【正文】 是與無線通訊接口，接受運(yùn)動控制指令，驅(qū)動和控制各機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為了提高通信質(zhì)量和通信效率，在設(shè)計通信系統(tǒng)是應(yīng)該注意通信芯片的選擇和通信協(xié)議的制定。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(chǎn)生誤差；同時由于機(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)動電路和電動機(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)器人錯誤的動作，所以要求通信系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和可靠性。：江蘇大學(xué) 2022 級本科畢業(yè)論文12數(shù)字信號PWMRF 發(fā)送器R/C 接收器PWMCPU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。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(jī)擴(kuò)展搜索算法等 [25]。一段時間內(nèi)或者有一定目的的機(jī)器人隊伍整體決策稱為戰(zhàn)術(shù)，根據(jù)不同的情況采用不同的戰(zhàn)術(shù)。由于整個機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)作過程中會產(chǎn)生信息傳遞延時，視覺信息不能真實的反映當(dāng)前機(jī)器人和球的位置坐標(biāo)和方向，需要對位置信息進(jìn)行預(yù)測。它主要包括：視覺信息預(yù)測處理，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)動控制這幾個主要部分。江蘇大學(xué) 2022 級本科畢業(yè)論文11 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)節(jié)。濾除噪聲，提高質(zhì)量；(2) 圖像恢復(fù)。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。每個隊有自己的顏色標(biāo)識，每個隊員也有自己區(qū)分其他隊員的顏色標(biāo)識。下面針對足球機(jī)器人的各個子系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。足球機(jī)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(jī)進(jìn)行圖像分析與識別；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)動指令通過電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)所要求的動作即可。球隊由三個人組成，分別是領(lǐng)隊、教練和訓(xùn)練員，他們只允許留在看臺上觀看。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]。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(jìn)行加時賽。比賽每隊由五個邊長不超過 的立方體的遙控小車（機(jī)器人）組成。在接收到場地信息后主機(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。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)計的 [21]。經(jīng)過近十年的發(fā)展，F(xiàn)IRA 已經(jīng)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。緊接著又舉行了 MiroSot’97 賽事，同時召開了學(xué)術(shù)會議，引發(fā)了文集和錄像帶，使這個新生事物揚(yáng)名海外，茁壯成長 [20]。 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。由于分別感知，攝像頭置于機(jī)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(jī)器人之間的溝通需靠無線通訊網(wǎng)絡(luò)。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)器人能自主實現(xiàn)主動感知、思維決策、動作響應(yīng)等功能。在此系統(tǒng)中，多智能體協(xié)調(diào)問題變得突出和現(xiàn)實起來。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)。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(jī)器人，機(jī)器人進(jìn)而做出動作反應(yīng)。第六章，對本次設(shè)計進(jìn)行總結(jié)并提出后續(xù)研究的展望。第五章，決策系統(tǒng)硬件設(shè)計。第四章，決策系統(tǒng)軟件仿真。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(shè)計。介紹足球機(jī)器人的分類，以及機(jī)器人在 FIRA 國際比賽和實際系統(tǒng)中的構(gòu)成。對于角色分配部分，以守門員為例進(jìn)行策略設(shè)計。 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)勢分析和軌跡規(guī)劃兩個部分。