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两华人学硕+ 学位论文 m i r o s o t 足球机器人决策子系统的研究 机械设计及理论专业 研究生伍龙军指导教师朱维兵 足球机器人是当前机器人研究中的一个热点，涉及机器人学、人工智能、 智能控制、计算机视觉等多个领域。足球机器人系统作为一个典型的多智能 体协作系统，为机器人学、多智能体系统理论研究和技术应用提供了一个理 想的实验平台。 m i r o s o t 足球机器人系统由视觉子系统、决策子系统、通讯子系统和足球 机器人小车子系统等四个部分组成。要想在机器人足球比赛中战胜对手，取 得比赛胜利，机器人足球系统的每个部分都必须具有优良的性能，并能协调 可靠地工作。本文着重对m i r o s o t 足球机器人系统的决策子系统的相关技术 进行了研究，取得了阶段性成果。 本文首先归纳了m i r o s o t 足球机器人的体系结构，介绍了足球机器人决 策子系统推理模型，结合m i r o s o t 足球机器人的特点，选用了比较成熟的三 层决策模型，将决策子系统分为协调层、动作规划层和基本动作层。 针对基本动作层，建立了差动式机器人小车的运动学和动力学模型，介 绍了常用的基本动作。针对现有控制方式的缺点，在考虑机器人动力约束条 件的基础上，提出了新的控制方法_ p d d 2 控制方法。实验表明，该方法能使 机器人更加快速、准确、稳定地到达目标位置和姿态。 介绍了运动规划层的研究内容，介绍了机器人足球比赛中各个层次的不 同动作，阐述了在机器人足球比赛中实现动作时的路径规划的特点。介绍了 典型的路径规划方法，并分析了各自的优缺点，针对机器人足球比赛的特点 和机器人的动态特性，基于传统人工势场法提出了自主势场的概念，给出了 新的路径规划方法一基于自主势场的路径规划方法。实验表明，新方法克服 了传统势场方法的缺点，具有较强的路径规划能力，能较好的适应机器人足 球比赛中复杂多变的环境。 西华大学硕士学位论文 在介绍了协调层的构成，对其中的策略选择和角色分配及转换进行了讨 论之后，介绍了决策子系统软件的结构和流程，在原有的决策子系统框架下， 开发了满足比赛实时性要求的决策子系统模块。 关键词：足球机器人，决策子系统，运动控制，路径规划 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h ed e c i s i o n - - m a k i n gs u b s y s t e m o fm i r o s o ts o c c e rr o b o t s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y p o s t g r a d u a t e ：w ul o n g - j u ns u p e r v i s o r ：z h uw e i b i n g r o b o t i cs o c c e ri san e wi n t e r d i s c i p l i n a r yr e s e a r c ha r e a ，w h i c he n c o m p a s s e s d i v e r s ef i e l d ss u c ha sr o b o t i c s ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，c o m p u t e r v i s i o na n ds oo n s o c c e rr o b o ts y s t e mi sat y p i c a lm u l t i - a g e n tc o o p e r a t i v es y s t e m t h i ss y s t e mp r o v i d e st h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fr o b o t i c s ，m u l t i a g e n ts y s t e ma n d r e l a t i v ef i e l d sas t a n d a r dt e s t b e d m i r o s o to fr o b o ts o c c e r s y s t e m c o n s i s t so ff o u rc o m p o n e n t s ：v i s i o n s u b s y s t e m ，d e c i s i o n - m a k i n gs u b s y s t e m ，c o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e ma n dr o b o tc a r s u b s y s t e m i no r d e rt oc o n q u e ro p p o n e n ti ns o c c e rr o b o tg a m e ，e a c hp a r t so f s o c c e rr o b o ts y s t e mm u s tb ee x c