仿真足球机器人比赛技术动作设计与实现.docx

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仿真足球机器人比赛技术动作设计与实现

仿真足球机器人比赛技术动作设计与实现

DesignandImplementationofActionofSimulatedSoccerRobot

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摘要

机器人足球比赛是近年来人工智能和机器人领域的研究热点之一，它是高技术与娱乐性的完美结合，融合了多种学科，促进了人工智能和机器人的研究和教育。

而仿真足球机器人比赛是其中的一种比赛形式，具有成本低、实际干扰因素小、实验可重复等优点，方便足球机器人的普及。

在仿真足球机器人比赛中机器人的比赛动作设计有重要的基础作用，如果最终的动作执行不到位，会导致策略系统的效率低下。

论文目的在于能够编程实现机器人足球比赛中的技术动作设计和运行结果的实时显示，以满足比赛的基本需求，为上层策略系统提供良好的支持。

论文的工作基于国际机器人足球联盟（FIRA）仿真比赛SimuroSot5vs5组的仿真系统TheRobotSimulater，并对该平台以及机器人的运动学模型和重要动作函数的算法做了较为详细的介绍。

在此平台之上使用VC++6.0对仿真足球机器人的基本比赛技术动作进行设计与开发，编程实现了仿真足球机器人的基本比赛动作。

其中包括原地转角、到顶点、定向运动、截球、传球、射门等动作。

通过对单独动作在仿真平台上实际运行效果的测试，基本达到了预期的目的，满足了比赛的基本需求，可为上层策略系统提供动作支持。

关键词：

机器人足球比赛；技术动作；仿真

Abstract

Inrecentyears,robotsoccerisonehotspotoftherobotandartificialintelligenceresearchfields,itisaperfectcombinationofhightechnologyandentertaining.Therobotsoccerneedsmanybranchesoflearningandpromotestheartificialintelligenceresearchandeducation.Andthesimulationsoccerrobotgameisoneformofthegameofrobotsoccer.Itcostslowandcanavoidformtheactualinterferencefactorsandrepeatinthesamecondition.Inthesimulationsoccergamerobotsocceractiondesignplaysanimportantandbasicrole,ifthefinalexecutivedoesnotreachthedesignatedposition,thatwillleadtolowefficiencyofthestrategysystem.Theobjectiveofthisthesisistoaccomplishtheprogrammingoftherobotsoccermovementdesignandtheoperationresultscanbereal-timedisplayed,inordertomeetthebasicneedsofthesoccergameandprovidegoodsupporttothestrategyforuppersystem.

ThethesisisbasedontheFederationofInternationalRobot-soccerAssociation（FIRA）SimuroSot5vs5.ThesimulationsystemplatformistheRobotSimulater.Itgivestherobotplatform、kinematicsmodelandthealgorithmsofimportantmovementfunctionsadetailedintroduction.Inthisplatform,byusingVC++6.0,therobottechniqueactionsinthesimulatedrobot-soccergamearedesignedanddeveloped,andrealizedthebasicactionsinthesimulationrobot-soccergameinC++,Includingangle,position,moving,blockingtheball,passing,shootingandsuchactions.Alltheactionshavebeentestedinthesimulationplatformandachievetheexpectedperformance.Theresultshowedthatthedesigncouldmeetthebasicneedsofthegameandsupporttheupperstrategysystem.

Keywords:

RobotSoccer;TechniqueAction;Simulation

第1章　绪论

1.1课题研究的意义

机器人足球竞赛是近年来国际上迅速开展起来的一种高科技对抗活动，它涉及人工智能、机械、通讯、传感等多个领域的前沿研究和技术融合。

机器人足球已成为人公智能领域发展的历史性目标和智能机器人发展的代表方向。

机器人足球之所以受到如此重视，就是因为足球机器人涵盖了诸多的高新技术，是一项人工智能与机器人领域的应用基础研究课题，而机器人足球比赛便是这些研究成果的公开展示，是一种具有战略意义的小型高科技对抗平台。

