足球机器人的决策子系统研究及其MATLAB仿真-精品(2)

第6页

是 FIRA 的 MiroSot 比赛。它采用集中视觉系统，机器人尺寸限制为 7.5cm×7.5cm×7.5cm，其中每方为3个机器人的3:3项目的场地大小为 150cm×130cm，比赛用球为高尔夫球。在成功举办了首届机器人足球世界杯赛后，决定每年组织一次比赛；另一个是国际人工智能学会组织的机器人世界杯足球赛（RoboCup），总部设在日本的名古屋，自 1997 年起每年举办一次机

[4] [5] [6]

器人足球世界锦标赛，至今已组织了七届世界杯赛。1996年首届MiroSot世界杯机器人足球赛只有7个国家23支代表队参赛，而到了2002年的第七届比赛，有25个国家、地区的207个代表队参加汉城举办的赛事，可见各国对本项比赛关注程度。目前，国外机器人足球比较发达的国家主要有美国、韩国、日本等国。 1.2.2 国内的研究现状

我国的足球机器人事业起步比较晚，但是充分利用后发优势，发展迅速，有些方面已经接近或者达到国际水平。我国的科研工作者于1997年才开始涉足机器人足球比赛相关领域的研究与探索，1997年东北大学人工智能与机器人研究所加入FIRA并研制开发出微型足球机器人系统。1999年4月，中国机器人足球协会在哈尔滨成立，并正式加入FIRA。同年10月在哈尔滨工业大学举行首届中国机器人足球比赛。1999年8月，东北大学作为中国第一支代表队参加了在巴西举办的第四届机器人世界杯足球赛，并取得了较好的成绩。在RoboCup比赛项目上，清华大学和中国科技大学代表了中国的最高水平。清华大学在2001的RoboCup仿真组中第一次参加比赛即一举夺得金牌，实现了中国RoboCup金牌零的突破，我国对机器人足球的研究起步较晚，但整体水平提高较快。今天中国的机器人足球正在逐渐发展和壮大起来，引起社会各界的极大兴趣，国内己有几十所大学和科研团体在开展这方面的研究。 1.3 足球机器人研究的目的与意义

机器人足球涉及多个学科和技术：智能机器人、多智能体系统、实时规划与推理、机器学习、实时图像处理与模式识别、传感器与数据融合、无线

[9] [10]

通讯等。机器人足球已成为人工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厚爱，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。利用足球机器人这个优秀平台，可以最大程度地把当前人工智能和智能控制领域的新方法和新理论应用于系统开发过程中，从而检验所采用方法的

第7页

有效性，这对理论研究有很明确的指导意义。机器人足球比赛将研究对象从过去计算机象棋的单智能体发展到分布式多智能体，将研究环境从静态环境发展到动态环境，并且将非实时知识处理发展到实时处理，有巨大的理论价[11]

值。最重要的是，机器人足球项目的深入开展，带动了其它各方面智能技

[12]

术的推广，如:

1)产业应用:将机器人足球所包含得各种硬件和软件技术具体应用到产业，用以改造旧的传统企业技术或开发新型高技术产品。 2)军事应用:将机器人足球所包含得多智能技术及战略、战术具体应用到机器人部队的协同作战或救灾机器人部队的协同救护系统上。

3)教育应用:将机器人所包含的具有趣味性和观赏性的人工智能技术具体应用到教学之中，使其各种工具与手段智能化，促进教育改革。此外，在自动控制、智能交通、信息处理、系统分析与集成等技术领域也有广阔的发展前景。

因此可以说，机器人足球比赛是继计算机象棋后出现的人工智能发展的

[13]

第二个里程碑，它将人工智能技术发展到新的境界，使人工智能技术更加成熟，加速人工智能技术的商品化、产业化进程。 1.3.1 研究决策子系统的意义

足球机器人系统作为研究多主体系统的典型课题，它的智能性主要体现在决策系统中，足球机器人智能水平的高低主要取决于决策系统的先进性、合理性和实时性。决策系统在整个足球机器人系统中，处于非常重要的地位，就好比人脑对于人这个系统一样，决策系统的优劣将直接关系到比赛的结果，关系到整个系统的成败。最为重要的是，对决策系统的深入研究有重大的理论意义和现实应用价值。在决策子系统的开发过程中，可以最大程度地把当前人工智能和智能控制领域的新方法和新理论应用足球机器人这个优秀平台上，对通过这个实验平台检验所用理论的可行性和先进性。决策系统的开发过程就是对多智能体系统的基本问题，诸如工作任务描述、任务分解

[14]

与分配、智能体间的一致性及协调性等的求解过程 。

足球机器人决策系统的研究成果可具有巨大的应用价值。例如，可利用决策系统中的协作控制和决策技术来自动指挥无人驾驶飞机群完成诸如编队、攻防对抗等作战任务。在制造领域，引入智能体技术可大大增加制造系统的柔性、智能性和可重构性，并为解决动态问题的复杂性和不确定性提供新的思路。此外这些研究成果还可以运用到交通控制、软件开发、网络管理

第8页

和信息处理等众多领域当中。 1.3.2 决策系统相关问题研究现状

(1) 机器人路径规划及障碍回避问题

动态环境的路径规划，是机器人足球的另一个关键问题。有大量的文献

[15]

讨论了机器人自主导航和避碰问题，如文献[16]中就总结了如下一些方法：边缘检测法、拓扑法、势场法及确定网络法等；文献[17]通过运动轨迹预测（假设为直线运动）来规划出一条无碰路径，并通过控制机器人加、减

[18] [19] [20] [21]

