足球机器人智能决策系统设计实现

1、足球机器人智能决策系统设计实现第17卷第4期 2002年12月 北京机械工业学院 JoumofBeijingInstituteofMachinery V01.17NO.4 Dec.2002 文章编号:10081658(2002)04004004 足球机器人智能决策系统设计实现 南建辉,贾永乐 (北京机械工业学院计算机及自动化系.北京1ooo85) 摘要:足球机器人系统为人工智能特别是多智能体的研究提供了一个标 准的试验平台.系统的核心是”脑”即决策系统;在分层递阶决策的基础上,采取模块 化设计;详细介绍了决策系统各个模块包括视觉模块,决策模块和控制模块等,并提 出了一系列新的实现方法. 关键词

2、:足球机器人;智能决策;模块 中图分类号:TP18文献标识码:A 机器人足球比赛兴起于90年代.它是自动化及机器人领域最具有前瞻性的研究之一.足 球机器人系统是一个典型的多智能体系统和分布式人工智能系统,涉及机器人学,计算机视觉 和模式识别,多智能体系统,人工神经网络等领域.而且它为人工智能理论研究及多种技术的 集成应用提供了良好的实验平台【1l2】. 由于上述特征.足球机器人研究受到国内外广泛关注.目前比较有影响的足球机器人比 赛组织有RolmCuP(机器人足球世界杯)和FIRA(FederationofIntemationalRobotSoccerAs. sociation).分别由日本和

3、韩国的学者发起.RoboCup的比赛.目前分为4组:仿真组,F180组, F2000组和有腿SONY机器人组3. 近年来,关于足球机器人的研究在国内发展较快,尤其是FIRA组的mirosot机器人组;而 RoboCup组只是从2000年以来才开始普及,且进行的一般都是仿真组的比赛.有关RoboCuP 实际机器人组的比赛2002年才开始在上海进行了第一次比赛. 本文在分层递阶控制系统1的基础上.重新对决策进行分层;并且在具体实现过程中实 现了程序模块化.增加了系统的可靠性.降低了系统开发的难度. 1足球机器人系统结构 足球机器人系统是一个相当复杂的 控制系统.RoboCup的F180组足球机器

4、人系统.一般可分为4部分.视觉系统, 智能决策系统,无线通讯系统和机器人 小车系统?引.如图1所示. 从控制的角度看(如图1).视觉系 统可以看作整个系统的输入反馈部分; 图1足球机器人系统 收稿日期:20021010 作者简介:南建辉(1978一).男.山西运城人.北京机搬工业学院计算机及自动化系硕士研究生.主要从事智能控制在自动化 中的应用方面的研究. 第4期南建辉等:足球机器人智能决策系统设计实现41 机器人是整个系统的”执行机构”;智能决策控制系统就是足球机器人系统的控制器部分;可以 看出决策部分是控制系统的决定因素. 2智能决策系统 2.1智能决策控制系统结构 如图2所示,智能决策控

5、制 系统可分成3部分,视觉模块,决 策模块和控制模块,而控制模块 又可以分为路径规划模块和无线 通讯模块. 视觉模块从视觉系统中得到图2智能决策控制系统结构图 原始数据,包括两队机器人和球的位置坐标,朝向角,速度以及各种状态数据等;原始数据经过 卡尔曼滤波之后,用线性预测法预测下一步机器人,球的位置,速度等;滤波后的数据和预测的 数据作为决策模块的输入,通过分析这些数据,判断场上状态,进而决定各个机器人的动作,目 标点及速度等.路径规划模块根据决策系统做出的判断,规划路径,计算各个机器人的期望速 度,最后由无线通讯模块通过通讯系统传递给场上机器人. 2.2视觉模块 由于足球机器人系统实时性要求

6、较高,要求图像辨识速度达到每秒25帧以上.特别是由 于比赛场地灯光不均匀,所以误辨识和噪声不可避免.例如.由于误辨识引起辨识出来的机器 人的数据发生位置跳变等. 为了更好地控制机器人,采用扩展KalmanBucy滤波法?】进行滤波,KalmanBucy滤波 法如下.问题可以归同的状态变量.可以分别用上述公式对有关机器人和球的数据分别进行滤波 估计.数据进行滤波后.简单地用线性预测法预测下一帧机器人和球的位置信息和速度信息 等. 2.3决策模块 决策模块完成文献2中层结构决策 协调层和运动规划层的任务.决策模块根 据场上形势(控球方.比分等)采取不同的 模式.进攻模式还是防守模式.并且根据模 式

