足球机器人的防守策略设计与分析

1、第 36卷 第 7期 2004年 7月 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报JOURNA L OF H ARBI N I NSTIT UTE OF TECH NO LOGYV ol 136N o 17July , 2004足球机器人的防守策略设计与分析刘春阳 , 柳长安 , 吴克河(华北电力大学 计算机科学与技术学院 , 北京 102206,E 2mial :ilksretang. com 摘 要 :分析了机器人足球比赛中传统的守门员站位方法 , 提出了射门三角区的概念 , 并应用该概念分析了 垂足站位方法防守失败的原因 , 根据分析结果提出了角平分线站位方法和中线站位方法两种新的站位方式 ;

2、守门员防守底线的方法将多维问题线性化 , 并且对于各种站位方法进行了分析 , 给出了对于不同运动性能机 器人的应用条件以及能量角度的分析比较 .关键词 :机器人足球 ; 决策子系统 ; 防守策略 ; 站位方法 中图分类号 :TP24216文献标识码 :A文章编号 :0367-6234(2004 07-0957-03G oaltender strategy in robot soccerLI U Chun 2yang , LI U Chang 2an , W U K e 2he(School of C omputer Science and T echnology , N orth China

3、E lectric P ower University , Beijing 102206,China , E 2mail :ilksr etang. com Abstract :This is a study on the frequent g oaltender locating method in robot s occer. Firstly , to find out the reas on of g oaltender s unsuccess ful defence against g oal using foot of a perpendicular locating method.

4、 The conception of g oal triangle is presented. And then the new locating methods 2angle bisector locating method and the midpoint locat 2ing method are presended on the foundation of result of the analysis. The method of g oaltender s defence line makes the problem linearization. Finally , applied

5、condition according as the m oving capability of different robots is ac 2quired , which comes from analyzing different locating methods and energy costs. K ey w ords :robot s occer ;decision 2making subsystem ;defence strategy ;locating method 收稿日期 :2004-05-01.基金项目 :华北电力大学博士科学基金资助项目 . 作者简介 :刘春阳 (197

6、8- , 男 , 硕士研究生 . 在机器人足球比赛中 , 机器人会像人类球员 那样进行如追球 、 抢球和选择角度射门等动作 , 也 会进行传接球的配合等一切技能 , 在球踢进球门 的时候守门员会将球踢走 . 这一切的实现除了机 器人运动的机械性能以外 , 还得归功于足球机器 人的智能中枢 决策子系统 1,2.在足球机器人系统中 , 决策子系统的任务就 是根据当前场上的比赛形式做出部署 , 给队员发 出指令 , 担负起教练员的职责 , 显然 , 这种思维过 程必然是千变万化的 3,4. 本文主要研究足球机 器人决策子系统中的防守策略问题 .1 足球决策子系统足球机器人决策子系统属于一类知识型系统

7、 . 在决策子系统中有态势分析 , 攻防策略选择 , 队形确定和角色分配等高层决策 , 也有战术配合 , 技术动作 , 基本动作等底层决策 . 决策系统最集中 地反映了人工智能技术各相关理论的应用 5,6. 决策子系统的结构如图 1所示 .图 1 决策系统结构图 在机器人球员中 , 守门员的角色动作与其他 球员截然不同 , 主要是负责防守对方球员的进攻威胁 , 直接参与进攻比较少 . 当一个球员被赋予了守门员角色时 , 就会在门区附近进行防守 , 阻止对 方破门 , 直到角色赋予结束 . 所以 , 将守门员的防 守策略单独考虑有利于角色任务的单纯化 , 防止 角色动作定义冗余 . 本文重点针对

8、守门员的角色 动作 防守来进行讨论分析 , 给出几种不同的 防守策略 , 并进行比较 , 找出各自的适用范围 . 防 守成功的定义将在后文给出 .2 球场解析化过程在讨论问题之前 , 首先明确以下几个假设 , 以 便讨论建立在共同的基础上 :1 对于任意给定的一条射线 (称为射门线 路 , 对方球员可以推射 , 使球的运动轨迹与这条 射线重合 , 即在我方球门线上任选一点 , 对方球员 可以推射足球使球的运动轨迹经过该点 , 且推射 任意一点的难度都是一样的 , 其中使我方守门员 花费最多时间才能扑救到的射门线路称为最难线 路 . (进攻假设 2 把球员和球看做质点 , 即考虑其几何中心 坐标

