足球机器人的决策子系统研究及其MATLAB仿真-精品

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摘 要

足球机器人是当前机器人研究中的一个热点，涉及机器人学、人工智能、智能控制、计算机视觉等多个领域。足球机器人系统作为一个典型的多智能体协作系统，为机器人学、多智能体系统理论研究和技术应用提供了一个理想的实验平台。

本文以MiroSot机器人足球比赛为背景,以集控式微型足球机器人为研究对象,在分析了足球机器人系统的结构后，重点研究其智能实现的关键部分—决策子系统。对足球机器人策略库的设计、机器人的路径规划、轮式机器人的运动控制等问题进行研究。

首先，本文介绍了足球机器人目前的发展状况，以及足球机器人系统的组成，然后针对足球机器人问题的特点，对传统的决策系统的设计思想进行了研究，分析了常用的决策模型的优缺点，提出采用一种自上而下的分层递阶策略模型。接着在文中建立了差动轮式足球机器人的运动学和动力学模型，并给出了一种基于栅格建模的遗传算法路径规划与模糊PID运动控制方法。随后讨论了决策系统中策略知识库的组成,研究了策略知识库中策略的设计方法，采用以球为中心的区域控制法，设计了足球机器人进攻策略与防守策略等。最后进行了系统仿真实验,并总结了全文、提出了进一步研究的方向。

关键词：足球机器人；决策系统； 路径规划；运动控制；模糊PID；遗传算法

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目录

摘 要 ................................................................................................................... I ABSTRACT ......................................................................... 错误！未定义书签。 目录 ........................................................................................................................ II 第一章 绪 论 ..................................................................................................... 5

1.1 引言 .......................................................................................................... 5 1.2 机器人足球的发展现状 .......................................................................... 5

1.2.1 国外的研究现状 ........................................................................... 5 1.2.2 国内的研究现状 ........................................................................... 6 1.3 足球机器人研究的目的与意义 .............................................................. 6

1.3.1 研究决策子系统的意义 ............................................................... 7 1.3.2 决策系统相关问题研究现状 ....................................................... 8 1.4 本论文的研究工作 .................................................................................. 8

1.4.2论文主要内容 ................................................................................ 9

第二章 足球机器人系统概述 ............................................................................. 9

2.1 足球机器人系统的分类 .......................................................................... 9 2.2 微型（MiroSot）机器人足球比赛系统的简介 .................................. 11

2.2.1 视觉系统 ..................................................................................... 13 2.2.2 决策子系统 ................................................................................. 14 2.2.3 无线通信子系统 ......................................................................... 15 2.2.4 机器人子系统 ............................................................................. 16 2.3 本章小结 ................................................................................................ 17 第三章 微型足球机器人决策子系统分析与设计 ........................................... 18

3.1 决策子系统分析 .................................................................................... 18

3.1.1 决策子系统的任务 ..................................................................... 18 3.1.2 决策子系统的特点 ..................................................................... 20 3.2 决策子系统的体系结构 ........................................................................ 21

3.2.1 决策子系统模型 ......................................................................... 21 3.2.2 自上而下的分层递阶决策推理模型 ......................................... 22

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3.3 足球机器人动作设计 ............................................................................ 26

3.3.1足球机器人动作设计的目的 ...................................................... 26 3.3.2足球机器人动作的特点分析 ...................................................... 26 3.4 小结 ........................................................................................................ 32 第四章 足球机器人的运动控制和路径规划 ................................................... 33

4.1 足球机器人的运动学和动力学模型 .................................................... 33

4.1.1坐标系的建立 .............................................................................. 33 4.1.2运动学模型 .................................................................................. 33 4.1.3动力学模型 .................................................................................. 34 4.2 基于模糊PID的足球机器人运动控制 ............................................... 36

4.2.1 控制系统设计 ............................................................................. 37 4.2.2 PID控制器设计 .......................................................................... 37 4.2.3 模糊控制器的设计 ..................................................................... 38