利用遺傳算法解決機(jī)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(dǎo)，直接獲取問題的最優(yōu)解。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(jù)或預(yù)先設(shè)定的迭代次數(shù)為止，屬于迭代式算法 [18]。（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教授研究得出。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)計得當(dāng)，能夠做出最優(yōu)路徑判斷。最后把柵格序號轉(zhuǎn)換成機(jī)器空間的實際坐標(biāo)，令機(jī)器人按此路徑運(yùn)動。（2）柵格法針對人工勢場的缺陷，（vector field histogram）的方法，該方法采用柵格表示環(huán)境。人工勢場的建立結(jié)構(gòu)較為簡單，使用方便，可以考慮到多個機(jī)器人和球的共同影響。人工勢場法結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可以考慮了多個障礙物的影響并允許機(jī)器人在一個連續(xù)變化的環(huán)境中自由移動。目前最常用的軌跡規(guī)劃方法如下：（1）人工勢場法人工勢場法由Khatib于1986年提出的，其基本思想是構(gòu)造目標(biāo)位姿引力場和障礙物周圍的斥力場共同作用的人工勢場。路徑規(guī)劃問題可以描述成：給定一個移動機(jī)器人所處的環(huán)境，一個起始點和一個期望的終止點，機(jī)器人路徑規(guī)劃根據(jù)一定的任務(wù)要求，尋求一條連接七點和目標(biāo)點并且能避開環(huán)境中障礙物的運(yùn)動軌跡，即最優(yōu)或次優(yōu)有效路徑。而后者突出了場地不同位置的特征值，但卻忽略了對于場上其他因素（例如在相同區(qū)域中對方球員的個數(shù)）對比賽的影響。以上兩種態(tài)勢規(guī)劃的方法分別存在各自的優(yōu)缺點。國內(nèi)外決策系統(tǒng)的設(shè)計上廣泛采用空間分區(qū)的方法將球場劃分成為不同的區(qū)域，如死區(qū)、緊防守區(qū)、松防守區(qū)、中場區(qū)、進(jìn)攻區(qū)。當(dāng)R表示的是某種邏輯因果關(guān)系時，模糊變換就是一種模糊推理 [13]。RA B 模糊變換示意圖 Fuzzy Conversion Sketch Map設(shè)R為X*Y上的模糊關(guān)系，A是X上的模糊子集，則可求得相應(yīng)的B為：B=A*R[12]。所謂模糊變換，是指給定兩個集合之間的一個模糊關(guān)系，據(jù)此將一個集合上的模糊子集經(jīng)運(yùn)算得到另一個集合上的模糊子集的過程。主要實現(xiàn)步驟包括場地信息預(yù)處理、態(tài)勢分析、隊形確定與角色分配、軌跡規(guī)劃以及基本動作實現(xiàn)等。其中，最關(guān)鍵的是決策子系統(tǒng)，它相當(dāng)于整個系統(tǒng)的“大腦” ，因此決策子系統(tǒng)是整個足球機(jī)器人系統(tǒng)中研究最多的部分 [10]。綜上所述，開展足球機(jī)器人決策子系統(tǒng)的研究對于智能體結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)和工業(yè)等領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用都具有極其重要的作用。(3)體育應(yīng)用：將多機(jī)器人協(xié)作技術(shù)應(yīng)用到足球、籃球等體育團(tuán)體競技項目中，改進(jìn)競技策略，并使體育競技超現(xiàn)代化方向發(fā)展。(1)工業(yè)應(yīng)用：將機(jī)器人足球技術(shù)中的多機(jī)器人協(xié)作應(yīng)用到生產(chǎn)自動化上，用以改造舊的企業(yè)技術(shù)或開發(fā)新型高技術(shù)產(chǎn)品。而決策系統(tǒng)在足球機(jī)器人的研究中占有極其重要的作用，通過研究足球機(jī)器人決策系統(tǒng)有助于解決智能體的信息獲取、認(rèn)識建模、路徑規(guī)劃、策略學(xué)習(xí)以及反饋執(zhí)行等一系列問題。（4）歐美以及韓國、日本的機(jī)器人足球水平仍然處于領(lǐng)先地位 課題研究意義機(jī)器人足球是人工智能領(lǐng)域與機(jī)器人領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究課題，是一個極富挑戰(zhàn)性的高技術(shù)密集型項目。一些學(xué)術(shù)刊物如《The Intelligence Journal of Intelligent Automation and Soft Computer》、《The Journal on Robotics and Autonomous System》都出版了機(jī)器人足球的專輯 [12]。每屆世界杯賽各隊的戰(zhàn)術(shù)水平都有明顯提高，都會出現(xiàn)新穎的軟件、硬件設(shè)計和巧妙的戰(zhàn)術(shù)配合。（2）競爭激烈，比賽水平提高很快由于參賽隊伍多，除了一些一流強(qiáng)隊外，大部分實力接近，競賽趨于激烈。RoboCup 現(xiàn)有成員國近 40 個，參賽隊已經(jīng)從最初的 37支代表隊發(fā)展到今天的一百多支 [8]。目前，從機(jī)器人足球的國際發(fā)展來看，主要有以下幾個方面特點。目前，國內(nèi)有很多大學(xué)都有了自己的 FIRA 機(jī)器人足球隊，其中包括哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）、四川大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢科技大學(xué)、武漢工程大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)、西華大學(xué)等。