e l l e n tc a p a b i l i t ya n dc o o p e r a t i v ew o r kr e l i a b l y t h ev i c t o r yi nt h er o b o ts o c c e ri sb a s e do nt h ee x c e l l e n tc a p a b i l i t ya n dc o o p e r a t i o n b e t w e e np a r t so ft h er o b o ts y s t e m t h i st h e s i so n l ye m p h a s i z e so u rr e s e a r c ho n s o m er e l a t i v et e c h n o l o g i e si nd e c i s i o n m a k i n gs u b s y s t e m ，f r o mw h i c hw eh a v e s u c c e e d e di na c c o m p l i s h i n gt h es t a g ew o r k si nt h es y s t e m f i r s t l y ，t h i st h e s i ss u m su pt h es y s t e ms t r u c t u r eo fm i r o s o ts o c c e rr o b o t ， i n t r o d u c e st h ec o n s e q u e n c em o d e lo fd e c i s i o n m a k i n gs u b s y s t e m c o n s i d e r i n gt h e c h a r a c t e r i s t i co fm i r o s o t ，c h o o s e st h er e l a t i v e l ym a t u r et h r e e l e v e l s d e c i s i o n m a k i n gm o d e la n dd i v i d e st h es u b s y s t e mi n t oc o o r d i n a t i o nl e v e l ，m o t i o np l a n n i n g l e v e la n db a s i ca c t i o nl e v e l s e c o n d l y , f o c u s i n go nt h eb a s i ca c t i o nl e v e l ，t h ed i f f e r e n t i a ld r i v e nm o b i l e r o b o tk i n e m a t i c sm o d e la n dd y n a m i cm o d e la r es e tu pa n dc o m m o nu s e db a s i c a c t i o n sa r ei n t r o d u c e d t oc o n q u e rt h ed e f e c to fm o t i o nc o n t r o lm o d ei ne x i s t e n c e ， l i l 两华大学硕士学位论文 an e wm o t i o nc o n t r o l l i n gm e t h o d ，p d d 2c o n t r o l l i n gm e t h o d ，i sd e v e l o p e d ，w h i c h c o n s i d e r st h ed y n a m i c a lr e s t r i c t i o no fr o b o t t h ee x p e r i m e n td a t ad e m o n s t r a t et h a t t h i sm e t h o da l l o w sag e n e r a ld i f f e r e n t i a ld r i v e nm o b i l er o b o tt or e a c ht h et a r g e t p o i n ta n dg i v e np o s t u r er a p i d l y , a c c u r a t e l ya n ds t e a d i l y t h i r d l y , i n t r o d u c e st h ec o n t e n to fm o t i o np l a n n i n gl e v e la n dd i f f e r e n ta c t i o n s i ne a c ha c t i o nl e v e l s t h e ne x p o u n d st h ec h a r a c t e r i s t i co fp a t hp l a n n i n gi nt h e r o b o ts o c c e rg a m e s ，i n t r o d u c e st y p i c a