通过机器人足球赛的研究促进人工智能和机器人领域及相关各学科的发展，进而为相关技术在生产及生活中的应用打下良好基础[1]。

研究机器人足球的意义主要有以下几个方面。

1.它是人工智能和机器人学的标准问题。

2.它是连接基础研究与应用技术开发的必要桥梁。

3.它是推动信息自动化领域产、学、研结合的重要途径。

机器人足球除了在科学研究方面具有深远意义外，它也是一个很好的教学平台[2]。

机器人足球所设计的学科很多，需要创新的内容也很多，研究人员借以可以研究的应用的先进技术，可以反过来促进相关领域的研究和发展。

组建一个真实的机器人足球需要投入大量的资金、时间、空间，为了能够方便快捷地进入机器人世界，建立一个虚拟平台是很必要的。

在仿真软件中，比赛所需的硬件设备均由计算机模拟实现，可重复使用，不受硬件条件和场地环境的限制，可以集中于研究多智能体的合作与对抗的问题，具有成本低，实验具有可重复性实际干扰因素少等优点[3]。

机器人足球策略系统最终是通过机器人执行动作来实现的，动作实现是策略系统的基础。

足球机器人的动作设计建立在其运动学模型上。

通常将机器人动作设计进行分层，分为基本运动控制与技术动作控制。

前者面向仿真平台，后者面向策略，它们之间存在调用与被调用的关系。

策略系统的效果是依赖于动作执行的效率。

如果最终的动作执行不到位，也会导致策略系统的效率低下。

所以动作设计在仿真足球机器人比赛中有重要的作用。

机器人足球比赛的目标就是尽可能多的将球踢进对方球门，并保证自己球门尽可能少地被对方进球。

而要想在激烈的比赛中战胜对手，充分体现足球机器人的魅力，除了灵活多变的战略战术、攻守兼备的队形之外，快速、精确、有效的技术动作也是必不可或缺的。

1.2国内外研究现状

机器人足球比赛兴起于20世纪90年代，它是自动化和机器人领域最具前瞻性的研究之一。

机器人足球比赛的设想首先由加拿大不列颠哥伦比亚大学的AlanMackworth教授在1992年的论文《OnSeeingRobot》中提出的。

他和他的学生还就他们的机器人足球项目发表了一系列的文章。

目前，国际上比较有影响力的机器人足球比赛有两个：

国际机器人足球联盟（federationofinternationalrobot-soccerassociation,FIRA）举办的微型机器人世界杯足球锦标赛（MicroSot）和日本人工智能研究会举办的机器人世界杯足球赛（RoboCup）。

在FIRA比赛蓬勃开展的同时，有关机器人足球系统和机器人足球竞赛的理论研究也取得了长足的进步。

在每一届机器人足球世界杯比赛和地区性比赛期间，主办者都会举行相关的培训和研讨会并召开一些机器人足球专题学术会议，介绍了一些机器人足球相关的领域的最新研究成果[3-6]。

足球机器人的动作和策略系统研究成绩显著。

在早先的比赛中，机器人之间缺乏合理的分工协作，常常挤在一起，互相干扰任务的完成。

现在这种现象已经不存在了，特别是在仿真系统中，机器人常常打出行云流水的配合，比赛极具观赏性。

同时，足球机器人正以一种高技术对抗的形式赢得学术界的认同。

机器人足球的研究已经在国际人工智能及智能机器人领域产生非常大的影响[7]。

虽然离实现最后的目标还有相当长的路要走，但必将对相关研究领域产生巨大的推动作用。

国内的机器人足球研究虽然刚刚起步，但已经显示出强大的活力，相关研究也取得了长足进步。

目前，国内有很多大学都有了自己的机器人足球队，从1999年开始，国内开始组织全国性的机器人足球比赛，以及相关的学术交流活动。

近年来，在国际比赛中尤其是在FIRA竞赛中，我国科研机构取得了非常好的成绩。

例如，2008年在中国青岛举行的FIRA比赛中，中国参赛队在25个比赛项目中共取得了14项冠军，这是世界杯举办以来中国队取得的最好的成绩，参赛队来自新加坡、美国、德国、加拿大、澳大利亚、马来西亚等国家和地区[8]。

目前，从机器人足球的国际发展来看，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；2.竞争激烈，比赛水平提高很快；3.得到著名期刊和国际研讨会的高度重视；4.欧美以及日韩的机器人足球水平任处于领先地位；5.我国机器人足球奋起直追、迅速提高[9-12]。

