RoboCup机器人足球赛2D仿真程序设计毕业设计论文报告.docx

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RoboCup机器人足球赛2D仿真程序设计毕业设计论文报告

芜湖职业技术学院

毕业设计（论文）报告

题目RoboCup机器人足球赛2D仿真程序设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

摘要

RoboCup是国际上广泛开展的一种高技术对抗活动，中国对此也高度重视。

RoboCup中国分会于1999年筹备成立并开始举办中国的RoboCup比赛，2001年6月21日，中国自动化学会机器人竞赛工作委员会成立大会在清华大学隆重召开，该委员会将负责统一协调、组织全国的机器人竞赛活动，863计划还提供了专项基金予以资助，标志着我国机器人竞赛事业进入了一个崭新阶段。

在近几年的国际、国内RoboCup赛事上安徽籍的众多高校，如：

中国科学技术大学、合肥工业大学、安徽大学、安徽工业大学、黄山学院、滁州学院等都积极参与并都取得较好成绩。

在此RoboCup竞赛较好发展的大环境下，2009年由安徽省高校计算机教育研究会组织开展的“安徽省第一届机器人大赛暨全国机器人邀请赛”在滁州成功举办。

此比赛正式拉开安徽省各层次高校在RoboCup竞赛方面的序幕。

芜湖职业技术学院RoboCup仿真2D足球队——Storm队。

也就是在这样的背景下诞生的。

是当年安徽省内所有参赛高校中唯一的一所高职球队。

在近两年来的发展中，球队已取得一定成绩。

关键字：

人工智能，多智能体系统，机器人仿真足球

Abstract

RoboCupisaninternational1999andbeganpreparationsfortheRoboCupcompetitionChina,June21,2001,theChineseAssociationofAutomationRobotCompetitionCommittee,andorganizationofnationalmachinerypeoplecontest,863alsoprovidesaspecialfundtobefunded,indicatesthatChinarobotCompetitionrecentyears,domesticandinternationalRoboCupcompetitions,manycollegesanduniversitiesinAnhuimembership,suchas:

UniversityofScienceandTechnologyofChina,HefeiUniversity,AnhuiUniversity,AnhuiUniversity,HuangshanUniversity,ChuzhouCollegeareallactivelyinvolvedandbetterdevelopmentenvironment,AnhuiProvincein2009bytheComputerEducationSocietyorganizedthe"FirstRoboticsCompetitioninAnhuiProvinceandtheNationalRoboticsInvitational"wassuccessfullyChuzhou.ThematchofficiallyopenedinAnhuiProvinceinRoboCupcompetitionsatalllevelsincollegesanduniversitiesprelude.

WuhuVocationalandTechnicalCollegeRoboCup2Dsimulationsoccer-StormTeam.Itisinsuchabackgroundwasborn.IstheyearofallparticipatingcollegesanduniversitiesinAnhuiProvince,onlyavocationalteam.Inthelasttwoyearsofdevelopment,theteam

