【正文】 /** 函數(shù)名 ：Angle* 功能 ：機(jī)器人運(yùn)動到指定的角度* 參數(shù)說明：robot——執(zhí)行動作的機(jī)器人江蘇大學(xué) 2022 級本科畢業(yè)論文37* desired_angle——目標(biāo)方向角度=============================================*/ int theta_e, vl, vrtheta_e = desired_angle (int)robotrotationif theta_e 180then theta_e = 360else if theta_e 180then theta_e += 360if (theta_e 90) theta_e += 180else if (theta_e 90) theta_e = 180if (abs(theta_e) 50)vl。要使機(jī)器人轉(zhuǎn)過指定角度，首先計(jì)算出當(dāng)前機(jī)器人的方向角與目標(biāo)方向角之間的角度差值，然后計(jì)算出機(jī)器人的左右輪速，調(diào)用速控命令。以下為速度控制的實(shí)現(xiàn)代碼。小車速度大小在 Middle League 項(xiàng)目中時限制在[125 ，125]區(qū)間內(nèi)。下面在坐標(biāo)系映射的球場中分別介紹各自的實(shí)現(xiàn)方法。江蘇大學(xué) 2022 級本科畢業(yè)論文35 fbotgbotygtopyftopgleft fleftx frightx gright圖 場地坐標(biāo)圖 Field Coordination映射到仿真系統(tǒng)中所對應(yīng)的坐標(biāo)值如表 所示。 決策系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì) 在進(jìn)行決策仿真之前，首先需要將場地信息進(jìn)行預(yù)處理，即是將球場信息映射成為坐標(biāo)系形式，用以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。使用該工具欄上的工具可以控制回放進(jìn)度和速度，以及仔細(xì)觀察和分析比賽的場景，方便裁判進(jìn)行判罰。1 2 3 4 5 6 7 8 9圖 回放控制工具欄 Replay Control Colum在回放模式下，在平臺的右邊界面有一工具欄可以進(jìn)行比賽觀看視角的改變控制。比賽模式下點(diǎn)擊“PAUSE”江蘇大學(xué) 2022 級本科畢業(yè)論文34按鈕可以暫停比賽，其按鈕會變成“RESUME” ，再點(diǎn)擊該按鈕就可以恢復(fù)比賽。仿真平臺有兩種工作模式：比賽模式和回放模式。圖 策略菜單 Strategy Menu圖 比分時間控制界面 Scoretime Control裁判可以點(diǎn)擊相應(yīng)的“+”按鈕和“”按鈕更改比賽計(jì)時。判罰結(jié)果將顯示在 Referee 下方。按照仿真比賽規(guī)則，比賽共可以出現(xiàn)五種判罰狀態(tài)：free call, place kick, penalty, free kick, goal kick。當(dāng)設(shè)計(jì)開發(fā)了策略程序后，先需要將其復(fù)制到相應(yīng)的文件夾里，在點(diǎn)擊“Send”按鈕后，仿真平臺將會把策略程序加載到平臺中，以便調(diào)用，如圖 42 所示。SimuroSot 仿真平臺將電動機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差忽略了，采用統(tǒng)一的速度控制模型，只要掌握了該模型就可以設(shè)計(jì)出控制算法，對機(jī)器人的軌跡進(jìn)行比較精確的控制。在實(shí)際比賽中，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與期望值總是存在偏差的，且不同的機(jī)器人之間也存在電動機(jī)性能的個體差異，這些因素在實(shí)際比賽中對機(jī)器人的運(yùn)動控制精度將產(chǎn)生重要影響。雖然 MiroSot 沒有規(guī)定參加比賽的微型機(jī)器人的具體結(jié)構(gòu)，但大多數(shù)參賽隊(duì)采用了同軸兩輪獨(dú)立驅(qū)動的小車形式。由上可以看出，SimuroSot 仿真環(huán)境是一個簡化了的 MiroSot 平臺，它簡化了傳感器信息提取與融合、圖像識別、通信、電動機(jī)控制等諸多環(huán)節(jié)，僅僅保留了機(jī)器人及球的物理模型。實(shí)際比賽系統(tǒng)采用無線通信的方式，通信干擾及通信時延等因素是實(shí)際比賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中必須要考慮的問題。