1.3主要研究的内容

课题主要研究内容及预期达到的目标：

本课题设计题目为“仿真足球机器人比赛动作设计与实现”，是基于机器人足球比赛仿真软件系统进行程序开发与设计，对仿真比赛中机器人球员的基本动作进行设计和程序实现，其主要内容如下：

（1）熟悉VisualC++程序设计技术和机器人足球比赛的基础知识。

（2）编程实现仿真机器人足球比赛环境的构建。

（3）编程实现机器人足球比赛的环境和参数设定。

（4）编程实现机器人球员的射门，带球，截球等基本比赛动作。

（5）实现仿真比赛中机器人运动的实时动态显示。

预期的目标：

编程实现仿真足球机器人比赛软件系统，能够实现机器人足球比赛中的技术动作设计和运行结果事实显示，以满足方针足球机器人比赛的基本需求。

仿真机器人足球比赛动作设计可分为基本动作设计和技术动作设计两个层次，其中技术动作是基本动作的一个组合，课题的难点在于技术动作的设计与实现，使仿真机器人在比赛中良好的执行上层策略，达到预期的效果。

足球机器人比赛动作系统结构图如图1.1所示：

图1.1足球机器人比赛动作系统结构图

足球机器人技术动作可以大致分为进攻动作和防守动作。

这样的分层设计是可行的并且符合软件工程的要求，它能够方便系统的集体开发和升级。

一方面在技术动作控制中不进行最基本轮速的设定，使得程序结构简洁清晰；另一方面，如果仿真平台有任何变化，只需要改变底层的运动函数而保持调用函数接口不变，上层的策略就不需要相应的变化，因而具有良好的适应性。

第2章　仿真足球机器人相关开发背景介绍

2.1仿真足球机器人运动学模型

2.1.1运动学物理模型

足球机器人的动作设计首先需要建立足球机器人的运动学模型所有动作的实现都是在其运动学和动力学基础之上的，离开了对这些物理模型的认识是不可能实现足球机器人的动作的。

SimuroSot系统中是模拟MiroSot足球机器人的，采用的是一种轮式移动机器人结构（wheeledmobilerobot,WMR）结构，其两个轮子共轴但是独立驱动。

动作设计的基本就是基于机器人当前的位置、方向和速度，合理地分配机器人左右轮速度，使得它能够实现期望的的位置、方向和速度。

显然时间最优是控制算法的期望实现的目标[1]。

目前的情况下，如图2.1所示，足球机器人的运动学模型可以认为是一种无侧滑、纯滚动的两轮独立驱动移动小车模型。

图2.1纯滚动、无侧滑的机器人车轮

小车的运动包括两部分：

小车中心的平动和绕中心的转到。

机器人的运动学模型如图2.2足球机器人运动学模型所示。

图2.2足球机器人运动学模型

其中足球机器人小车左右轮中心距离为L，两轮外侧间距表示为R，通过控制左右轮速来实现不同的动作。

2.1.2运动学物理模型的约束

根据质点系的速度和位置是否受到一定限制，有非自由质点系和自由质系之分。

限制系统各质点位置和速度的这些条件成为约束，约束的数学方程，称为约束方程。

通常根据限制条件（限制系统质点的位置还是速度），约束可以分为几何约束和运动约束[1]。

在约束方程中，只包含系统各点的坐标，不包含系统各点的速度，这种约束就是几何约束。

如果在约束方程中包含系统各坐标对时间的导数，则为运动约束。

如果运动约束方程可积分为有限形势，则与几何约束没有显著差别，称为可积的运动约束，它与几何约束总称为完整约束。

不可积分为有限形式的运动约束，则称为非完整性约束[1]。

非完整性约束的系统，称为非完整性系统。

约束条件不能等价的表示成广义坐标函数，约束中含有广义坐标对时间的导数。

本文研究的足球机器人就是典型的非完整性系统，其物理含义是机器人不能沿轮轴方向运动。

根据足球机器人运动学模型，小车的位姿（位置、方向）与速度（线速度、角速度）之间存在如下关系：

（2-1）

（2-2）

（2-3）

其中ν是小车的线速度，ω是小车的角速度。

RV和LV分别是小车的右轮和左轮的线速度，L是两轮之间的间距。

有小车的运动学模型不难看出，小车的状态空间有三个分量：

cx、cy和θ，而小车的控制分量只有两个：

线速度和角速度，或者说小车左、右轮的转速。

因此，这是一个典型的非完整约束（Non-holonomicConstraints）问题，必须增加一个约束方程。

根据小车无侧滑的假定，在运动过程中下面的这个等式始终满足，其物理意义是小车的轮轴方向的速度始终为0。

（2-4）

这个等式意味着，小车运动瞬时速度的方向，始终与小车的朝向相同。

小车方向的改变只能通过两个轮子的差速来实现，小车运动的轨迹，是有一系列瞬时圆心（InstantaneousCenterofRotation,ICR）旋转的小段圆弧组成的。