lp a t hp l a n n i n gm e t h o da n da n a l y s e st h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s c o n s i d e r i n gt h ed y n a m i cc h a r a c t e r so fr o b o t ， e x p o s e st h ec o n c e p t i o no fa u t o n o m o u sp o t e n t i a lf i e l db a s e do nt h ec o n v e n t i o n a l a r t i f i c i a lp o t e n t i a lf i e l d ，a n dd e s i g n san e wp a t hp l a n n i n gm e t h o d ，t h ep a t h p l a n n i n gm e t h o db a s e do na u t o n o m o u sp o t e n t i a l f i e l d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s h o w st h a tt h en e wm e t h o dh a sg o o dp r a c t i c a l i t y , o v e r c o m e st h ed r a w b a c k so ft h e c o n v e n t i o n a lp o t e n t i a lf i e l dm e t h o d s ，a n da d a p t st ot h ec o m p l e xa n dv a r i a t i o n a l e n v i r o n m e n ti nt h er o b o ts o c c e rg a m e sw e l l a f t e ri n t r o d u c e dt h ec o n s t i t u e n to fc o o r d i n a t i o nl e v e la n dd i s c u s s e dt h e s t r a t e g yc h o o s i n ga n dt h er o l ea s s i g n m e n t ，i n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n df l o wo ft h e d e c i s i o n m a k i n gs u b s y s t e ms o f t w a r e f i n a l l y , i n t r o d u c e s t h e d e v e l o p m e n t o f m o d u l e s ，w h i c ha c c o r d s w i t ht h er e a l - t i m ec h a r a c t e r , b e n e a t ht h ef o r m e r d e c i s i o n - m a k i n gf r a m e w o r k k e y w o r d s ：s o c c e rr o b o t ，d e c i s i o n - m a k i n gs u b s y s t e m , m o t i o nc o n t r o l ，p a t hp l a n n i n g i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特i i i i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 9 艿年月r 日 浒6 月r 日 两华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 机器人简介 人类对机器人的幻想与追求已有三千多年的历史，人类一直希望制造一 种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。现代机器人的研究始于2 0 世纪中期。自2 0 世纪6 0 年代初美国a m f 公司的第一个工业机器人 “v e r s t 凡蝌”和u n i m a t i o n 公司推出的“u n i m a t e ”登上历史舞台以 来，机器人技术得到迅速发展，从最初的示教再现机器人，与第二代具有一 定感知功能和适应能力的离线编程型机器人，发展到现在的第三代智能型机 器人。作为人类二十世纪的一项伟大发明，机器人在人类生活中扮演着越来 越重要的角色，已在众多的科学领域与工业部门中得到应用，并显示出强大 的生命力。 机器人技术涉及到计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智 能、仿生学等众多学科领域，综合了多学科的发展成果。机器人技术是人工 智能研究的主要阵地，是培养信息、自动化领域科技人才的重要手段，同时 也是展示高科技水平的生动窗口和促进科技成果转化的有效途径。