【導(dǎo)讀】究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計）不包含其他個人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。確說明并表示謝意。計）的電子版和紙質(zhì)版。有權(quán)將論文（設(shè)計）用于非贏利目的的少量。復(fù)制并允許論文（設(shè)計）進入學(xué)校圖書館被查閱。保密的論文（設(shè)計）在解密后適用本規(guī)。文科類論文正文字數(shù)不少于萬字。合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。性的高技術(shù)密集型項目。它涉及到機器人學(xué)、人工智能、智能控制、計算機視覺。決策系統(tǒng)作為整個足球機器人系統(tǒng)的核心，決定了機器人間的協(xié)調(diào)。協(xié)作，是機器人的“大腦”。具有十分重要的意義。動趨勢）進行狀態(tài)描述。并且在比賽局部引入人工勢場以完善機器人避障功能。路線站位法以及前鋒-球站位法的基礎(chǔ)上提出關(guān)鍵點-站位體系。最后，設(shè)計與制作了具備無線通訊功能的足球機器人。

　　

【正文】 網(wǎng)格就是一個柵格。柵格選擇的大小直接影響環(huán)境分辨率的大小、環(huán)境信息存儲量的大小、抗干擾能力和決策速度。所以要合理選擇柵格的大小，并給每個柵格一個初值。 （ 2）區(qū)域規(guī)劃好后，開始檢測障礙物的位置，并根據(jù)障礙物位置找到對應(yīng)柵格地圖中的 序號，并對對應(yīng)的柵格值進行修改。 （ 3）最后可以采用各種搜索方法，例如：動態(tài)二叉樹法等進行無碰撞最優(yōu)路徑規(guī)劃 在使用柵格法進行機器人 路徑規(guī)劃時需要注意選擇適合的柵格大小，如果過大，搜索出的路線折線光滑度不夠，將會影響路徑求解的質(zhì)量；反之，搜索空間較大也會曾加所需的存儲空間。 人工勢場法解決局部避障 機器人路徑規(guī)劃中， 機器人應(yīng)該盡量避免碰撞，一方面這是為了使得策略運用到事物機器人的實際性；另一方面也是為了能使角色在最短的時間內(nèi)有效地到達目標(biāo)位置完成任務(wù)。機器人避障行為在系統(tǒng)中首先通過觀察其從當(dāng)前位置到目 + + + + 目標(biāo)點 開始點 圖 柵格法路徑規(guī)劃 Reference Frame Designing 江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 21 標(biāo)位置之間的障礙物情況，如果沒有障礙物則直接運動到達目標(biāo)位置；否則，就要繞過障礙物到達目標(biāo)位置，并使得到目標(biāo)位置的開銷最小 [32]。如圖。 本論文 使用柵格法進行全局規(guī)劃，可以方便、簡潔地求解出最優(yōu)解。同時，構(gòu)建目標(biāo)引力場和障礙物斥力場共同作用的人工勢場，使路徑規(guī)劃更加合理全面地 進行全局搜索最優(yōu)路徑。在這個勢場中，每個物體都會對其他物體產(chǎn)生引力或者斥力影響，將引力場和斥力場進行向量疊加就構(gòu)成了路徑規(guī)劃的環(huán)境。 如圖所示 。 其中， 引力大小 與該物體和目標(biāo)之間的距離成正比 ， 斥力大小與障礙物之間的相對距離成正比 。 在接近于障礙物時 斥力增大， 使物體繞過障礙物繼續(xù)朝向目標(biāo)運動， 避免物體與障礙物 相撞。 在柵格法進行路徑規(guī)劃的同時結(jié)合人工勢場進行局部避障，能夠有效地在保證最優(yōu)路徑的基礎(chǔ)上避開障礙物實現(xiàn)決策系統(tǒng)對于準(zhǔn)確性、快速性的需求。 角色設(shè)計 每個角色都有一個本位點、目標(biāo)點和它的工作區(qū)域。 當(dāng)球進入了角色的工作區(qū)域時，角色就要從當(dāng)前的位置朝目標(biāo)點運動，其運動過程是一個避障運動。如果球不在其工作區(qū)域，則角色應(yīng)該運動到它的本位點并保持一定的方向角，其過程也應(yīng)該是一個避障運動。