足球机器人决策子系统研究与开发

孙靖皓

辽宁锦州渤海大学工学院

足球机器人决策子系统研究与开发

孙靖皓

辽宁锦州渤海大学工学院

现在的人工智能开发领域中，足球机器人系统的研究已经越来越多，足球机器人系统也是实现人工智能的一个重大的体现，足球机器人系统中最重要的一部分为决策子系统。本论文主要是描述了关于对决策子系统采取分层控制的思想进行设计，其中决策子系统分层为三层分别是协调层以及运动规划层和动作层。基于决策子系统分层后的实现的系统的最大的优势就是可扩展性强，而且适应性也提高了，通过分层，这几层之间的关系是彼此独立的。

人工智能 足球机器人 分层控制 决策子系统

在现今的机器人工智能领域中，足球机器人的研究已经成为了一个重大的热点之一，足球机器人系统所需要引用的技术包括了计算机视觉以及机器学人工智能等几个方面。同时足球机器人系统是集合了多智能的一种系统，为智能化的研究奠定了重大基础，足球机器人系统的组成部分主要是分为了四个，分别是视觉子系统、通讯子系统、以及足球机器人小车子系统和决策子系统等，相比于很多的智能化系统而言，足球机器人系统在设计方面保持着很高的性能而且各个部分之间还能够相互地进行协作，可靠性也很强。

足球机器人的比赛已经成为了目前一种高科技的比赛技术，而且在人们的日常生活中不断地被关注，与人们的生活联系越来越密切，足球机器人比赛系统是集合了科技和娱乐的性质于一身的系统，而且关于足球机器人比赛系统的发展以及影响意义已经遍布了全世界。

1 机器人足球比赛的发展

机器人足球比赛的主要目标是以加强教育和人工智能为主，研究人员根据所谓的任务从而寻找一个很好的解决方案，最终能够在其他领域的发展中起到促进的作用，通过研究设计可以实现机器人足球比赛比人类的足球比赛更加具有优势。其中关于让机器人实现踢足球的这一个想法的构思第一人是来自加拿大的一位教授，他于1992年就机器人踢足球在一篇论文中有提到，此外紧接着，10月份的时候东京的研讨会上也对机器人踢足球提到相关的概述介绍。

从目前国际发展情况来看，机器人足球主要有以下两个方面特点：

①发展迅速，FIRA比赛规模逐年扩大经过十余年的发展，已经从最初30参赛的支代表队发展到50多个国家组织的上百支球队；

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合。

2 系统的构成

MiroSot的足球比赛的赛场会随着项目的改变而发生适应的改变，其中当比赛的项目如果设置为220厘米X180厘米的话，那么比赛的项目也就会对应设置为5对5，如果比赛的赛场设置为440X280厘米的话，那么比赛的项目就会是11对11的，而且在赛场上都有画上中圈以及门区，这些是与现实的比赛一样的模拟环境，只是将比赛的成员换成机器人，比赛的最终目的是为了把球踢进对方的门里，其中的守门员的最终目的是尽量让对方的球不被踢进自己的门里，当对方踢进去的球越多，那么也就意味着对方所获得的分数也就越多，而自己这一方失分对应着也会减少。在进行比赛以前，主机中会先录入控制的相关程序以及比赛的决策规则，这些操作是由比赛的球员实施的，比赛的视频录制工作是由电缆实现的，电缆会将信息进行处理，通过分析和提取等操作，最终把指令发送给参与比赛的机器人，机器人在赛场上的表现就是根据指令完成的，双方的机器人是由指令进行控制指挥，最终展示在人们眼前的就是一场精彩的机器人足球比赛。在进行比赛的时候，球员是不允许被干预的。

MiroSot系统的设计思想是通过视觉集中进行控制实现的。比赛场上的机器人的表现是通过计算机进行控制的。机器人足球比赛系统的结构图如图1所示。

图1 MiroSot系统结构图

3 协调层设计

作为决策中的最重要也是最高的一层，协调层的主要工作是对视觉系统中的数据进行接收的过程，协调层会将机器人在赛场中的具体位置数据保存起来，然后按照这些数据对赛场的相关情况进行判断，从而可以大致分析赛车的优势与劣势，接着会在知识库中将适当的协作模式进行选择，并且对下一步如何进行合作做出详细的分析，接着就会进行下一层。关于协调层的最重要的两点就是对协作模式进行合理的选择和对场上比赛的情况进行合理的判断。在现实的足球比赛中，参赛者很难对赛场上的比赛情况进行系统的分析以及信息的提取，这是机器人相比于人类足球比赛的绝大优势，现实中的人类参与足球比赛的时候，对赛场形式的分析主要是取决于认知的感官方面，没有具体的理论依据，所以这种判断是存在一定的模糊性的。