4.2.3.1 模糊控制器的基本原理 .................................................. 38 4.2.3.2 模糊控制器I的设计 ...................................................... 39 4.2.2.3 模糊控制器II的设计 ..................................................... 44 4.2.3 控制算法流程图 ......................................................................... 45 4.2.4 用MATLAB 设计FIS及仿真 ................................................. 46 4.3 基于遗传算法的机器人路径规划 ........................................................ 48

4.3.1 遗传算法简介 ............................................................................. 48 4.3.2利用遗传算法进行路径规划 ...................................................... 49

4.3.2.1 规划空间的栅格法建模 .................................................. 49 4.3.2.2 路径规划方法 .................................................................. 50 4.3.3 仿真研究 ..................................................................................... 53 4.3.3 结论 ............................................................................................. 53 4.4 小结 ........................................................................................................ 54 第五章 策略知识库的设计 ............................................................................... 55

5.1 引言 ........................................................................................................ 55 5.2 策略知识库的组成 ................................................................................ 55 5.3 机器人足球比赛中的策略 .................................................................... 56

5.3.1基本比赛策略的设计 .................................................................. 56 5.3.2球队队形的选择 .......................................................................... 56

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5.3.3角色分配与转换 .......................................................................... 63 5.3.4基本比赛策略 .............................................................................. 64 5.4 策略库的几种高层策略方案 ................................................................ 66 5.5 小结 ........................................................................................................ 67 第六章 仿真结果与分析 ................................................................................... 68

6.1 概述 ........................................................................................................ 68 6.2 仿真环境和内容 .................................................................................... 68 6.3 仿真试验结果 ........................................................................................ 69

6.3.1 基于遗传算法的机器人路径规划仿真 ..................................... 69 6.3.2 足球机器人基本比赛策略的仿真 ............................................. 69 6.4 小结 ........................................................................................................ 71 回顾与展望 ........................................................................................................... 72 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得科研成果 ...... 错误！未定义书签。 参考文献 .............................................................................. 错误！未定义书签。 致 谢 .................................................................................... 错误！未定义书签。 附 录 ..................................................................................................................... 74

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第一章 绪 论

1.1 引言

机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一项高新技术，它己在众多的科学领域与工业部门中得到应用，并显示出强大的生命力。机器人技术是一门综合性学科，它综合了多种基础学科、技术学科及新兴科技领域的多方面知识，突出地体现了当代科学技术发展的高度分化而又高度综合这一特点。近年来，有关多智能体系统(Multi-Agent System)的研究，已经成为人工智能领域的重要研究方向之一，足球机器人系统作为多智能体的典型问

[1] [2]

题，是当今国际上人工智能的研究热点。在人工智能领域，多智能体系统是指包含两个或以上的机器人以合作的方式完成给定任务的系统。而机器人足球赛既是人工智能一个很好的研究模型，又是体现多个机器人合作的范例，因此它的兴起便倍受关注。 1.2 机器人足球的发展现状 1.2.1 国外的研究现状

机器人足球是由加拿大大不列颠哥伦比亚大学教授Alan Mackworth 在

[3]

1992年的一次国际人工智能会议首次提出的，他的目的是通过机器人足球赛，为人工智能和智能机器人学科的发展提供一个具有标志性和挑战性的课题。此想法一经提出，便得到了各国科学家的普遍赞同和积极响应，国际上许多著名的研究机构和组织开始开展研究，将其付诸实现并不断推动其发展。

目前，国际上机器人足球已经发展为两大系列，一是由国际机器人足联(FIRA-Federation of International Robot-soccer Association)组织的微型机器

[7]

人世界杯足球赛(MiroSot), FIRA成立于1997年6月，总部设在韩国科学院 [8]

，其成员单位遍及 50 多个国家和地区，有近百个学校与科研院所参加，主要分布在亚洲、澳洲、南美洲等地区。FIRA 自成立以来，也组织了 7 届机器人足球世界杯赛(FIRA Robot-soccer World Cup)。国内院校参加的主要

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