也就是說，角色需要對其運動軌跡進行規(guī)劃，找到一條合適的路徑來達到目標(biāo)點，而不至于犯錯誤，例如，把球撞入自家球門、為對方的進攻 作配合，以及和本方機器人產(chǎn)生互相推擠等錯誤。 障礙 目標(biāo)點 v v F 引 F 斥 F 合 圖 人工勢場建立示意圖 Sketchmap of Situationdesigning 避障路徑 機器人 障礙物 目標(biāo) 圖 機器人避障 示意圖 Sketchmap of Avoiding Obstacles 江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 22 守門員 守門員的職責(zé)是避免球進入本方的球門 ，如果其他 球員失去了防守能力， 那么 守門員將會成為最后一道防線， 由此可見守門員角色在比賽中 占據(jù)了舉足輕重的作用 [33]。守門員的本位點是球門中心點的正前方一定距離處。一旦球進入到守門員的工作區(qū)域中，守門員就開始根據(jù)球的位置和運動情況調(diào)整自身的位置來阻止球進入本方球門。 如圖 ，在圖 a（ 標(biāo)注全部名稱 ）所示的情況下 ，球的運動方向指向球門，也就是說按照 這種形勢過幾個周期球會進入球門，此時守門員應(yīng)該運動到球的入球點位置等待接球，此入球點就是球的運動射線與球門線的交點。在圖 b所示的情況下，球不向球門運動，此時守門員的站位應(yīng)該選擇球與球門中心的連線上，因為這一點有利于封堵對方的射門角度，并且能夠很迅速的前后移動。圖c 中，表示球位于球門區(qū)或者距離球門很近，守門員應(yīng)該按照箭頭方向運動，將球踢出球門區(qū)，因為如果在一定時間內(nèi)守門員未能把球踢出球門區(qū)會被罰點球。在圖 d所示的情況下， 表示球距離球門比較近了，而且守門員當(dāng)前的位置是該情況所示，這時候守門員就需要很小心的繞到目標(biāo)位置去截球，避免自己把球撞入本方的球門。 圖（ a） 圖（ b） 圖（ c） 圖（ d） 圖 守門員策略圖 Goalkeeper Strategy 江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 23 前鋒 前鋒是完成射門的角色。它的本位點可以是距離對方球門一定距離的某個位置，這要根據(jù)球的位置來定。前鋒隊員的目標(biāo)點是球與對方球門中心的連線的延長線距離球有一定小距離的位置，這可以根據(jù)時間系統(tǒng)進行調(diào)整。前鋒隊員在前場調(diào)用射門動作來完成它的角色任務(wù)。 中鋒 中鋒在足球比賽中充當(dāng)銜接的作用。其主要任務(wù)是當(dāng)球出現(xiàn)在本方半場的中間區(qū)域時，把球踢向?qū)Ψ桨雸?、破壞?方的傳球、對對方的中路接應(yīng)隊員進行卡位盯防。其本為點在球門中心正方向前面一定距離位置。當(dāng)球進入中鋒的工作區(qū)域時，中鋒根據(jù)自身的當(dāng)前位置和球的運動情況選擇是掃球、截球或是運動到對方接應(yīng)隊員前方干擾其射門。中鋒在得到對球的控制之后，將選擇帶球或是傳球以發(fā)動本方的進攻。 后衛(wèi) 后衛(wèi)主要是進行防御策略。當(dāng)對方球員帶球進入我們防守區(qū)域，后衛(wèi)應(yīng)該主動進行攔截，阻止對方球員射門。此外，當(dāng)球出現(xiàn)在本方半場的靠近兩邊的區(qū)域時，應(yīng)該把球踢向?qū)Ψ桨雸龊头乐箤Ψ綑C器人的下底傳中進攻。后衛(wèi)的本位點是在距離本方球門一定距離 的球門線附近，并且應(yīng)當(dāng)隨時根據(jù)足球位置的改變而進行角度轉(zhuǎn)動 [34]。 守門員策略改進 “一個好的守門員就是半支球隊?！笨梢娛亻T員角色在足球比賽中的重要性。守門員的職責(zé)就是避免球進入本方的球門。這里設(shè)計的守門員主要采取在球門線平行移動，主要是封堵對方的進球角度。也就是說其中關(guān)鍵的就是如何確定守門員在各種情況下的目標(biāo)位置。 守門員路徑控制 守門員的本位點是在球門中心點的正前方一定距離處。一旦球進入到守門員江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 24 的工作區(qū)域中，守門員就開始根據(jù)球的位置和運動情況調(diào)整自身的位置來阻止球進入本方球門。 