对机器人 研究和应用的水平，是一个国家工业信息与自动化水平的重要标志。 机器人足球是伴随着智能机器人技术和分布式人工智能的发展而迅速兴 起的一种高科技对抗活动，是机器人和人工智能领域最具挑战性的研究课题 之一。足球机器人是一个典型的智能机器人系统，集人工智能、智能控制、 无线通信、计算机视觉等多项技术为一体，代表着高技术的发展前沿，为机 器人技术研究提供了一个良好平台，同时又是人工智能的一个理想突破点。 1 9 9 7 年i b m 公司研制的计算机深蓝( d e e pb l u e ) 战胜国际象棋大师卡斯帕 洛夫( k a s p a r o v ) 是人工智能学科的一个里程碑，表明机器人可以战胜人类 天才，实现了人工智能学者近5 0 年的梦想。而绿茵场上的“人机大战”将成 为下一个5 0 年的梦想。 1 2 机器人足球比赛 1 2 1 起源与发展 让机器人踢足球，最初是由加拿大b r i t i s hc o l u m b i a 大学的a l a n m a c k w o r t h 教授提出的。他在1 9 9 2 年的一次国际人工智能会议上提交的论文 o ns e e i n gr o b o t s ) ) 中提出了进行机器人足球比赛的设想1 1 ，目的是推动人 l 西华火学硕+ 学位论文 工智能学科的发展，为人工智能和智能机器人学科的发展提供一个具有标志 性和挑战性的课题。1 9 9 2 年1 0 月在东京召开的关于“人工智能领域的巨大挑 战学术研讨会( w o r k s h o po ng r a n dc h a l l e n g e si na r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ， o c t 19 9 2 ，t o k y o ) 上，与会者认真讨论了开展机器人足球比赛对于发展科学技 术的意义。在众多课题中，与会学者普遍认为让机器人踢足球是机器人与人 工智能领域最具挑战性的研究课题。此想法一经提出，便得到了各国科学家 的普遍赞同和积极响应，国际上许多著名的研究机构和组织开始开展研究， 将其付诸实现并不断推动其发展。 目前在世界上比较有影响的赛事主要有两个，一个是由国际机器人足球 联盟( f i r a ) 每年举办一次的f i r a 世界杯机器人足球赛( f i r ar o b o w o r l d c u p ) ，另一个是由国际人工智能协会组织的机器人世界杯r o b o c u p ( t h e r o b o tw o r l dc u pi n i t i a t i v e ) 。 f i r a 微机器人足球比赛是由韩国高等技术研究院( k o r e aa d v a n c e d i n s t i t u t eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，k a i s t ) 的金钟焕( j o n g h w a nk i m ) 教 授于1 9 9 5 年提出，并于1 9 9 6 年在k a i s t 所在的韩国大田( d a e j e o n ) 举办 了第一届国际比赛。1 9 9 7 年6 月，第二届微机器人足球比赛( m i r o s o t 9 7 ) 在 k a i s t 举行期间，国际机器人足球联盟( f e d e r a t i o no fi n t e r n a t i o n a l r o b o t s o c c e r a s s o c i a t i o n ，f i r a ) 宣告成立。此后f i r a 在全球范围内每年举 行一次f i r a 世界杯机器人足球赛，同时举办学术会议( f i r a c o n g r e s s ) ，供 参赛者交流他们在机器人足球研究方面的经验和技术。至今，f i r a 已组织了 十二届机器人足球世界杯赛。随着机器人足球的成熟与相关技术的发展， f i r a 的比赛项目也在不断升级，复杂程度也越来越大。目前，f i r a 组织的 比赛主要有以下项引2 】： ( 1 ) 微型机器人足球比赛( m i r o s o t ) ； ( 2 ) 仿真机器人足球比赛( s i m u r o s o t ) ； ( 3 ) 超微型足球机器人比赛( n a r o s o t ) ； ( 4 ) 自主式小型机器人足球比赛( r o b o s o t ) ； ( 5 ) 微型自主机器人足球比赛( k h e p e r a s o t ) ； ( 6 ) 人形机器人足球比赛( h u r o s o t ) 。 r o b o c u p 是国际人工智能学会组织的国际机器人足球协会，是一个专门 主办机器人世界杯赛的国际协会性组织，成立于1 9 9 6 年，总部设在同本名古 2 西华大学硕士学位论文 屋。r o b o c u p 比赛的前身是日本机器人足球赛，由日本的北野宏明和浅f f l 埝 等学者于1 9 9 3 年6 月发起创办。它是一个通过提供足球比赛这个标准问题来 促进人工智能、机器人以及相关领域的研究而建立的国际组织。其最终目标 是经过5 0 年左右的研究，使机器人足球队能战胜人类足球冠军队。