如图2.3所示。

图2.3小车绕瞬时圆心作圆周运动

图中R为瞬时圆的半径，很容易推导出下面等式关系：

（2-5）

当VR＝VL的时候，R为无穷大，小车做直线运动。

当VR＝－VL时，R＝0，小车原地旋转。

转弯半径可以从0到无穷大变化，这也是两轮独立驱动小车运动的一个显著特点[1]。

了解机器人的物理原型和动力学模型中的约束是进行机器人动作设计的第一步。

2.2机器人足球仿真平台

FIRA机器人足球比赛最早由韩国高等技术研究院（KoreaAdvancedInstituteofScienceandTechnology，KAIST）的金钟焕（Jong-HwanKim）教授于1995年提出，并于1996年在KAIST所在的韩国（Daejeon）举办了第一届国际比赛。

FIRA仿真组别的项目的比赛是机器人足球项目里的入门级项目。

这个级别没有实物需求（不需要实际的机器人），全仿真纯软件环境，使用目前使用最为广泛、效率最高的高级语言C/C++开发控制程序。

本文是以SimuroSot5v5比赛平台RobotSoccerv1.5a为开发平台的[13]。

2.2.1机器人足球仿真平台介绍

安装R_Soccer_v15a_030204.exe；安装程序后，生成C:

\Strategy\。

其中yellow对为我方控制球队。

启动程序后，您将看到如图2.45v5仿真平台用户界面的界面：

图2.45v5仿真平台用户界面

左侧是比赛区域，右侧是菜单栏和比赛信息。

比赛开始前用户可以用鼠标将比赛区域中的机器人拖动到自己想要的位置，用户还可以点击右侧菜单上的选项进行操作，比赛进入Stop时菜单仍会显示以方便裁判进行仲裁。

菜单下面是比分和比赛时间。

系统要求：

PentiumIII600MHz

256M内存

TNT23d显卡32M显存

24xCDROM

显示器最小分辨率800x600

声卡

MicrosoftWindows98

DirectX8.0

10M磁盘空间[14]

2.2.2仿真软件使用说明

仿真平台主菜单和仿真平台策略菜单分别如图2.5图2.6所示。

图2.5仿真平台主菜单图2.6仿真平策略菜单

主菜单使用说明：

（1）Strategies－用户可以通过这个按钮来打开策略菜单选择两个队的策略文件。

（2）犯规和判罚按钮－裁判可以通过这几个按钮判罚某队犯规，并判罚另一队拥有球权。

点击后在比赛区域下方将会出现相应的提示。

（3）Start－开始比赛。

（4）Time－当前比赛进行时间。

（5）Score－当前比分。

（6）Time/Score－点击这个按钮进入时间和比分的设定菜单，你可以调整比赛时间和比分。

（7）NewGame－开始一场新比赛。

（8）Help－打开帮助文档。

策略文件可以使用写入txt文件的代码或DLL文件。

在比赛前应该指定它们的位置。

策略文件应该放在程序安装时所创建的新文件夹。

一般会创建在系统盘根目录下，比如C:

\strategy\yellow\就是黄队的策略文件应该放的位置。

本文正是为黄队编写动作函数，比赛前应将黄队的包含动作函数的策略文件放在这里，然后在蓝队的文本框中输入文件名（不要带扩展名）[15]。

本文是通过VC++6.0中使用C++语言编程，生成DLL策略文件，添加到黄队的策略文件夹下，当比赛开始前选择此策略文件即可。

2.3编程向导

2.3.1场地信息和比赛信息

仿真平台对场地的描述是以英寸为单位的。

1英寸约为2.54厘米。

SimuroSot5vs5描述的场地大小是实际的MicroSot5vs5的场地尺寸大小[16]。

策略头文件中有场地变量的描述[17]。

图2.7场地尺寸信息图

仿真平台还描述了比赛状态gameState和控球方whosBall这两个参数用以描述比赛信息。

2.3.2平台环境

这一节将描述以C++语言来开发包含动作设计的策略系统时平台中提供的重要结构体。

（1）机器人和球的模型

仿真环境中对机器人信息的定义如下：

typedefstruct

{

Vector3Dpos;//机器人坐标

doublerotation;//机器人方向角

doublevelocityLeft,velocityRight;//机器人左右轮速度

}Robot;

仿真环境中对球的信息的定义如下：

typedefstruct

{

Vector3Dpos;//小球的坐标位置

}Ball;

（2）环境信息模型

仿真平台对于决策系统多需要的所有信息封装在同一个结构中，及环境信息中；并定义了一个全局环境变量来用于仿真系统与决策系统之间进行信息的交换。

仿真环境中对环境信息的定义如下：

typedefstruct

{Robothome[PLAYERS_PER_SIDE];//我方机器人数组

OpponentRobotopponent[PLAYERS_PER_SIDE];//敌方机器人数组

BallcurrentBall,//当前小球的位置

lastBall,//上一次小球的位置

predictedBall;//预计的小球的位置

BoundsfieldBounds,//场地范围

goalBounds;//球门的位置与范围

longgameState;//当前比赛的状态

longwhosBall;//由谁控制球

void*userData;//用户自定义信息

}Environment;

2.3.3接口函数

仿真平台提供了以下三个预定义的几口函数：

extern"C"STRATEGY_APIvoidCreate（Environment*env）;//Create程序的初始化

extern"C"STRATEGY_APIvoidStrategy（Environment*env）;//Strategy程序的主要执行逻辑每秒调用六十次。

extern"C"STRATEGY_APIvoidDestroy（Environment*env）;//Destroy程序的销毁，释放程序创建是的数据分配空间。

Strategy函数为仿真环境接口中最为重要的函数，所有的设计的策略内容都在此函数中实现，仿真系统每秒钟调用60次该函数，即该函数要在1/60秒内完成一次决策[18]。

2.4仿真平台工作原理

仿真系统主要完成机器人物理模型的计算工作，包括碰转检测模型、机器人运动学模型、机器人动力学模型以及球的运动学模型与球的动力学模型的计算等内容。

同时它还负责比赛过程中的管理工作，如点球、任意球等比赛时裁判所需要的操作界面和比赛时间设置、比分纪录等操作界面。

平台还是一个服务程序，它将实时处理决策系统发出来的决策命令，并将及时将各个机器人与球的位置和角度反馈给决策系统[19]。

仿真平台的简化结构去下图2.8所示：

图2.8仿真平台的系统结构简图

目前仿真系统采用的是周期轮询的方式从决策系统取得控制命令，即从策略文件中获得执行命令，包括机器人左右轮速等内容。

在一个时钟周期内，仿真系统取得决策系统的决策命令，完成物理模型的计算，再完成显示工作，然后将比赛信息发送给决策系统[20]。

同样，决策系统也在一定时间内完成决策分析，并将决策命令发送给仿真系统。

第3章仿真足球机器人动作总体设计

3.1动作设计的目的和意义

机器人足球比赛的目标就是尽可能多的将球踢进对方球门，并保证自己球门尽可能少地被对方进球。

而要想在激烈的比赛中战胜对手，充分体现足球机器人的魅力，除了灵活多变的战略战术、攻守兼备的队形之外，快速、精确、有效的技术动作也是必不可或缺的[20]。

动作是比赛活动的基本单元，任何精彩的比赛都是由球员的一系列动作构成，因此，全面规范的动作设计，准确有效的动作实现在足球机器人决策系统设计中就显得尤其重要。

动作是决策系统的最底层，是决策的基础和保障，是决策系统的最终体现，因此，机器人动作完成的好坏是系统整体性能的最好验证。

3.2足球机器人动作特点

机器人的动作是对人类智能行为的一种模拟，可以在功能上模仿人类的射门动作、避障动作等。

机器人通过动作来改变环境和自身的状态，同样每个动作都具有发生的条件和发生后的效果。

总的说来