守門員能 否成功防守對方的射門，一個重要的因素是守門員能夠先于球到達關(guān)鍵位進行防守，所以，合理的選取跑位目標(biāo)點至關(guān)重要。根據(jù)最短路徑原則，守門員應(yīng)該是在門前平行于門線的一條直線上進行來回運動，這樣對于守門員來說，每次撲救走的都是最短路徑，避免了轉(zhuǎn)角而浪費時間。其中，守門員站位線與球門線的垂直距離不能超過小球的直徑。 守門員防守原則 通常首先定義球突破守門員站位線的點為關(guān)鍵目標(biāo)點。守門員能夠進行成功的防守取決于兩個條件：一是站位點要靠近關(guān)鍵目標(biāo)點， d 站位點 關(guān)鍵目標(biāo)點 最??；二是撲救時守門員行使的是最快的速度 ， V 守門員 最大。于是就可以得到跑位的時間最短原則，即： 在設(shè)計守門員策略中應(yīng)該考慮最短原則，使得守門員運動路徑實現(xiàn)最優(yōu)，確保準(zhǔn)確、快速、高效地實現(xiàn)運動。 傳統(tǒng)的策略分析 傳統(tǒng) 的守門員站位方法包括 路線站位法、 中點 站位法和 角平分線 站位法 。然而 以上三 種站法都存在一定的不足，現(xiàn)針對 上述 傳統(tǒng)的防守策略進行 簡要 分析。 R2 R1 K1 K2 L1 L2 L3 圖 路線站位及前鋒 球站位 Route and Vanguardgoal strategy B1 B2 K1 K2 K3 Z1 Z2 X Y L 圖 角平 分線站位法 Anglehalving Strategy T= d 站位點 關(guān)鍵目標(biāo)點 V 守門員 （ 31） 江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 25 （ 1） 角平分線站位法 角平分線站位法的提出是為了讓守門員更快得到球，而選擇相對短的路線。主要步驟是：先做出當(dāng)前的射門三角區(qū)，然后做出射門三角區(qū)的頂角平分線，與守門員防守底線相交，將這個交點作為防守人員的目標(biāo)位置。它的優(yōu)點在于，為守門員選擇了防守射門三角區(qū)最優(yōu)路線，有利于機器人控制，且路徑為一條直線，避免了轉(zhuǎn)角所帶來的時間損失。但是，該方法帶來的缺點是減小 d 站位點 關(guān)鍵目標(biāo)點 的的 同時會使 V 守門員 變小，由 式（ 31） 知，時間 T 減小的效果并不明顯。如圖 所示。 球在 B1 位置時，守門員的站位目標(biāo)點在 K3， 球在 B2 位置時，守門員的站位目標(biāo)點在 K2，關(guān)鍵目標(biāo)點為 K1。可以看出角平分線站位法并不是一開始就將關(guān)鍵目標(biāo)點 K1 作為最終跑位點，而是逐漸逼近關(guān)鍵目標(biāo)點，由此產(chǎn)生的弊端是 K2 與 K3 相隔的距離近，守門員達到 K3 時會出現(xiàn)停頓，導(dǎo)致守門員跑到關(guān)鍵目標(biāo)點 K1 的時間并不是最短，因此，角平分線站位法防守角度刁鉆、球速快的射門的成功率較低。 （ 2） 路線站位法 路線 站位法是通過上位機對場上足球和雙方機器人的運動方向進行軌跡追蹤處理，計算出足球的運動方程 。 如圖 所示， L1 為守門員站位線， L2 為球的運動路線， L3 為對 方一號前鋒與球的連線。在路線站位法中， 守門員位于足球運動軌跡 L2 和和站位線 L1 的 交 點 K1 處。 該方法適用于足球一定范圍內(nèi)沒有對方球員出現(xiàn)的情況下，若如圖中所示，在球附近存在對方前鋒球員，球的射門路線 可能因為前鋒球員 R1 的補射而中途改變，這時路線站位法會撲救不及 。因此，在對方前鋒出現(xiàn)的情況下，有必要同時提出一種前鋒 球站位法，此方法是讓守門員站在對方前鋒和球的連線與守門員站位線的交點 K2 上，應(yīng)對對方前鋒的補射。 關(guān)鍵點 站位體系 以上兩種主要的防守策略各有各的優(yōu)勢，但均有不足。在此，本文提出關(guān)鍵點 站位體系的方法進行綜合處理。