r o b o c u p 的活动包括有：技术会议、机器人比赛、挑战计划、教育计划、基础发展等， 而机器人比赛是所有活动的核心。目前机器人比赛的类型包括【3 】： ( 1 ) 足球比赛( r o b o c u p s o c c e r ) 仿真组( s i m u l a t i o nl e a g u e ) ； 小型组( s m a l l s i z er o b o tl e a g u e ( f - 1 8 0 ) ) ； 中型组( m i d d l e s i z er o b o tl e a g u e ( f 2 0 0 0 ) ) ； 四腿组( f o u r - l e g g e dr o b o tl e a g u e ) ； 类人组( h u m a n o i dl e a g u e ) 。 ( 2 ) 营救比赛( r o b o c u p r e s c u e ) 仿真组( r o b o c u p r e s c u es i m u l a t i o nl e a g u e ) ： 机器组( r o b o c u p r e s c u er o b o tl e a g u e ) ； ( 3 ) 青少年比赛( r o b o c u p j u n i o r ) 足球机器人( s o c c e rc h a l l e n g e ) ； 舞蹈机器人( d a n c ec h a l l e n g e ) ； 救援机器人( r e s c u ec h a l l e n g e ) 。 从目前国际发展情况来看，机器人足球主要有以下几个方面的特点： ( 1 ) 发展迅速，比赛规模逐年扩大 经过十余年的发展，f i r a 已经从最初参赛的3 0 支代表队发展到3 0 多个 国家组织的上百支球队。r o b o c u p 现有成员国近4 0 个，参赛队已经从最初的 3 8 支代表队发展到今天的三四百支。可见机器人足球发展之迅速。 ( 2 ) 竞争激烈，比赛水平提高很快 由于参赛队伍众多，大部分实力接近，竞争趋于激烈，使得每届比赛各 队的战术水平都有明显提高，都会出现新颖的软、硬件设计和巧妙的战术配 厶 口o ( 3 ) 国际研讨、著名期刊、会议倍加重视 机器人足球正以一种高科技对抗性的形式赢得学术界的认同。一些学术 刊物如( ( t h ej o u r n a lo nr o b o t i c sa n da u t o n o m o u ss y s t e m ) ) 、t h ei n t e r n a t i o n a l 3 西华大学硕+ 学位论文 j o u r n a lo fi n t e l l i g e n ta u t o m a t i o na n ds o f tc o m p u t i n g ) ) 、 a d v a n c e dr o b o t t e s j o u r n a l ) ) 等都出版了足球机器人专辑，。一年一度的世界杯赛也都同时召开 学术会议，推动相关学科的进展，一些有影响的国际学术会议如w a c 9 8 ( w o r l da u t o m a t i o nc o n g r e s s ，世界自动化大会) 、a r o b i i i 9 8 ( t h e3 r d i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo na r t i f i c i a ll i f e & r o b o t i c s ) 等也都安排了这方面的 专题讨论。 我国对机器人足球的研究起步较晚，于1 9 9 7 年才开始涉足机器人足球比 赛的研究与探索。1 9 9 7 年东北大学人工智能与机器人研究所加入f i r a ，并 研制开发出微型足球机器人系统。1 9 9 8 年东北大学举办了机器人足球技术研 讨班，还成立了中国第一支机器人足球队一东北大学“牛牛”队。1 9 9 9 年4 月，中国机器人足球协会在哈尔滨成立，并正式加入f i r a 。1 9 9 9 年8 月， 东北大学作为中国第一支代表队参加了在巴西举办的第四届机器人世界杯足 球赛，并取得了较好的成绩。同年1 0 月在哈尔滨工业大学举行首届中国机器 人足球锦标赛，全国二十多家院校和研究所参加。在r o b o c u p 方面，1 9 9 9 年 r o b o c u p 中国分会成立，同年1 0 月，清华大学和中国科技大学在重庆举办了 中国首届r o b o c u p 比赛。中国科技大学参加了2 0 0 0 在澳大利亚墨尔本举行 的第四届r o b o c u p 世界杯足球赛。2 0 0 1 年，清华大学夺得了r o b o c u p 仿真 比赛的冠军，2 0 0 2 年又在日本摘桂，蝉联冠军。2 0 0 2 年开始，中国自动化学 会机器人竞赛委员会统管了国内f i r a 和r o b o c u p 的比赛，决定每年举行包 括上述项目的中国区机器人竞赛。机器人足球在国内引起了普遍重视，目前 已有几十家单位参加了机器人足球比赛，并通过各种形式提高研究水平。我 校也于2 0 0 2 年成立了西华大学机器人足球队，并屡次在比赛中取得优异的成 绩。