9、位置 . 这样 , 后面提到的成功扑救就是指在球 心经过场上某点之前 , 守门员几何中心已经到达 这一点 . (精准假设 3 不考虑对方球员推球旋转的情况 , 球离开 队员必然是减速直线运动 . 即在无碰撞情况下双 方可以准确判断球的运动轨迹 , 其轨迹必为平面 上某一条直线 ; 在碰撞情况下 , 其轨迹是一条折 线 , 不会出现某段圆弧 . (直线假设 为讨论方便 , 将球场解析化 :设左侧为我方场 地 , 以我方场地左下角为原点 , 以水平向右 (我方 进攻方向 和垂直向上为正方向建立如图 2所示 的平面直角坐标系 . 首先考虑当守门员独立防守 时的站位方案 , 这个时候 , 由于没有队友

10、协防 , 守 门员面对的只有对方进攻球员 , 防守难度最大. 图 2 球场解析化 为了便于分析 , 定义机器人足球场上射门三 角区的概念 :在匀速直线运动状态下 , 从足球出 发 , 到球门为止 , 所有能使球进入球门的轨迹包络 成的平面区域称为射门三角区 ; 以足球几何中心 所在点为顶点的角称为三角区的顶角 ; 以门柱所 在点为顶点的两个角称为底角 ; 如果两个底角的 角度不同 , 其中角度比较小的角称为远角 , 角度比 较大角的称为近角 . 在攻防策略转换中可以根据 双方的球门 , 分成我方射门三角区和对方射门三 角区 .守门员的站位方式与一般球员有很大区别 , 其纵向的运动 (在纵坐标正

11、负方向上的运动 可 以看做是封堵角度 , 横向的运动 (在横坐标正负方 向上的运动 可以看做是否出击 , 二者运动的合 成作为守门员的实际运动 , 所以 , 将守门员的站位 的横 、 纵坐标分别考虑比较直观 , 也方便控制 . 对 于横坐标 , 可以预制函数 x =f (t 来决定是否出 击和出击范围 , 在某一时刻 , 称与横坐标垂直的直 线 x =f (t 0 为守门员的防守底线 , 守门员的位置 只能在其上某点 , 当确定了防守底线以后 , 只需要 确定机器人守门员应该在这条线段上哪一点就可 以 .守门员站位有多种方法 , 每种方法都尽量为 守门员选择一个更容易得到球的位置 , 垂足站位

12、 方法是一种应用比较广泛的站位方式 , 将球在守 门员的防守底线上的射影作为守门员的位置 , 即 从球向防守底线作垂线 , 其垂足作为守门员目标 位置 . 这种方法简洁易行 , 得到广泛应用 . 在守门 员速度足够快的情况下 , 这种守门方式从理论上 说可以守住所有的射门 , 但实际应用中并非如此 .3 x =f (t 0 守门员防守失败分析 通过比赛可以看到 , 由于比赛场地相对来说 比较小 , 中路球员比较集中 , 而且中路不像两侧有 球场内壁反弹 , 所以 , 正面的防守比较容易 . 尤其 是当两个球队实力相差无几时 , 多数进球都是通 过两侧进攻 , 斜方向射门 . 这是由于机器人足球

13、不 同于人类守门员需要反应时间较长 , 计算机的计 算时间极短 , 足以使机器人守门员在极短的时间 里反应并做出扑救动作 . 但仍然有一些球扑救不 及 , 这是因为根据动量守恒定律 , 机器人的质量显 著大于球的质量 , 碰撞后球的运动速度显著大于 机器人球员的速度 , 当球员以最大速度撞击球时 , 球的初始速度明显大于机器人球员的速度 . 如果 这时守门员离球的位置稍远时 , 很可能来不及扑 救 (精准假设 , 所以 , 在对方球员射门前选择合理的站位至关重要 . 这个时候 , 不能知道对方球员的 射门轨迹 , 但是可以做出对方球员的射门三角区 . 射门三角区囊括了所有可能的射门角度 , 对

14、这些 角度要有一个统筹的防守计划 , 选择一个综合所 有的射门线路的方法 , 而垂足站位方法显然不具 有这种功能 . 现在通过射门三角区方法来考察传统的垂足 站位方法的优劣 . 在传统的垂足站位方法中 , 守门 员站位的纵坐标选用当前球的位置在纵轴上的投 影 . 在如图 3所示的情况下 , 如果对方推射远角 , 守门员要奔跑几乎整个门线的距离 (图中加黑的 部分 . 这显然不是最优站位方式 , 因为即使守门 员没有在近角门线附近封堵 , 也没有理由会使机 器人推射近角的概率更大 (根据进攻假设 , 何况 现在近角有人封堵 , 智能高的机器人必然会推射 远角 . 为了防守所有可能的射门角度 ,

