基于FIRA仿真的足球机器人预判圆弧射门算法设计

林金珠，袁 驰，倪天伟

(河海大学文天学院电气信息工程系，安徽 马鞍山 243031)

0 引言

在FIRA仿真足球机器人比赛中，策略的执行、阵型的变换、路径的规划等都是比赛的关键，而射门则是终结比赛的重中之重，在整场比赛中射门动作至关重要，射门能力是决定一支球队实力的关键因素[1-2]。文献[3]引入基于中位线的传球方法，将机器人的足球动作作为机器人的行为来设计，算法结构简单，通俗易懂，但是受足球机器人初始姿态的影响较大。文献[4-5]提出了一种改进的射门算法，机器人先沿直线运动靠近球，然后沿曲线运动去撞球射门，该算法优化了射门路线，实用性强，但机器人在运动到目标点附近时调整左右轮转速，踢球射门，容易被断球或被守门员阻截，不利于提高进攻效率，尤其在点球大战中，射门算法易被对方看破，点球得分率低[6]。为此，本文提出了一种基于FIRA仿真的足球机器人预判圆弧射门算法，该算法利用预测球的运动方向与无干扰情况下实时姿态的相对位置，规划出圆弧射门轨迹，提前到达预定目标点，调整并完成快速射门动作。经仿真实验证明，该算法加快了射门的节奏，有效提高了射门的成功率。

1 预判圆弧射门算法

1.1 算法思想

在FIRA仿真足球机器人比赛中，机器人行驶速度快从而攻防节奏快，使得分机会稍纵即逝，特别是突破后的射门和点球，是比赛中得分的关键。如何提高射门效率是一直以来的研究问题，其中，提高射门速度、精度和可变性是提高射门效率的关键。预判圆弧射门是指利用计算机系统先预判出球下一时刻到达的位置，或到达某一位置所需的时间，再计算出合适的射门点，此时，机器人以平滑的圆弧移动，边行驶边调整位姿，行至目标点时刚好达到可射门状态，立即射门。预判圆弧射门算法可以使机器人动作连贯，快速到达攻击点，既可完成高质量射门，又能利用预判的时间做出细微调整，改变射门角度，达到出其不意的变化效果。其中，弧形的路径规划可让机器人最大限度地保持平稳，无拐点，可减少调整时间，从而保持最大速度，使得射门能量最大化，保证射门的成功率。

1.2 预判的实现

在FIRA仿真平台中，首先需要计算球在正常运动时的加速度α，如式(1)所示，可认为环境中摩擦因数alpha是不变的，所以，此时的α也是恒定的，FIRA仿真平台中数据以60次/s的速度进行交换，可由式(2)得到下一时刻球移动的距离d。

(1)

式中：Δv为速度的变化量；Δt为发生这一变化所用时间。

d=(α*t*t)/2，

(2)

式中t为时间。假定，小球的t1和t2时刻的坐标分别为：(x1，y1)，(x2，y2)，则计算小球的位移Δx=x1-x2和Δy=y1-y2。

得出小球的偏转角theta，即小球运动方向，如式(3)所示。

theta=(int)(180.0/PI*atan2((double)dy，(double)dx))，

(3)

通过得到的运动方向与距离，可以预判出球在无干扰的情况下下一时刻所达到的位置，通过这些计算出小球到达某点的运动时间，得出周围最佳射门机器人与应到达的射门点，从而做出提前跑位动作和提前调整的技术动作。

2 算法实现

图1为小车圆弧射门模型机器人，小车的运动、转向、旋转都由小车左右轮速控制，当通过小球的速度方向等信息反馈得到范围内最适宜动作的小车后，由于小车的速度在-127～127内，可计算出最佳射门点与位姿，得出射门点到达的时间t，从而有左右轮速使小车按照圆弧轨迹运动，到达射门点时，机器人小车的运动角度与期望射门角度刚好一致，击球完成射门。

图1 机器人小车圆弧射门模型

其中，弧线部分为机器人小车运动轨迹，是以车、球的撞击点为端点，以射门目标方向为切线的圆弧，射门目标轨迹如粗线部分。因为左右轮距已知为D，两轮行驶路径为同心圆弧，两圆弧半径已知为R1、R2，则可由此得到左右轮速差V。算法执行流程如图2所示。

3 仿真结果与分析

文本通过FIRA SimuroSot 5vs5仿真平台进行了仿真实验，该平台中的赛场尺寸为1 130像素×788像素，移动机器人为10像素×10像素的正方形，用高尔夫球作比赛用球，直径为5像素。通过仿真实验模拟球临近大禁区附近时，移动机器人采取适当应对机制，发生射门动作。在正常的进攻中，未采用预判圆弧射门算法的射门动作效果如图3所示，采用预判圆弧射门算法的射门动作效果如图4所示。

图2 算法执行流程图

图3 传统的射门动作效果

图4 采用预判圆弧射门算法的射门动作效果

两种射门动作从任务车启动至射门的完成时间(s)与进球数对比见表1。在点球动作中，传统点球和轻推小球到达一定角度再应用预判圆弧射门算法，设每种情况踢10次的进球数量与得分率的对比数据见表2。

由此可见，基于FIRA仿真足球机器人的预判圆弧射门算法在一定程度上提高了射门速度，超前于小球进行跑位，从而有更多的时间用于运算和调整位姿，提升了实战中的预判能力，大大提高了射门的成功率。

表1 两种射门算法的完成时间(s)与进球数对比

表2 两种射门算法在点球中进球数量和得分率的对比

4 结语

本文提出了一种基于FIRA仿真足球机器人的预判圆弧射门算法，不仅考虑了机器人的当前状态，也能计算到达目标点的速度和方向，预判下一状态，当机器人运动角度与期望射门角度一致时，机器人立即击球完成射门。该算法能很好地提高进攻端的

进攻效率，适合对已有攻防体系做出优化，提升空间大，本文给出的一些思路和代码适合借鉴，预判思想也适合用在防守和路径规划等方面。