目前我国的机器人足球水平已有很大提高，在2 0 0 7 年的f i r a 机器人足 球世界杯中，中国队获得了四项冠军。可以说，中国的机器人足球事业已经 逐步走向国际舞台。 虽然机器人足球在中国刚刚兴起，但它已引起广大科技工作者很大的关 注。我们相信，机器人足球活动会随着知识经济时代的到来而将蓬勃发展。 机器人足球世界杯赛也会在人们的心目中从无到有，并占据引人关注的位置。 2 0 0 1 年f i r a 世界杯成功地在中国北京进行，对推动中国机器人足球的研究 起到了巨大的作用；2 0 0 8 年7 月，r o b o c u p 与f i r a 世界杯将先后来到中国， 这必将掀起中国机器人足球运动的又一个高潮。 4 西华人学硕十学位论文 1 2 2 研究意义 总体上讲，机器人足球比赛中包含了机器视觉、传感融合、知识处理、 自组织与自学习理论、多智能体协调等人工智能技术，而且还包含着各种自 动控制技术、无线通讯网络技术、机电一体化技术等多种综合科学技术，因 此被称为“一个小平台上的技术战争”【4 】。机器人足球比赛系统涉及的技术 及其应用领域如图1 1 【5 j 。在机器人足球实验平台上，各种人工智能和机器人 学等领域的研究成果可以得到检验和比较，进而促进各学科的发展。在这个 意义下，将机器人足球作为未来人工智能和机器人学的标准问题是十分恰当 的。 圈圈圆圈 l 在线榆测技术ll 程通信系统ll 协作系统 li 应用系统 l 烈 燃溅竺兰苎竺 心信技心觥技以嚣! 机电 一体化 技术 足球机器人 多传感器、，软硬件、，v r 人机 融合技术集成技术接口技术 圜圈圈圉 f i g i 1c r i t i c a lt e c h n o l o g ya n dr e l a t e di n d u s t r yo fs o c c e r - r o b o ts y s t e m 图1 1 足球机器人系统涉及的关键技术及应用领域 多智能体系统是9 0 年代以来人工智能的主攻方向，然而当前智能体基础 研究与其应用背景之间的距离过大。为了改变这种现状，不仅需要各种类型 研究工作的大量积累，而且必须采取必要的手段，在基础研究与实际背景之 间寻找恰当的中介和桥梁。足球机器人系统的研制涉及当前人工智能研究的 大多数主要热点，因而构成了一个典型问题；通过比赛，提供了一种实验平 台和评价各种理论与技术的客观方法，便于研究者的独立研究和相互交流； 西华大学硕士学位论文 对足球机器人系统的研究能够兼顾具体细节分析与基本问题探索，使得研究 人员容易把握。因此，机器人足球f 是这样一个中介和桥梁，开展机器人足 球研究是人工智能从基础理论走向实际应用的一个战略性步骤。 此外，机器人足球比赛具有极佳的科技普及作用。机器人足球将科学研 究领域的最热点最前沿的机器人与全世界最受欢迎的第一体育运动一足球相 结合，将产生前所未有的效应，受到广泛的社会关注。从国际和国内的机器 人足球比赛开展和普及趋势看，机器人足球己经像航模等项目一样开始在青 少年中推广。机器人足球比赛的开展不仅能提高青少年的动手制作水平，而 且可以增加他们对计算机编程和人工智能的兴趣，起到了非常有效的科学普 及作用。这也将对我国的教育改革及相关基础设施和产业提供新的机会和挑 战。 机器人足球之所以获得如此迅速的发展，就是因为它既是人工智能领域 的理想突破点，又是吸引青年人科研兴趣与高新技术攻关的完美结合点。开 展机器人足球竞赛的宗旨是非常明确的，那就是通过世界上最热门的体育运 动一足球来推动人工智能、机器人学和其它相关科研的进展。要让机器人能 够踢足球，就必须实现多个学术领域里的技术集成与突破。举办机器人世界 杯足球赛的意义不单单在于比赛本身，而是通过提供这样一个标准任务，使 得研究人员利用各种技术，获得更好的解决方案，从而有效地促进各个相关 领域的发展。机器人足球已成为高科技与体育、学术与兴趣、科技与娱乐的 完美结合，这便是它发展的活力所在。 1 2 3 发展规划。” 由于科技发展水平的关系，目前还不能实现像人类一样带两条腿且能奔 跑的机器人来踢球，因此还远没达到在绿茵场上进行的真正意义的“人机大 战”的水平。现在足球机器人往往是轮式移动机器人，它只是一种借用足球 比赛相类似的规则，在机器人与机器人之间进行对抗活动。但只要目标清楚， 技术路线正确，那么最终目标终会实现的。为了实现这个目标，我们必须遵 照科学发展规律，采用由简单到复杂、由低级到高级的原则，提出我国发展 机器人足球的战略规划： 第一步：重点发展半自主型机器人足球( m i r o s o t ) 第二步：重点发展全自主型机器人足球( r o b o s o t ) ； 6 西华大学硕士学位论文 第三步：重点发展类人型机器人足球( h u r o s o t ) 。 除了上述三步曲之外，我们还要发展对每一步机器人足球战略战术开发 所必需的仿真型机器人足球( s i m u r o s o t ) 。发展路线图如图1 2 所示。 