7、采取不同的阵形.然后动态分配角色. 前锋,后卫,守门员分别采取不同的控制策 略.通用的机器人控制流程图可以简单描 述如图3所示. 2.4控制模块图3机器人选择动作流程图 控制模块包括2个子模块.路径规划和无线通讯.路径规划根据决策模块的输出.规划机 器人动作的路径.无线通讯模块在路径规划完毕后.将每个机器人的期望速度通过无线通讯 系统传给场上机器人. 2.4.1路径规划模块 路径规划模块属于基本动作层的内容【?.完全的路径规划控制【1如图4所示.路径规划 器根据视觉模块的预测数据以及决策模块提供的期望的位置和速度.对机器人的路径进行规 划. 图4(a)目标为(z.Y.)时的路径规划图.;(b)

8、考虑避障时的调整. 已知初始位置(z0.Y0.)以及目标位置(.Y.,.).可根据下列公式计算2个机器人 轮子速度. 0+min(口.tan(号) A=一 (f,r)=(c.s2*sgn(cos/X).sin2A*sgn(sin)(4) l=(zr) , = (z+r) 是机器人到目标点(z.,Y.)的方向.是机器人的方向.是期望的速度,d是到目 第4期南建辉等:足球机器人智能决策系统设计实现43 标点的距离,c是清除参数,t和r是控制机器人运动方向的中间变量,当机器人绕到时, 这个参数保持机器人到目标点的距离为c,见图4(a). 当规划的路径前面有障碍物时,应该考虑避障;避障算法集成在运动控

9、制中,通过基于路 径上突然出现的障碍物来调整目标的方向.这种调节如图(b)所示. 如果目标的方向太靠近障碍物.方向的调节是通过预置的障碍物的清除参数的切线.由 于运动控制算法是连续运行,避障分析一直不断地重新规划无障路径. 2.4.2无线通讯模块 无线通讯模块主要的任务是把期望的机器人速度通过PC的I/O口传送给无线电发射 板.最主要的问题就是选择串口还是并口通讯,基于以下几个原因,我们选择了串口: 现在所用操作系统是win2000,如果用并口,必须写相应的驱动程序,增加了开发的难度. 串口开发起来比并口更容易,简单直接.可以直接使用系统提供的API函数,也可以使用 一 些由别人免费提供的串口

10、类【7】. 至于通讯速率,PC机提供的串口速率完全可以满足足球机器人系统的实时性要求. 3总结 多智能体的研究是现在人工智能科学研究的一个热点,RoboCup组织虽然没有明确提出 在FI80组必须采用分布式控制,但为了更好地研究多智能体,采用集中视觉分布式控制也就 成了趋势所在,即原本驻留在主机上的决策系统下载到车载单片机中.这就对机器人小车的 软硬件配置提出了更高的要求,也是我们正在研究的方向. 参考文献: 【1】ManuelaVeloso,MichaelBowling,SorinAchim,eta1.CMUnited一98:RoboCup一98 smallrobotworldchampio

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15、nofnetwork,anim? provedDijkstraalgorithmforthegraphswithcostsontheedgesandtheverticesispresentedand discussedindetail.Thealgorithmcandescribethestatesofnetworksmorecompletely,andit canfindbettershortest.pathtree.Theexampleshowsthattheshortest?pathtreecomputedby improvedDijkstraalgorithmisbetterthant

16、heonecomputedbyDijkstraalgorithm. Keywords:shortest.pathtree;cost;algorithm (上接43页) Designandimplementofsoccer-robotcontrollingsystem NANJian.hui,JiAYong.1e (DepartmentofComputerScience&Automation.BeijingInstituteofMachinery.Beijir100085.China) Abstract:Soccer.robotsystemprovidesastandardtestbedforArtificialIntelligenceespeciallyfor MAS(Multi.AgentSystem).Thekeypointofthesystemis”brain”,thatis,decisionmaking sys