摘要Ⅰ

AbstractⅡ

第一章绪论1

1.1机器人足球概述1

1.1.1机器人足球的起源1

1.1.2RoboCup历年世界杯2

1.1.3RoboCup在中国3

1.1.4RoboCup世界杯足球比赛项目3

1.2机器人足球与人工智能4

第二章RoboCup2D仿真机器人足球比赛平台5

2.1仿真2D机器人足球5

2.2仿真2D比赛过程及规则6

2.2.1Server的获取和安装6

2.2.2整场比赛的过程7

2.2.3SoccerServer控制的比赛规则7

2.2.3.1自动裁判7

2.2.3.2人为干预9

2.3SoccerServer9

2.3.1球场上的对象10

2.3.2场地和球员10

2.3.3对象的运动模型10

2.3.4球员的感知信息模型11

2.3.5球员的动作模型13

2.3.6球员的体力模型14

2.3.7异构球员14

2.3.8裁判模型14

2.4Client15

2.4.1初始化和重新连接15

2.4.2控制命令15

2.4.3感知信息15

2.5Coach16

2.5.1Coach介绍16

2.5.2训练者和在线教练的区别16

第三章Agent设计17

3.1成熟的底层17

3.2Agent的基本动作21

3.2.1原子动作21

3.2.2中间动作22

3.2.3高级动作23

第四章球队高层决策25

4.1机器人足球球队策略综述25

4.2.1deMeer5策略25

4.2.2deMeer5_goalie策略26

4.2UVA_Base_2003的简单决策策略25

第五章Agent2D与UVA_Base_200327

5.1Agent2D的优点27

5.2移植Agent2D27

致谢27

参考文献（References）27

附录28

第一章绪论

1.1机器人足球概述

机器人足球世界杯，是近年国际信息科技界新兴的一项集前沿研究与教育于一体的大型活动。

在研究方面，“机器人足球”涉及计算机、机器人、通讯、自动化和机电一体化等多学科的前沿技术的开拓和综合集成；在教育方面，已被视为培养21世纪信息科技一流人才的重要手段（欧美一些学校已将“机器人足球”作为许多课程的核心内容）。

概括地说，机器人足球赛是以体育竞赛为载体的前沿科研竞争和高科技对抗，是培养信息－自动化科技人才的重要手段，同时也是展示高科技进展的生动窗口和促进科技成果实用化和产业化的新途径。

足球机器人是机器人发展过程中的重要产物，也是发展机器人技术的一个重要途径。

机器人足球赛是机器人参加的足球比赛，机器人可以是实物的或者是仿真的，其比赛规则与人类正规的足球赛规则类似，每个比赛级别根据其特点对规则作了相应的一些媱和修改。

实物机器人足球比赛涉及计算机、自动控制、传感与感知融合、无线通讯、精密机械和仿生材料等众多学科的前沿研究与综合集成。

仿真机器人足球比赛在标准软件平台上进行，平台设计充分体现控制、通讯、传感和人体机能等方面的实际限制，使仿真球队程序易于转化为硬件球队的控制软件。

仿真机器人足球的研究重点是球队的高层功能，包括动态不确定环境中的多智能体合作、实时推理——规划——决策、机器学习和策略获取等当前人工智能的热点问题。

概括地说，机器人足球是以体育竞赛为载体的前沿科研竞争和高科技对抗，是培养信息——自动化科技人才的重要手段，同时也是展示高科技进展的生动窗口和促进科技成果实用化和产业化的新途径。

1.1.1机器人足球的起源

加拿大不列颠哥伦比亚大学的AlanMackworth教授在1992年发表了题为“OnSeeingRobots”的文章，其中首次提出了机器人足球的思想。

他的研究小组还发表了一系列Dynamo机器人足球项目的论文。

1992年10月，一些日本研究人员在东京组织了一个关于人工智能重大挑战的研讨会，讨论可能的重大挑战性问题。

这个研讨会对采用足球比赛来促进科技发展进行了认真的讨论。

他们进行了一系列的调查，包括技术上的可行性，社会影响力评估以及财政上的可行性。

另外，他们还草拟了规则和足球机器人和模拟系统的开发原型。

通过这些研究，他们认为这个方案是可行的，也是大家都希望能开展的。

1993年6月，包括浅田埝（MinoruAsada）、YasuoKuniyoshi和北野宏明（HiroakiKitano）在内的一些研究者决定创办一项机器人比赛，暂时命名为RoboCupJ联赛（J联赛是刚创办的日本足球职业联赛的名字）。

然而在一个月之内，他们就接到了绝大部分是日本以外的研究者的反应，要求比赛扩展成一个国际性的项目。

于是，他们就将这个项目改名为机器人世界杯，简称为RoboCup。

在这次讨论的同时，一些研究人员已经将足球比赛作为他们的研究领域。

例如，电子技术实验室（ETL，日本政府的一个研究中心）的松原仁（ItsukiNoda）正在用足球进行多智能体（multi-agent）的研究，并已经开始开发一个专用的足球比赛模拟器。

这个模拟器后来成了RoboCup的正式足球服务器。

大坂大学的浅田埝（MinoruAsada）的实验室、卡内基--梅隆大学的ManuelaVeloso教授和她的学生PeterStone也已经开始研究足球机器人。

没有这些先行者的参与，RoboCup就不可能产生。

1993年9月，RoboCup第一次发表公告，并草拟了明确的规则。

于是，在很多会议和研讨会上进行了关于组织和技术问题的讨论，包括AAAI-94（美国人工智能联合会会议），JSAI（日本人工智能学会）座谈会以及其他机器人界的会议。