第一步：m i r o s o t 第二步：r o b o s o t 第三步：h u r o s o t 半自主型机器人足球全自主型机器人足球类人机器人足球 i i s i m u r o s o t i ：一一一一一一一 二二三三至至三i 母一一一一一一一j f i g 1 2t h l e e s t e p sd e v e l o p m e n td i a g r a m 图1 2 机器人发展三步路线图 m i r o s o t ( m i c r or o b o ts o c c e rt o u r n a m e n t ) 是微型机器人足球赛的简称， 是f i r a 世界杯比赛中竞争最激烈的项引8 1 。由于足球机器人的一大难点机器 视觉可以集中解决( 或购入) ，也由于通讯、小车和总控子系统的功能单一且 无需智能，研究与开发足球机器人的最大魅力便体现在决策子系统【9 】，亦即 决策与控制任务的实现。因此，本文选择m i r o s o t 足球机器人的决策子系统 作为研究对象。 1 2 4 决策子系统发展现状与趋势 经过十余年的发展，有关足球机器人系统和机器人足球竞赛的理论研究 取得了长足进展，这使得机器人足球比赛的水平不断提高。一方面，视频采 集处理速度、识别效率和定位精度显著提高，机器人的灵活性、运动速度及 准确性得到了明显改善。另一方面，有关足球机器人动作和策略的研究也成 绩显著，决策子系统更加高效、稳定，鲁棒性得到加强。 在足球机器人系统中，决策子系统的任务就是根据当前球场上的比赛形 势，安排自己的策略，决定是进攻还是防守，再由策略库做出战术部署。它 是整个足球机器人系统的核心，相当于整个系统闭环中的控制器。决策子系 统是决定整个系统性能的关键，相当于机器人的大脑，因此应具有一定智能， 也就是学习和推理能力，并且要满足准确性、快速性、扩展性等的要求。决 策子系统的研究涉及到知识工程与专家系统、模糊理论与人工神经网络、决 7 西华火学硕士学位论文 策、对策与博弈理论、轨迹规划与最优化理论、自组织与自学习理论、多智 能体协调等多学科。 目前，决策子系统开发常使用分层设计模式，分层递进控制方式对决策 思路进行逻辑上的分层。国内外应用最广泛的决策模型主要是三层决策模型。 三层决策模型将决策子系统分为协调层、运动规划层、基本动作层三个层次， 从控制方式角度来说是完全集中式的控制方式。三层决策模型的各层在逻辑 上是紧密关联又相互独立的，所以设计过程中允许对各层分别设计，这样使 设计过程大大简化，便于分析和实验。 协调层根据提取到的场上环境信息，通过策略库制定相应的群体意图， 通常采用专家规则的方式实现，其推理是基于规则的，也就是i f t h e n 方式。 现在的决策判断主要有两种方法：场地分区法和相对位置法。三层模型中最 早采用的分区法将场地按一定的规则分区，当球或机器人处于不同区的时候， 采用相应的决策方法。其好处是简单直观，决策依据明显。为提高对场地形 式判断的准确性而在分区法特点基础上提出的相对位置法，依据各机器人以 及球之间的相对距离对场上的形势进行评价，并选择策略、确定队形、分配 角色。 随着理论研究的深入，各种决策方法不断涌现。如：使用层学习技术来 设计机器人的基本动作和顶层决策；利用再励学习方法实现多机器人系统中 的合作行为；运用遗传算法来优化系统的参数，等等。基于原有各种决策方 法融合而成的新方法，也在系统中得到了较好的应用。但是从当前策略的发 展情况看，角色分配和多机器人配合机制需要继续改进。目前大多数决策系 统还不能根据比赛形式自主调整策略，今后可以考虑引入自适应的机制。此 外，由于机器人足球比赛的高度动态性，还要求决策系统也必须具有很高的 实时性，一些计算量巨大的算法不再适用，而大量基于实际比赛经验的策略 被广泛使用。此外，解决好多机器人对抗问题及如何在对抗中学习和改进， 是体现机器智能的关键。 运动规划层是将群体意图细化的部分，它体现了群体意图和个体之间的 对应。运动规划层设计的要求包括规划速度要快，控制周期之间规划的衔接 应该连贯，规划的运动方式本身应该平滑，并尽可能简洁。如果要求避障， 规划层应考虑有障碍物情况下的运动规划，寻找快速避障的最佳平衡点。由 于规划层最终决定机器人运动路径，完善规划层对于提高决策的准确性是很 8 西华大学硕士学位论文 有必要的。各国学者和专家对机器人路径规划问题进行了大量的研究，并取 得了很大的进展。人工势场法、b 样条曲线、遗传算法等多种方法都是准确 性高、适用范围广的控制模型。现在的趋势是把全局规划和局部规划相结合， 取长补短，生成更加快速、稳定、安全的路径规划算法，满足未知、动态、 复杂环境需要。 足球机器人策略子系统建立在轮式移动机器人的基础上，因此，运动控 制也是策略研究中的一个基本问题，精确快速的运动控制是机器人完成各种 复杂行为的基础。基本动作层是决策的最底层，它将运动规划层产生的阶段 性目标和具体的行为指令对应起来，生成一定的运动指令，是决策和机器人 之间的接口。对于这个问题的解决，非完整约束轮式移动机器人与完整约束 轮式移动机器人各有其难点。对于前者而言，主要困难来自于其运动过程中 的运动学约束；对于后者而言，虽然没有运动约束，但是其运动过程中的动 力学扰动问题比较突出，且一般来讲具有完整约束的轮系机构加工比较困难。 对于现在常用的差动式移动机器人来说，控制方法主要有p i d 控制方法和模 糊控制方法两种。有学者提出模糊p i d 控制方法，将传统p i d 控制和单一的 模糊逻辑控制结合起来。 