站位體系是將守門員的站位方式多元化、層次化、體系化，一次成功的防守是由多種站位方式的協(xié)作來完成的，經(jīng)過不同場地態(tài)勢分析，在不同的觸發(fā)條件下采用不同的防守策略，從而綜合各種站位方法江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 26 的優(yōu)點，彌補各自的不足。每種站位方法得到的站位點定義為關(guān)鍵點，在不同的時刻、不同的情況下，守門員應(yīng)該定位于不同的關(guān)鍵點。 如圖 所示： 通常關(guān)鍵點有三種選擇：一是選取角平分線站位法的目標(biāo)點，簡稱 為角平分線關(guān)鍵點；二是選取路線站位法的目標(biāo)點，簡 稱為路線關(guān)鍵點；三是選取前鋒 球站位法的目標(biāo)點，簡稱為前鋒 球關(guān)鍵點。 區(qū)域防守策略 根據(jù)足球在場上所處的位置，可以將球場劃分成為危險區(qū)、次危險區(qū)和安全區(qū) 。應(yīng)用關(guān)鍵點 站位體系的原理，針對不同區(qū)域中球 的不同狀態(tài)采用相應(yīng)的策略，選擇關(guān)鍵點。 場地區(qū)域劃分如圖所示（左半場為我方場地）： 機器人和足球的位置和速度矢量 視覺反饋系統(tǒng) ? 機器人決策系統(tǒng) 其他決策模塊 守門員站位體系模塊 決策 站位方式 1 站位方式 2 站位方式 n 關(guān)鍵點 1 關(guān)鍵點 2 關(guān)鍵點 n ? ? 圖 站位體系決策過程示意圖 Sketchmap of situation designing 江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 27 球在無危險區(qū)時，此時與球門的距離比較遠，危險系數(shù)較低。對于守門員來說最重要的是合理的站位讓自己的有效撲救范圍能夠覆蓋整個球門區(qū)域，以便為次危險區(qū)和主 危險區(qū)的防守創(chuàng)造有利條件。因此，當(dāng)球處于無危險區(qū)時，守門員應(yīng)迅速向角平分關(guān)鍵點靠近，這樣可以 覆蓋較大范圍的球門區(qū)域，減少大幅度跑動。 當(dāng)球位于次危險區(qū)時，守門員的任務(wù)是對球的狀態(tài)進行監(jiān)控和對球的運動軌跡進行預(yù)測，當(dāng)球的狀態(tài)發(fā)生變化時，迅速調(diào)整站位方式并重新對球的運動軌跡進行預(yù)測。該部分守門員的軌跡規(guī)劃可以分為兩種情況： （ 1）球 朝 向我方球門運動：此時應(yīng)該做好防守足球射門準(zhǔn)備，同時需要考慮對方前鋒補射的情況，因此，選取路線關(guān)鍵點與前鋒 球關(guān)鍵點的中間點作為站位點。 （ 2）球背離我方球門運動： 選取角平分線關(guān)鍵點 作為站位點。 當(dāng)球進入危險區(qū)時， 足球逼近球門，面臨著被射門的危險。此時，需要針對足球的當(dāng)前位置以及對方球員態(tài)勢分析及時做出決策，迅速執(zhí)行合理的撲救策略。 （ 1）球以高速向我方球門運動：此時有可能是對方球員進行射門，并且補射的可能性很小，因此，守門員可以直接選擇線路關(guān)鍵點為站位點進行防守。 （ 2）球以低速向我方球門運動：此時足球可能 只是傳中，并且容易被對方前鋒進行補射，因此分為以下兩種情況進行分別討論： 無危險區(qū) 次危險區(qū) 危 險區(qū) 射門區(qū) 圖 場地區(qū)域劃分 Field Designing Chart 江蘇大學(xué) 20xx 級 本科畢業(yè)論文 28 。為防止前鋒補射，守門員選擇前鋒 球關(guān)鍵點，一旦被前鋒補射，立即轉(zhuǎn)入第 一種情況中的線路關(guān)鍵點模式。 。此時的補射可能性較小，采用角平分線站位。 （ 3）球背離我方球門運動：此時極可能是對方的射門被我方守門員擋出。足球再次向我方球門運動 的情況只可能是對方前鋒進行補射，因此，守門員選擇前鋒 球關(guān)鍵點作為站位點進行防守即可。當(dāng)前鋒補射時立即轉(zhuǎn)入第一種情況中的線路關(guān)鍵點站位模式。 當(dāng)球進入射門區(qū)的時候，守門員的目標(biāo)點從各種情況下的站位點轉(zhuǎn)移為足球的實時坐標(biāo)。由于在此之前的各階段里守門員已近根據(jù)場上態(tài)勢