因此，在 SimuroSot 仿真平臺中，機(jī)器人的位置、角度等信息可以直接通過與服務(wù)程序的交互得到，并且這個數(shù)據(jù)是沒有誤差的。攝像頭感光器件 CCD 的噪聲及環(huán)境光線所引起的誤差為偶然誤差，它極大地受到比賽但是條件的影響，需要每次比賽之前進(jìn)行重新校正。由于攝像頭本身的噪聲、分辨率的限制、鏡頭畸變以及環(huán)境光線的影響，攝像江蘇大學(xué) 2022 級本科畢業(yè)論文32頭所采集的視覺視頻圖像與真實(shí)環(huán)境總是存在誤差。將實(shí)際系統(tǒng)的硬件設(shè)備假設(shè)為理想的工作狀態(tài)，主要的簡化工作表現(xiàn)在以下幾個方面。精確的物理模型給比賽帶來了合理性和公平性，策略開發(fā)者完全可以根據(jù)真實(shí)機(jī)器人在比賽中采用的策略來開發(fā)仿真比賽策略，仿真平臺系統(tǒng)只是一個完全理想化的真實(shí)系統(tǒng)。三維仿真系統(tǒng)在觀看效果上比二維仿真系統(tǒng)有更強(qiáng)的真實(shí)感和臨場感。江蘇大學(xué) 2022 級本科畢業(yè)論文31Middle League SimuroSot 仿真平臺的主界面如圖 41 所示。這個小組由 Jo 領(lǐng)導(dǎo)的 Griffith 大學(xué)的信息技術(shù)學(xué)院的學(xué)生組成。三維圖形顯示和渲染可以使用 OPENGL、DirectX 或 OGRE 等 [36]?，F(xiàn)有的仿真平臺主要分為這樣幾個功能：圖形顯示和渲染模塊負(fù)責(zé)在計(jì)算機(jī)顯示出與實(shí)物或虛擬的事物的樣子；網(wǎng)絡(luò)通訊模塊負(fù)責(zé)多個智能體之間或智能體與系統(tǒng)之間的通信；物理引擎模塊負(fù)責(zé)相應(yīng)機(jī)器人物理模型的動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)控制特性 [35]。在此情況下，能夠簡化部分實(shí)物環(huán)節(jié)，保留模型核心特性的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)在開發(fā)設(shè)計(jì)中顯得尤為重要。其使用壽命一般在一年至三、五年。通過對比常見的角平分線法和路線站位法，提出關(guān)鍵點(diǎn)站位體系的設(shè)計(jì)思路。（3）角色設(shè)計(jì)。（2）路徑規(guī)劃。 本章小結(jié)本章主要討論了足球機(jī)器人決策系統(tǒng)中幾個關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)方法，包括以下三部分內(nèi)容：（1）態(tài)勢分析。當(dāng)球進(jìn)入射門區(qū)的時候，守門員的目標(biāo)點(diǎn)從各種情況下的站位點(diǎn)轉(zhuǎn)移為足球的實(shí)時坐標(biāo)。足球再次向我方球門運(yùn)動的情況只可能是對方前鋒進(jìn)行補(bǔ)射，因此，守門員選擇前鋒球關(guān)鍵點(diǎn)作為站位點(diǎn)進(jìn)行防守即可。此時的補(bǔ)射可能性較小，采用角平分線站位。為防止前鋒補(bǔ)射，守門員選擇前鋒球關(guān)鍵點(diǎn)，一旦被前鋒補(bǔ)射，立即轉(zhuǎn)入第一種情況中的線路關(guān)鍵點(diǎn)模式。（1）球以高速向我方球門運(yùn)動：此時有可能是對方球員進(jìn)行射門，并且補(bǔ)射的可能性很小，因此，守門員可以直接選擇線路關(guān)鍵點(diǎn)為站位點(diǎn)進(jìn)行防守。當(dāng)球進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)時，足球逼近球門，面臨著被射門的危險(xiǎn)。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(yùn)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(bǔ)射的情況，因此，選取路線關(guān)鍵點(diǎn)與前鋒球關(guān)鍵點(diǎn)的中間點(diǎn)作為站位點(diǎn)。因此，當(dāng)球處于無危險(xiǎn)區(qū)時，守門員應(yīng)迅速向角平分關(guān)鍵點(diǎn)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。場地區(qū)域劃分如圖所示（左半場為我方場地）： 無危險(xiǎn)區(qū)次危險(xiǎn)區(qū)危險(xiǎn)區(qū)射門區(qū)圖 場地區(qū)域劃分 Field Designing Chart球在無危險(xiǎn)區(qū)時，此時與球門的距離比較遠(yuǎn)，危險(xiǎn)系數(shù)較低。