決策、動作響應等功能。即全部功能環(huán)節(jié)均由機器人獨立實現。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絡。網絡形式和協(xié)議也是須待解決的關鍵問題。 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1997 年 6 月 7 日韓國大田召開了 FIRA 成立大會，通過了 FIRA 章程，選舉了領導機構。緊接著又舉行了 MiroSot’ 97 賽事，同時召開了學術會議，引發(fā)了文集江蘇大學 20xx 級 本科畢業(yè)論文 8 和錄像帶，使這個新生事物揚名海外，茁壯成長 [20]。自此以后， FIRA 每年舉辦一屆比賽。 經過近十年的發(fā)展， FIRA 已經從最初參賽的 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 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 ： 圖 中型組（ 5vs5）場地標記 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 20xx 級 本科畢業(yè)論文 9 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主機發(fā)送來的運動指令 通過電機驅動 實現 所 要求的動作 即可 。 足球機器人結構框圖 如圖 ： 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，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)結構框圖 Structure Chart of Robot Soccer System 江蘇大學 20xx 級 本科畢業(yè)論文 10 況適當調整相關性能參數 。 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，由攝像頭、采集卡等硬件處理設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，視覺部分的關鍵是獲得準確的機器人的位姿信息，為決策系統(tǒng)協(xié)調策略做好準備。場上形勢瞬息萬變，視覺系統(tǒng)必須實現每秒數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，提高質量； (2) 圖像恢復。對于幾何畸變的矯正； (3) 色標設計與辨識算法研究； (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。 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)攝像頭 圖像采集卡A/D 轉 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 江蘇大學 20xx 級 本科畢業(yè)論文 11 節(jié)。決策系統(tǒng)是一個多智能體系統(tǒng)的協(xié)調控制系統(tǒng)。它主要包括：視覺信息預測處理，多智能體 (MAS)協(xié)調策略、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測。一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。 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）通過計算機的數字信號 PWM RF 發(fā)送器 R/C 接收器 PWM CPU 通信子系統(tǒng) 機器人小車 圖 無線通信過程 Flow Chart of Wireless Communication System 江蘇大學 20xx 級 本科畢業(yè)論文 12 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(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