【正文】 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。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]。現(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)入危險區(qū)時，足球逼近球門，面臨著被射門的危險。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球在無危險區(qū)時，此時與球門的距離比較遠(yuǎn)，危險系數(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區(qū)、次危險區(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，在場地劃分時每兩個相鄰區(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)滾動時，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リ囆汀Ｎ曳奖平鼘Ψ角蜷T，占據(jù)極大的主動權(quán)和進(jìn)攻性，此時我方采用 2201，前鋒球員主動出擊尋求射門機(jī)會，增加命中率，中鋒協(xié)助前鋒射門，同時若射門失敗，中鋒可以立即轉(zhuǎn)為防守狀態(tài)。采用陣型為 2111。當(dāng)球位于該部分區(qū)域時，我方具有很強(qiáng)的進(jìn)攻性。與此同時，在我方球場區(qū)域仍然保留一名后衛(wèi)進(jìn)行防守。A4：助攻區(qū)，對方球場中靠近中線的四分之一區(qū)域。A3：助防區(qū)，我方球場除去防守區(qū)外剩下的區(qū)域。A2：防守區(qū)，靠近我方的四分之一場地區(qū)域。當(dāng)足球處于該區(qū)域內(nèi)時，我方受到極大的威脅，對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。根據(jù)敵我兩方位置關(guān)系，將球場劃分為六個區(qū)，場地劃分示意圖如圖 所示。本文在第一章中針對各自的優(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)勢分析，在綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上有效地對各自存在的缺點(diǎn)進(jìn)行彌補(bǔ)。如何讓球員準(zhǔn)確地感知場上局面，怎樣正確認(rèn)識并且快速做出角色判斷是態(tài)勢分析的主要任務(wù)，同時也是衡量決策系統(tǒng)優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo) [29]。所謂的態(tài)勢分析是指機(jī)器人如何識別和分析場上局面的方法。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。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。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)動路徑，而所有的復(fù)雜運(yùn)動過程都可以簡化為最基本的兩個動作（即以江蘇大學(xué) 2022 級本科畢業(yè)論文16一定速度運(yùn)動到目標(biāo)點(diǎn)和以一定角速度轉(zhuǎn)過目標(biāo)角度）來實(shí)現(xiàn)。在隊(duì)形確立后，計(jì)算機(jī)需要對各個隊(duì)員進(jìn)行不同的角色任務(wù)分配，賦予各自的角色屬性。在獲得場上信息之后計(jì)算機(jī)需要對場上隊(duì)員情況進(jìn)行態(tài)勢分析，讓機(jī)器人了解對方球員位置，做出危險判斷，采取適當(dāng)?shù)墓ナ夭呗浴Ａ酵评砟Ｐ秃芎玫孛枋隽藱C(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，避免在不必要的時候分解過細(xì)而造成機(jī)器人執(zhí)行的不連貫。從效果上來看是指在哪些條件下直接運(yùn)動到定點(diǎn)，什么時候走曲線，哪些情況下需要避障。每一個復(fù)雜的動作都是由很多個基本動作組合而成，基本動作包括定點(diǎn)（以一定速度運(yùn)動到某點(diǎn)）和轉(zhuǎn)角（以一定角速度轉(zhuǎn)過既定角度）。根據(jù)各個隊(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。通過分析球的位置和雙方機(jī)器人的位置來判斷各個機(jī)器人應(yīng)該采用進(jìn)攻策略還是防守策略。主要是計(jì)算各個實(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。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。它極大地影響著比賽的勝負(fù)結(jié)果。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)處理得到的球場環(huán)境信息數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場的情況（如當(dāng)前得分、控球方、對手的水平等因素）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)庫調(diào)用的策略，規(guī)劃機(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)動軌跡，從動作函數(shù)庫中調(diào)用相應(yīng)的動作函數(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)送給賽場上的足球機(jī)器人。 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 國際比賽規(guī)則和場地規(guī)劃。(4)傳感器電路。用來執(zhí)行決策命令，給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電路發(fā)送驅(qū)動信號。用來接收和解碼無線指令，獲得決策命令。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 級本科畢業(yè)論文13和擊球機(jī)構(gòu)；電路控制部分的功能