江蘇大學(xué) 2022 級本科畢業(yè)論文28 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(xiǎn)區(qū)、次危險(xiǎn)區(qū)和安全區(qū)。每種站位方法得到的站位點(diǎn)定義為關(guān)鍵點(diǎn)，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(diǎn)。在此，本文提出關(guān)鍵點(diǎn)站位體系的方法進(jìn)行綜合處理。江蘇大學(xué) 2022 級本科畢業(yè)論文27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(diǎn) K2 上，應(yīng)對對方前鋒的補(bǔ)射。在路線站位法中，守門員位于足球運(yùn)動軌跡 L2 和和站位線 L1 的交點(diǎn) K1 處。（2）路線站位法 路線站位法是通過上位機(jī)對場上足球和雙方機(jī)器人的運(yùn)動方向進(jìn)行軌跡追蹤處理，計(jì)算出足球的運(yùn)動方程。球在 B1 位置時，守門員的站位目標(biāo)點(diǎn)在 K3，球在 B2 位置時，守門員的站位目標(biāo)點(diǎn)在 K2，關(guān)鍵目標(biāo)點(diǎn)為 K1。但是，該方法帶來的缺點(diǎn)是減小 d 站位點(diǎn)關(guān)鍵目標(biāo)點(diǎn)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。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(diǎn)作為防守人員的目標(biāo)位置。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(jìn)行簡要分析。于是就可以得到跑位的時間最短原則，即： T=d 站位點(diǎn)關(guān)鍵目標(biāo)點(diǎn)V 守門員在設(shè)計(jì)守門員策略中應(yīng)該考慮最短原則，使得守門員運(yùn)動路徑實(shí)現(xiàn)最優(yōu)，確保準(zhǔn)確、快速、高效地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。 守門員防守原則通常首先定義球突破守門員站位線的點(diǎn)為關(guān)鍵目標(biāo)點(diǎn)。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(jìn)行來回運(yùn)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(fèi)時間。一旦球進(jìn)入到守門江蘇大學(xué) 2022 級本科畢業(yè)論文25員的工作區(qū)域中，守門員就開始根據(jù)球的位置和運(yùn)動情況調(diào)整自身的位置來阻止球進(jìn)入本方球門。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。守門員的職責(zé)就是避免球進(jìn)入本方的球門。 守門員策略改進(jìn)“一個好的守門員就是半支球隊(duì)。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(jī)器人的下底傳中進(jìn)攻。 后衛(wèi)后衛(wèi)主要是進(jìn)行防御策略。當(dāng)球進(jìn)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(yùn)動情況選擇是掃球、截球或是運(yùn)動到對方接應(yīng)隊(duì)員前方干擾其射門。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?、破壞對方的傳球、對對方的中路接?yīng)隊(duì)員進(jìn)行卡位盯防。前鋒隊(duì)員在前場調(diào)用射門動作來完成它的角色任務(wù)。它的本位點(diǎn)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。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。在圖 b 所示的情況下，球不向球門運(yùn)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?yàn)檫@一點(diǎn)有利于封堵對方的射門角度，并且能夠很迅速的前后移動。一旦球進(jìn)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(yùn)動情況調(diào)整自身的位置來阻止球進(jìn)入本方球門。