但是机器人通过对赛场的形势分析所获得信息是完全具体的，而且这些信息主要是以数字的形式得到，决策子系统会根据这些数字符号对赛场的形势进行抽象的分析，所以正确地把握赛场的形势是十分重要的，这个判断的过程所涉及到的知识是对数字进行提取与归纳总结。关于选择协作模式用的是专家系统。决策的首要条件是组织策略库结构。模式的选择会对策略库有直接的影响，把比赛的赛场分为多个区域，在各个区域中机器人会有对相应的协作模式。

4 运动规划层设计

运动规划层指的是一个不断细化分解的过程，而分解的对象是协作意图。运动规划层表示的是彼此之间的相互协作，也就是根据每一个机器人的动作从而将整个队伍的运作情况反映出来，从而最终得到想要的效果，通俗地讲就是根据各个机器人各自所扮演的比赛身份从而确定每个机器人的运动行为，所以在这个过程中所重视的是每个机器人需要完成什么样的动作。运动规划层在设计方面需要满足生成速度快的特点以及规划衔接的控制要尽量连贯，而且规划运动的行为方式要满足简洁和平滑的需求。当有避障的情况出现的时候，规划层就要针对有障碍物时应该如何采取相应的规划，从而迅速将避障的平衡点找出来，而且这个平衡点是最佳的。其中机器人的运动方式产生的方法是有许多的，然而这并不是意味着将众多规划方式进行混合处理就能够展示出最佳的效果。因为受到很多方面的限制，所以在关于规划的选择临界处方面会产生机器人的动作振荡的现象，而这个问题的出现主要是规划范围的选取不合理造成的。

5 基本动作层

根据机器人所给出基本动作从而做出相应的指令，这就是所谓的基本动作层，而且与此同时基本的动作都是不能够再进行分解的，这主要与机器人的相关控制是存在着一定的关系的，在足球机器人的最下面的那里有一个控制，主要是对运动做出控制，机器人的基本动作就是通过将机器人的左右轮的速度确定下来，最终再进一步的实现。而这些函数中的主要有的是当进行直线所进行的函数以及进行转角的函数、当达到了目标的点函数。在机器人实现其他之类的复杂动作时，这些就是所要的前提。距离的误的含义就是从机器人质心的当前坐标到机器人所谓的目标点的之间的距离，而同时所谓的角度误差指的是机器人的方向角度和目标方向的角度误差。关于两轮小车的模型，根据最优控制的相关理论能够给出最佳的轨迹，然而这个不能够满足非完整性以及动力学两者的约束。

动作层处于决策中的最下面一层，机器人在赛场中的具体位姿用公式表示为

其中的x1，y1分别指的是驱轮轴线中点的横纵坐标，θ表示的是纵轴和X方向的角度。

6 仿真

本部分重点主要介绍的是动作规划层中的具体案例。这个实例的最终目标是为了让机器人可以成功地将足球踢入对方的球门，从而获取分数。假如现在有一个虚力场真实存在，而且在这种情况下足球与机器人之间存在相互斥力。另一方面还假设存在引力点，也就是说机器人会受到斥力和引力的作用，该引力点的作用可以对机器人射球的角度进行合理地控制。一旦机器人足够接近球的时候，通过对引力点的位置进行适当地调整并且调整引力常数，则可以让机器人成功地进行射门，而且这个射门的角度足够的精确与完美。当足球停止的时候，机器人的运动轨迹如图2所示。该轨迹是通过仿真软件实现的，当机器人接触到足球的时候运动的轨迹会出现一个弯度，这种仿真的轨迹的适用性很强。假设在现实中机器人是受到这个斥力的作用，那么这种方法可以说是可以在所有的情况下都适用的。在这个仿真实现的过程中，机器人踢足球的各个层之间都配合地十分成功，抖动的现象几乎不存在。

图2 运动轨迹仿真结果

[1] 张彦铎，洪炳熔. 从信息融合的角度对机器人足球的再认识. 机器人技术与应用. 20011：33-36

[2] 薛宏涛，叶媛媛，沈林成，常文森.多智能体系统体系结构及协调机制研究综述. 机器人. 2001，23(l):85-89

[3] 刘任平，孙增圻，叶榛，李实.基于SC6121芯片的足球机器人红外线通信系统. 电子技术应用. 2000，11:47-52

[4] 王红宝，赵臣，王华，瓮松峰.微型足球机器人守门员策略研究.哈尔滨工业大学学报. 2004，36(7):884-886