目前，足球机器人决策子系统的研究仍然存在一系列的问题亟待解决， 这与人工智能学科的发展密切相关，也正是机器人足球倡导者的初衷，即借 助机器人足球这一试验平台，通过对抗和竞争来推动这一领域的研究工作， 推动人工智能科学的发展。由此可见，研究足球机器人决策子系统具有广阔 的发展前景和深远的意义。 1 3 本文主要研究内容 本文首先回顾了机器人足球比赛的起源和发展，阐述了对足球机器人进 行研究的意义，介绍了足球机器人的三步发展规划，说明了选择研究对象的 原因，分析了决策子系统的研究状况。 然后简要介绍了m i r o s o t 足球机器人系统的组成以及各个子系统工作原 理，介绍了决策子系统的三层决策模型。 接着介绍了三层决策模型中的最底层基本动作层，分析了差动式机器人 小车的运动学模型、动力学模型和动力学约束条件，具体介绍了基本动作， 并针对其中的问题提出了新的改进方法，提高了控制的效率和稳定性。 9 西华大学硕士学位论文 第4 章介绍了运动规划层的研究内容，分析了常用路径规划方法的优缺 点，在人工势场方法基础上提出了自主势场的概念，给出了新的路径规划方 法，较好的解决了人工势场方法的缺陷。 第5 章介绍了协调层的构成，对其中的策略选择和角色分配及转换进行 了讨论。 第6 章介绍了决策子系统软件的结构和流程，对其中的控制模块和路径 规划模块的设计作了详细的说明。 最后对所做的研究做出了结论，并对后面的研究进行了展望。 1 0 西华大学硕士学位论文 2m i r o s o t 足球机器人系统概述 2 1 系统构成 m i r o s o t 机器人足球系统的全视图如图2 1 所示。 烈烈 f i g 2 1s o c c e rr o b o ts y s t e m 图2 1 机器人足球系统 m i r o s o t 的赛场根据项目不同而有所不同。5 对5 比赛场地为2 2 0 c m 1 8 0 c m ；1 1 对1 1 比赛场地尺寸是4 4 0 锄2 8 0 锄。场地上画有中线、中圈和 门区。每只球队由相应数量的机器人组成。 比赛目标是在进攻时将足球( 桔红色高尔夫球) 撞入对方球门，防守时 力保本方少失球，进球多者获胜。在进行比赛前，参赛队员将比赛决策、控 制等程序预装在主机中，比赛时球场上方( 2 m 一3 m 处) 悬挂的摄像机将比赛 场面图像信息通过电缆传入主机，由预装的程序进行处理、分析，提取出有 用的信息，并利用这些信息进行推理、决策，然后以无线通讯方式将指令发 送给场上的机器人。机器人根据接收到的指令完成动作，与队友协调作战， 同对手机器人进行对抗，形成一场激烈的足球赛【l0 1 。比赛过程中，除非特殊 情况，否则双方的参赛人员不得进行干预。 m i r o s o t 系统采用视觉系统集中式控制方式。计算机统一对场上信息进行 分析、决策，然后控制机器人运作。系统主要由视觉子系统、决策子系统、 通讯子系统和机器人小车子系统四部分组成j 。其相互联系如图2 2 所示。 两华大学硕士学位论文 f i g 2 2t h ef r a m e w o r ko fm i r o s o ts y s t e m 图2 2m i r o s o t 系统结构框图 视觉子系统是系统的检测环节，利用摄像机采集整个比赛场地上的图像， 采用适当的图像处理与识别算法，提取机器人小车的位置、姿态和球的位置 等信息，并将这些信息传给决策子系统；决策子系统可以看作整个系统的控 制器，根据得到的球场信息判断场上的攻守态势，选择恰当的策略，为机器 人分配角色并确定动作，最终计算出每个机器人小车2 个轮子的轮速；而通 讯子系统则在决策子系统和机器人小车子系统之间起到信息交流的桥梁作 用，利用串行口并通过无线发射器以广播通讯的方式将各个机器人小车的轮 速指令发送出去；小车子系统可以看作执行机构或控制对象，通过无线接收 器接收轮速指令，经过处理分别驱动左右2 个电机，准确实现对机器人小车 的运动控制。 足球机器人的硬件系统组成如图2 3 所示【l3 1 。 f i g2 3 c o m p o n e n to fs o c c e r - r o b o th a r d w a r es y s t e m 图2 3 足球机器人硬件系统组成 1 2 两华人学硕十学位论文 2 2 机器人小车子系统 在足球机器人这个闭环控制系统中，机器人小车充当执行机构的角色。 所以小车性能在赛场上表现的好坏，直接反映了整个足球机器人系统的优劣。 为了使主机做出的决策能够得到最大程度的执行，机器人的运动性能显得尤 为重要。因此，机器人应该能够准确而且迅速地接受上位机传来的指令，并 具有高度的灵活性和运动性能，能够快速地实现自订进、后退、转圈、停止等 基本动作。 根据比赛规则，m i r o s o t 比赛中每个机器人的尺寸应该不大于 7 5 c m x 7 5 c m x 7 5 c m 。由于有严格的尺寸限制，这些机器人一般不具有带球和 踢球装置，只能通过车体上的凹槽进行简单的控球，通过碰撞来完成踢球的 动作【l4 1 。机器人小车结构如图2 4 所示。 f i g 2 4t h eh a r d w a r ec o m p o n e n t o fr o b o t 图2 4 机器人小车硬什构成 机器人小车子系统主要由运动机构、电机驱动单元、速度检测环节、c p u 控制单元、