同时，松原仁（Noda）在ETL的小组宣布了SoccerServerv0（LISP版本），为进行多智能体系统研究而开发的第一个足球领域的开放系统模拟器，后来又通过Web发布了1.0版本的SoccerServer（C++版本）。

这个模拟器的第一次公开演示是在IJCAI-95。

1995年8月，在加拿大蒙特利尔召开的国际人工智能会议（IJCAI-95）上发表了公告，将在名古屋与IJCAI-97联合举办首届机器人世界杯足球赛及会议。

同时，为了发现与组织大型RoboCup比赛有关的潜在问题，决定先举办Pre-RoboCup-96。

作出这个决定是为了留出两年的准备和开发时间，这样研究小组就可以开始开发机器人和模拟的球队，同时也能有时间筹集研究经费。

1996年11月4日到8日，在大坂的国际智能机器人与系统会议（IROS-96）上举行了Pre-RoboCup-96。

有8支球队参加了模拟组联赛，并展示了参加中型联赛的真正的机器人。

虽然规模不大，但这是第一次将足球赛用于促进研究与教育的比赛。

1997年8月25日，与第15届国际人工智能会议（IJCAI-97）联合举办的RoboCup97在日本名古屋拉开帷幕，这是第一次正式的RoboCup比赛和会议，获得了巨大的成功。

来自美国、欧洲、澳大利亚、日本等40多支球队（机器人组和模拟组）参加，5000多名观众观看了比赛。

1998年7月4日至8日，正当世界杯比赛渐入佳境之时RoboCup-98在巴黎举行，来自世界各地的80多支球队参加了比赛，这也成为历史上最大的移动机器人活动。

另外，1998年还举办了一系列的其它活动，如新加坡的RoboCup-98环太平洋系列，加拿大维多利亚的RoboCup-98IROS系列，德国的VISION（欧洲最大的计算机视觉国际会议）RoboCup-98，RoboCup-98日本公开赛，AutonomousAgent98上的RoboCup模拟组演示，AAAI-98移动机器人比赛和展示。

RoboCup-99将于1999年7月30日至8月6日在瑞典斯德哥尔摩和第16届国际人工智能会议（IJCAI-99）联合举办，以后还将举办RoboCup-2000（澳大利亚墨尔本）、RoboCup-2001（暂定美国西雅图）、RoboCup-2002（日本）等比赛。

机器人足球正以一种高技术对抗的形式赢得学术界的认同。

一些学术刊物如ArtificialIntelligenceJournal、AIMagazine、AppliedArtificialIntelligence、AdvancedRoboticsJournal、TheJournalonRoboticsandAutonomousSystem、TheInternationalJournalofIntelligentAutomationandSoftComputing等都出版了机器人足球专辑。

一些有影响的国际学术会议如IJCAI、IROS、Agent、ICMAS、AAAI研讨会、JSAI研讨会等也都安排了这方面的专题讨论。

一年一度的RoboCup也同时召开学术会议，推动相关学科的进展。

可以预料，有朝一日机器人足球会因为它的娱乐性、观赏性，以及高技术挑战性，不仅有助于科研与教学的进展，也会形成相当数量的需求与产业，从而长盛不衰，不断开创新的局面。

1.1.2RoboCup历年世界杯

1997年8月25日，经过数年准备和1996年的试验性比赛（Pre-RoboCup-96），RoboCup机器人足球世界杯赛在日本名古屋与IJCAI-97联合举行。

这是第一次正式的RoboCup比赛和会议，获得了巨大的成功。

比赛仅设了机器人组和仿真组两个组别，来自美国、欧洲、澳大利亚、日本等40多支球队参加，5000多名观众观看了比赛。

从此，RoboCup作为机器人学和人工智能研究领域的最重要的活动之一蓬勃发展起来。

•RoboCup-97（日本名古屋）

1998年7月4日，正当第16届世界杯足球赛渐入佳境之时，第二届RoboCup世界杯赛在法国巴黎举行，来自世界各地20多个国家达60多支球队参加了比赛。

这也成为历史上最大的移动机器人活动。

另外，1998年还举办了一系列的其它活动，如新加坡的RoboCup-98环太平洋系列，加拿大维多利亚的RoboCup-98IROS系列，德国的VISION（欧洲最大的计算机视觉国际会议）RoboCup-98，RoboCup-98日本公开赛，AutonomousAgent98上的RoboCup仿真组演示，AAAI-98移动机器人比赛和展示。