速来避开运动障碍。此外一些智能算法诸如遗传算法和神经网络方法等也在机器人路径规划中得到了应用。如何在存在高度对抗和动态的比赛环境下，快速有效地进行机器人路径规划是需要进一步研究的课题。 (2) 实时决策问题

为了解决足球机器人实时决策问题，学者们提出了大量的控制结构和决策模型。如文献[22]采用角色分配方法；文献[23]提出了一种文化(culture)算法，认为要进行机器人足球比赛，首先要训练每一个机器人踢足球，然后进行多个机器人无对手情况下的训练，再进行小规模的比赛；文献[24]通过状态空间到行为空间映射的方法，让足球机器人作出适应性动作选择；文献[25]提出了六步推理模型。不少方法仅具有理论指导意义。如文献[22]的角色划分过分依赖机器人所分配的区域，缺少灵活性；文献[24]只考虑了几种简单的状态，无法适应复杂的比赛要求；而文献[23][25]所提方法理论上很完美，但实现起来有一定的难度。在高度动态和存在对抗的机器人足球比赛环境下，如何进行实时、高效的决策，仍是需要进一步研究的核心课题。 1.4 本论文的研究工作

机器人足球系统研究的主要内容包括：视觉技术，通讯技术，机器人小车技术，决策技术及仿真实现。目前，在决策系统的研究方面，韩国学者提出区域防守法，加泰罗尼亚大学提出人工势场法用于路径规划，英国学者提出人自为战法，东北大学徐心和教授提出智能控制决策和六步推理模型。就目前而言，决策系统的研发还有待完善，如决策库中的各种防守策略中，其中各机器人职责分明，当其他队员被阻时，该机器人只停留致使全局僵住。人自为战法选择每个机器人各自为战，利于进攻，但碰撞机率大。再如路径规划的各种算法中，全局规划方法有位形空间法、栅格空间法，局部规划方法主要有人工势场法，这些方法都有一定的优点，但实用中受限制。

第9页

1.4.2论文主要内容

本文研究的主要内容是: 1． 本文对足球机器人系统的决策特点进行了分析，提出了自上而下的分层

递阶决策推理模型，该模型涉及到队行、角色和动作层次，给出了微型足球机器人系统体系结构。并针对机器人足球策略系统的技术实现，进行了各类动作的设计。 2． 机器人的路径规划及障碍回避。其中心内容就是找到到达目的地并能避

开障碍的最优路径，针对目前机器人足球比赛的障碍规划算法的不足，提出了基于栅格建模的遗传算法来进行躲避障碍的路径搜索，遗传算法是基于自然选择和自然遗传推理的一种路径搜索方法，它可以通过对历史信息的有效搜索来推测具有更好期望性能的新信息。 3． 讨论了差动轮式足球机器人运动控制问题，建立了差动轮式足球机器人

运动学、动力学模型，给出一种基于模糊PID的足球机器人运动控制方法，并设计了模糊PID控制器，给出了仿真实验结果。 4． 策略知识库的建立，在机器人足球比赛系统中，知识和规则是策略知识

库的重要组成部分，因此如何表示他们是很重要的，本论文采用了产生式系统来设计基于规则的专家系统。本文通过对策略的选择、队形变换、角色分配等方面，实现了攻防兼备的策略。

本论文的研究重点是足球机器人的决策子系统。本文的各种策略及设计都将通过VC++6.0及MATLAB编制程序来实现，并利用现有实验室里的FIRA微型足球机器人比赛平台及仿真系统，针对几种不同模型，验证了这几种算法的效果，并能够最终达到比赛的目的。

第二章 足球机器人系统概述

2.1 足球机器人系统的分类

足球机器人系统是机器人研究的一个分支，属于可行走智能机器人系统。目前研究的方向为集中控制式足球机器人系统、分布控制式足球机器人系统，以实现机器人足球运动员为发展目标，研究运动分析、自动控制、人工智能、计算机视觉及无线通信、传感器技术等学科领域。对于设计者来说

第10页

选择什么样的硬件和软件与整体的工作模式有关，一般来说，根据决策部分

[26][27]

所处的位置将工作模式分为以下三种

1．基于视觉的集中控制式足球机器人系统，简称“集控式足球机器人”，又称“基于视觉的遥控无智能足球机器人系统 (vision-base Remote brainless soccer robot system)”。系统采用全局视觉，视觉处理、策略决策以及机器人的行为控制都在主计算机上完成，场上机器人仅作为执行装置，由主计算机发送数据（左右轮速）控制它们运动。在这种系统中，安装在球场上方的摄像头摄取赛场上的信息，送至主机图像分析与识别；由充当教练员的决策软件统一决策，形成机器人的控制命令字，然后通过无线通信的方式发给机器人，每个足球机器人只要负责根据主机发送来的运动指令实现要求的动作即可，类似于遥控车。每个机器人具有驱动模块、通信模块和CPU板，它能够根据接受到的主机发来的数据控制其运动方向和速度，视觉数据处理、策略决策及机器人的位置控制都在主机上完成。此类集控式系统包括FIRA微机器人赛（MiroSot）、超微机器人赛（NaroSot）和RoboCup的小型机器人赛（F180）等。

图2.1 基于视觉的集中控制式足球机器人系统示意图

2．基于视觉的半自主型足球机器人系统，又称“基于视觉的有智能集中控制足球机器人系统（vision-base Brain on board soccer robot system）”。在这种系统中，采用全局视觉且只有全局视觉数据处理在主计算机上完成，然后把处理结果发给场上每个机器人，机器人自己据此做出策略决策，进行运动控制机器人具有速度控制、位置控制、自动避障等功能，在RoboCup的小型机器人赛（F180）常采用这种模式。

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库足球机器人的决策子系统研究及其MATLAB仿真-精品(2)在线全文阅读。