15、就应该比现 在的射影点向远角方向偏一些 . 关于具体的偏移 量如何获得 , 本文提出了新的方法. 图 3 垂足站位方法 4 新的站位方法为了让守门员更快得到球 , 就要选择相对短 的路线 , 由守门员当前位置到射门线路的垂线是 最短的线路 , 因此 , 提出了在门线附近的射门区内选择射门三角区的顶角平分线站位方法 (如图 4所示 . 这种方法的主要步骤为 :先做出当前的射 门三角区 , 然后做出射门三角区的顶角平分线 , 与 守门员防守底线相交 , 将这个交点作为守门员的 目标位置坐标 . 这种方法的优点是 :为守门员选择了防守射 门三角区最优线路的最短路线 , 有利于对机器人 的控制 , 并

16、且规划的是一条直线 , 也防止了机器人 体力 (能量 的浪费 . 对于行动灵活的守门员来说 ,这种方法的反应速度要快得多 , 兼顾了所有可能 的射门线路 . 但这种方法也有一定的缺点 :虽然可 以兼顾所有的射门线路 , 但是对不同的射门线路 需要选择不同的运动方向 , 需要机器人转不同的 角度 , 对于行动灵活性相对差一些的机器人来说 , 尤其是对于转身性能相对差一些 , 比较擅长高速 直线跑动的机器人来说这种站位方式就有些不太 合适 , 频繁地转向对能量要求也比较高.图 4 角平分线站位方法 针对有些机器人转角速度相对较慢而直行速度相对较快的特点进行改进 , 提出了中点站位法 . 对当前状态

17、 , 同样是先做出射门三角区 , 将射门三 角区的两边 (即两条最优线路 与守门员的防守线 相交得到 2个交点 , 这 2个交点的中点作为守门 员的目标位置 , 如图 5所示 . 这种方法虽然牺牲了 最短路线的选择 , 但由于目标位置必在当前的 防守底线上 ,使机器人不需要转身就可以直线运图 5 中线站位方法(下转第 968页 313 黑板的基本功能这种结构可以实现很多功能 , 比如提供求助警报及响应求助警报 , 分配角色及读取别人的角 色 , 读取一些场上的状态等等 , 如图 1所示. 图 1 黑板结构 1 角色分配与再分配 . 黑板有一块数据区用来存放已分配的角色 , 帮助策略分配角色 .

18、 策略遵 循前面介绍的方法选择好策略后开始分配角色 . 每分配一个角色策略就把角色写到黑板中去 , 然 后再读取下一个角色 , 再根据现分配好的角色决 定把这个角色分配给哪个机器人 .当有队员认为自己不适合继续担当现分配的 角色时 , 会提出申请写到黑板中去 . 这样 , 策略当 读黑板时就会读到这个申请 , 并重新分配角色 .2 机器人之间的协作 . 许多情况下 , 机器人 之间可以通过读取黑板中的信息进行协作 . 例如 , 进攻时 , 自由人可以响应进攻队员发出的求助警 报帮助进攻队员向前场推进 5.4 结 论传统的单一模式的策略系统难以满足对场上 复杂形式的判断和把握 , 而通过对多种理

19、论的融 合和发展 , 使改进后的策略系统能更灵活 、 准确地 对比赛采取控制 . 除在大策略方面的改进外 , 角色 之间的相互协调和借助黑板的通信以及对自适应 的判断也加强了整体的配合效果 , 达到更满意的 场上效果 .参考文献 :1程慧霞 . 用 C +建造专家系统 M.北京 :电子工业出版社 , 1996.2JE NNI NG S N. C ooperation in industrial multi -agent systemsA.W orld Scientific in C omputer ScienceC.S ingapore :s. n. , 1994. 1-77.3GE ORGE

20、 F L. Artificial Intelligence :S tructures and S trate 2gies for C omplex Problem S olvingM.England :Peason Ed 2ucation Limited , 2004.4刘金锟 , 王树青 . 多智能体控制系统的设计与实现 J.控制理论与应用 , 1999,16(4 :580-583.5MORE NO A , VA LLS A , M ARI N M. Multi 2agent simulation of w ork teamsA.Multi 2agent Systems and Applications III C.Heidelberg :s. n. , 2003.(编辑 王小唯 , 刘 彤 (上接第 959页 动到目标点 , 对于两轮独立驱动的机器人小车比较合适 .5 结 语通过多个平台上的多场实战证明 :与垂足站 位方法相比 , 新的站位方法扑救更加准确 , 对来球 有很强的预测性 , 封堵角度科学 , 大大提升守门员 防守能力 , 尤其是独自面对对方球员进攻的防守 能力 ; 同时防守底线概念的引入也使问题更加简 单 ,