随后在瑞典斯德哥尔摩（增设由Sony公司赞助的四腿机器人比赛项目）、澳大利亚墨尔本（开设初级组和救援比赛项目）、美国西雅图、日本福冈韩国釜山、意大利帕多瓦，RoboCup世界杯一年一度的在举行，同时还伴随着各种各样的地区联赛，越来越多的国家参与其中，比赛内容、规模也不断丰富、扩大。

到了2004年在葡萄牙里斯本举行的第八届RoboCup世界杯赛，来自近40个国家超过1600人参与的共346支球队参加了本届比赛。

机器人足球正以一种高技术对抗的形式赢得学术界的认同。

一些学术刊物如ArtificialIntelligenceJournal、AIMagazine、AppliedArtificialIntelligence、AdvancedRoboticsJournal、TheJournalonRoboticsandAutonomousSystem、TheInternationalJournalofIntelligentAutomationandSoftComputing等都出版了机器人足球专辑。

一些有影响的国际学术会议如IJCAI、IROS、Agent、ICMAS、AAAI研讨会、JSAI研讨会等也都安排了这方面的专题讨论。

一年一度的RoboCup也同时召开学术会议，推动相关学科的进展。

可以预料，有朝一日机器人足球会因为它的娱乐性、观赏性，以及高技术挑战性，不仅有助于科研与教学的进展，也会形成相当数量的需求与产业，从而长盛不衰，不断开创新的局面。

1.1.3RoboCup在中国

1999年5月，由清华大学计算机系和中国科技大学计算机系共同发起，成立了RoboCup中国分会筹备委员会。

东北大学、哈工大、国防科大和香港科大等高校也加入了该组织。

根据RoboCup联盟的正式授权，RoboCup中国分会负责组织中国境内的一切RoboCup活动，包括学术研讨、比赛和培训等等。

1999年10月，RoboCup中国分会在重庆组织了中国第一次RoboCup仿真机器人足球赛。

随后，一年一度的全国比赛也在国内开展起来，比赛规模也不断壮大。

与此同时，各高校也开展了相关的活动以促进RoboCup在中国的发展。

中国科技大学在开设RoboCup研讨班的同时还举办了许多讲座以及校内、省内比赛，受到了广泛好评。

2001年6月21日，中国自动化学会机器人竞赛工作委员会成立大会在清华大学隆重召开，该委员会将负责统一协调、组织全国的机器人竞赛活动，863计划还提供了专项基金予以资助，标志着我国机器人竞赛事业进入了一个崭新阶段。

该委员会为中国科学技术协会和中国自动化学会的组成部分，其宗旨是通过机器人比赛（主要包括RoboCup和FIRA两类机器人足球比赛），让更多的群众尤其是青少年朋友了解机器人、喜爱机器人，普及现代科学知识，为我国的机器人事业培养更多的优秀人才，推动自动化与机器人技术的发展与创新，为我国的快速持续发展贡献力量。

1.1.4RoboCup世界杯足球比赛项目

（1）仿真组足球比赛

1）仿真2D组比赛

2）仿真3D组比赛

（2）小型组比赛

（3）中型组比赛

（4）仿人机器人比赛

（5）标准平台之四腿组比赛

（6）标准平台之Nao机器人比赛

1.2机器人足球与人工智能

在第15届国际人工智能联合大会上，由来自美、日、瑞典的Kitano,Veloso和Tambe等9位国际著名或知名学者联合发表重要论文“TheRoboCupsyntheticagentchallenge97”，系统地阐述了机器人足球的研究意义、目标、阶段设想、近期主要内容和评价原则。

概括的说，过去50年中人工智能研究的主要问题是“单智能体静态可预测环境中的问题求解”，其标准问题是国际象棋人——机对抗赛；未来50年中，人工智能的主要问题是“多智能体动态不可预测环境中的问题求解”，其标准问题是足球的机——机对抗赛和人——机对抗赛。