江蘇大學(xué) 2022 級本科畢業(yè)論文23 守門員守門員的職責(zé)是避免球進(jìn)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]。如果球不在其工作區(qū)域，則角色應(yīng)該運(yùn)動到它的本位點(diǎn)并保持一定的方向角，其過程也應(yīng)該是一個避障運(yùn)動。 角色設(shè)計(jì)每個角色都有一個本位點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)和它的工作區(qū)域。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(yùn)動，避免物體與障礙物相撞。如圖所示。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(jìn)行全局搜索最優(yōu)路徑。如圖。 人工勢場法解決局部避障機(jī)器人路徑規(guī)劃中，機(jī)器人應(yīng)該盡量避免碰撞，一方面這是為了使得策略運(yùn)用到事物機(jī)器人的實(shí)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(dá)目標(biāo)位置完成任務(wù)。（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(jìn)行修改。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。最后把柵格序號轉(zhuǎn)換成機(jī)器人空間實(shí)際坐標(biāo)，令機(jī)器人按照此路徑運(yùn)動 [31]。若某一柵格范圍內(nèi)不包含任何障礙物，則稱此柵格為自由柵格；反之則稱為障礙柵格。目前，在路徑規(guī)劃方面常見的包括路標(biāo)法、柵格法、人工勢場法以及遺傳算法等等，結(jié)合各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用柵格法對總體進(jìn)行設(shè)計(jì)，以上提到的局部碰撞問題通過建立人工勢場加以解決。機(jī)器人不可避免的會產(chǎn)生相互之間的碰撞，而這種碰撞又往往是需要避免的，這就需要在路徑規(guī)劃中實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制的同時引入避障策略加以改善。機(jī)器人在一個尺寸場地固定的環(huán)境中進(jìn)行比賽，通過視覺系統(tǒng)對場地信號的獲取，機(jī)器人可以掌握整個比賽場地的數(shù)據(jù)信息，其中包括物體的相對位置、速度矢量以及簡單的幾何形狀等，這些都給路徑規(guī)劃帶來了便利。機(jī)器人在運(yùn)動規(guī)劃和控制問題上具有典型性，同時，足球比賽這種應(yīng)用環(huán)境也使得機(jī)器人的路徑規(guī)劃具有鮮明的特點(diǎn)。移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃問題可以總結(jié)為由 DurrantWhyte H F 提出的三個問題：（1）“我現(xiàn)在何處？”（2）“我要往何處去？”江蘇大學(xué) 2022 級本科畢業(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)由兩級規(guī)劃組成，即局部規(guī)劃（local planning）和全局規(guī)劃（global planning）。路徑規(guī)劃是移動機(jī)器人導(dǎo)航中最重要的任務(wù)之一。角色需要完成運(yùn)動規(guī)劃，即角色每次執(zhí)行任務(wù)，通常是從當(dāng)前位置運(yùn)動到目標(biāo)位置，這期間的運(yùn)動軌跡如何是需要進(jìn)行規(guī)劃的，而不是簡單的調(diào)用基本動作來完成，而且還需要考慮機(jī)器人避障。E∈{1，0}1：表示球的運(yùn)動方向朝向我方半場；0：表示球的運(yùn)動方向背離我方半場；在決策過程中，球的運(yùn)動趨勢是以預(yù)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(guān)系就可以實(shí)現(xiàn)場地態(tài)勢的分析和反饋。若存在的話則開啟人工勢場避障功能，否則不需要進(jìn)行避障。因此，在上面介紹的場地劃分基礎(chǔ)上，本文引入模糊變量對場地信息加以描述，使計(jì)算機(jī)能夠全面、精確地了解場上態(tài)勢，從而做出正確決策。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。因此，在場地