一些學(xué)術(shù)刊物如《Artificial Intelligence Journal》、《AI Magazine》、《Applied Artificial Intelligence》、《Advanced Robotics Journal》等都出版了機(jī)器人足球?qū)］嫛＿@些論文集中介紹了與足球機(jī)器人相關(guān)的視覺系統(tǒng)、運(yùn)動規(guī)劃、動作設(shè)計、策略系統(tǒng)設(shè)計等領(lǐng)域的最新研究成果。在每一屆機(jī)器人足球世界杯比賽和地區(qū)性比賽期間，主辦者都會舉行相關(guān)的培訓(xùn)和研討會，并召開一些機(jī)器人足球?qū)ｎ}學(xué)術(shù)會議。從1996年在韓國大田的KAIST舉辦第一屆MiroSot比賽至今，F(xiàn)IRA已經(jīng)舉行了十二屆世界杯比賽，足跡遍布亞洲、歐洲、美洲和大洋洲，成為各類國際機(jī)器人競賽中最具水平和影響力的賽事之一 [5]。 課題研究背景足球機(jī)器人最初是由英屬哥倫比亞大學(xué)的Alan Mackworth教授在其1992年的“On Seeing Robots”一文中提出 [4]。并且在最后通過Middle League SimuroSot 5vs5仿真平臺對守門員策略進(jìn)行仿真。本文分析了決策系統(tǒng)中態(tài)勢分析和軌跡規(guī)劃兩個環(huán)節(jié)，總結(jié)國內(nèi)外設(shè)計方法，提出相應(yīng)的改進(jìn)策略。決策系統(tǒng)在足球機(jī)器人的研究中占有極其重要的作用。通過機(jī)器人的相互協(xié)作來完成一些復(fù)雜的問題，取締了在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下的人工作業(yè)，同時，它強(qiáng)大的運(yùn)算能力、通訊能力以及事物處理能力也為人們的工作生活帶來不可估量的影響。江蘇大學(xué) 2022 級本科畢業(yè)論文V目 錄第一章 緒論 .......................................................1 課 題研究背景 ..................................................1 課題研究 意義 ..................................................3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ................................................3 本課題來源及論文結(jié)構(gòu)安排 ......................................6第二章 足球機(jī)器人系統(tǒng)概述 ......................................7 足球機(jī)器人系統(tǒng)的分類 ..........................................7 FIRA 微型機(jī)器人比賽介紹 .......................................7 足球機(jī)器人系統(tǒng)介紹 ............................................9 視覺系統(tǒng) ...............................................10 決策系統(tǒng) ...............................................10 無線通信系統(tǒng) ...........................................11 機(jī)器人 小車系統(tǒng) .........................................12 本章小結(jié) .....................................................12第三章 決策系統(tǒng)總體設(shè) 計 ........................................13 決策系統(tǒng)設(shè)計原則 .............................................13 總體設(shè)計流程 .................................................14 機(jī)器人態(tài)勢分析設(shè)計 ...........................................15 場地劃分 ...............................................16 模糊變量的引入 .........................................17 機(jī)器人路徑規(guī)劃設(shè)計 ...........................................18 柵格法路徑規(guī)劃 .........................................19 人工勢場法解決局部避障 .................................20江蘇大學(xué) 2022 級本科畢業(yè)論文VI 角色 設(shè)計 .....................................................21 守門員 .................................................22 前鋒 .........