从科学研究的观点看，无论是现实世界中的智能机器人或是机器人团队（如家用机器人和军用机器人团队），还是网络空间中的软件自主体（如用于网络计算和电子商务的各种自主软件以及它们组成的“联盟”，都可以抽象为具有自主性、社会性、反应性和能动性的“智能体”（Agents）。

由这些智能体构成的多智能体系统（multiagentsystems，简称MAS），是未来物理和信息世界的一个缩影，其基本问题是智能体（包括人）之间的协调，可细分为智能体设计、多智能体体系结构、智能体合作和通讯、自动推理、规划、机器学习与知识获取、认识建模、系统生态和进化等一系列专题。

这些专题有的是新提出的（如“合作”），有的是过去未能彻底解决并在新的条件下更加复杂化的（如机器学习）。

这些问题不解决，未来社会所需的一些关键性技术就无法得到实现。

值得注意的是，上述一系列问题中的大多数在机器人足球中得到了集中的体现。

在这个意义下，将机器人足球作为未来人工智能和机器人学的标准问题是十分恰当的，这主要是由于机器人足球具有以下特点：

●典型性如上所述，RoboCup机器人足球的研制涉及当前人工智能研究的大多数主要热点，因而构成一个典型问题。

●可行性多智能体系统的绝大多数实际背景十分复杂，以致研究人员在目前的条件下难以把握，无法兼顾具体细节分析与基体问题探索。

而在机器人足球中则较易兼顾二者，易于深入。

●客观性比赛提供了一种实验平台和评价各种理论与技术的客观方法，便于研究者的“自我观察”和相互交流。

●综合性在以往的研究中，各种技术通常被分别开发和考察，综合集成工作一般由面向最终用户的应用部门来完成，这种方式不利于相关技术在更高层次上的衔接和在更深层次上的创新。

机器人足球是第一个深层的“综合平台”。

第二章RoboCup2D仿真机器人足球比赛平台

2.1仿真2D机器人足球

RoboCup仿真比赛是一个能为多智能体系统及相关技术进行研究、教育的工具。

比赛是在一个标准的计算机环境中进行的，提供了一个完全分布式控制、实时异步多智能体环境。

通过这个平台，可以测试各种理论、算法和球员智能体体系结构。

在实时异步、有噪声的对抗环境中，研究多智能体的合作对抗问题。

当然，仿真组比赛使用的机器人并非是真的机器人。

一个机器人是一个球员智能体，它拥有自己的大脑，是一个独立的“主体”，表现为一个独立的程序进程。

而一个球队是由多个这样的程序进程组成。

服务器的工作就是计算并更新球场上所有物体的位置、运动和状态，发送视觉和听觉信息给球员，接收和执行球员的命令。

RoboCup仿真组是完全基于软件程序的开发而没有实际的机器人，这是不同于RoboCup其他组的重要方面。

因此，研究人员可以把精力完全投入到机器人的高层决策中，而无需考虑硬件问题。

同时，仿真组比赛所需的仿真平台的开发还可以促进计算机仿真技术的发展。

目前仿真比赛主要包括2种比赛类别：

仿真2D组和仿真3D组。

仿真2D比赛场景是二维的，所有的比赛都在平面上，球员没有身高的概念，足球也不能在空中运动，所有的场景都发生在二维平面范围内。

比赛的方式是由RoboCup委员会提供标准的SoccerServer系统，各参赛队编写各自的Client程序，SoccerServer系统在设计时，充分考虑实际比赛中球员本身机能的限制。

比赛结构如图2-1所示。

图2-1比赛平台结构图

仿真2D组比赛以ClientServer方式进行。

Server包含两个程序：

SoccerServer和Soccermonitor。

SoccerServer的工作是仿真足球和队员的移动、与Client进行通信、按照一定的规则控制游戏的进程。

Soccermonitor是一个可视化的工具，允许人们观看比赛时Server到底发生了什么事情，具体显示的信息包括比分、球队名称、所有球员和足球的位置。

Soccermonitor也提供了一个简单的Server接口。

例如：

当两支