足球机器人的决策子系统研究及其MATLAB仿真-精品(4)

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电路安排在一起，还装有驱动电路和电机，电磁环境恶劣，也容易受到干扰而产生误差。如果在通信过程有误差，它将导致机器人错误的动作，所以要求通信系统具有较高的抗干扰能力和可靠性。

无线通信子系统是机器人足球闭环控制系统的一个重要组成部分，其通

[30]

信性能的好坏，将严重影响机器人的运动和比赛的顺利进行。为了提高通信质量和通信效率应精心设计通信系统，重点是通信芯片的选择和通信协议的制定。

2.2.4 机器人子系统

足球机器人的形式为机器人小车，机器人小车是系统的执行机构，其任务是准确接收来自上位机的运动指令，并根据指令的要求迅速、准确地完成决策子系统所要求的动作。机器人小车在场中的表现直接体现了整个系统的好坏。

机器人小车由车体、动力驱动装置、通信接收器、CPU板和能源系统组成。概括地说，机器人小车应具备三大功能:指令的接收能力、调速及转弯的控制能力、红外检测与障碍回避的能力。由于尺寸限制及受到场外各种光线的干扰，并为减轻车载CPU的负担，红外检测与避障环节可以省去，这部分可由决策系统根据视觉子系统所提供比赛场上的信息，通过轨迹规划来实现。

根据比赛规则的要求，Mirosot机器人小车的尺寸应不大于7.5㎝×7.5㎝×7.5㎝，而小车上要安装各种装置，所以要求机器人小车包括各功能模块尽可能小型化和集成化，同时由于在比赛过程中会不可避免地发生激烈的碰撞，因此要求车体结构强度好，重量和转动惯量小，车体采用铝合金。为了获取较好的机动性和灵活性，本系统采用双电机分别驱动左右轮的方式。

机器人小车一般由动力驱动装置、通信接收器、CPU板和能源系统组成，为了满足足球机器人比赛的要求，机器人小车的运动性能显得尤为重要，能够快速实现前进、后退、转角、停车等基本动作。选择合适的电动机及其减速机构、驱动芯片，设计合理的驱动电路是很重要的。能源系统对直流电机提供驱动电压及向整个机器人小车控制系统提供逻辑电压。必须存储足够的能量，并保持电压的稳定。概括地说，机器人小车应能准确地接收上位机指令，并根据指令要求迅速完成决策子系统的意图（带球、射门、拦截等技术动作），为此机器人应具有以下两大功能：

◆ 指令的接收

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◆ 调速及转角控制

P1.0 无 P1.1 线 接 RXD P1.2 驱动1 电机1 码盘1 P1.3 80c196kc 驱动2 电机2 8254 计数器 GATE0 GATE1 码盘2 P1.4 P1.5 图 2.9 机器人小车子系统流程图

2.3 本章小结

本章简要介绍了机器人足球系统的分类和三种工作模式，分析了Mirosot 集控式机器人足球比赛系统及其构成；对各个子系统包括视觉子系统、决策子系统、通信子系统和足球机器人子系统的结构、功能和设计要求进行了分析。要想在机器人足球比赛中战胜对手，取得比赛胜利，机器人足球系统的每个部分都必须具有优良的性能，并能协调可靠地工作。决策子系统上接视觉子系统，下接通信子系统，它是整个系统的中心枢纽，在本文下面的章节中，将对决策子系统的设计进行详细的研究。

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第三章 微型足球机器人决策子系统分析与设计

3.1 决策子系统分析 3.1.1 决策子系统的任务

在机器人足球比赛系统中，决策子系统上接视觉子系统，下接通信子系统，它是整个系统的中心枢纽。视觉子系统传来场上机器人和球的位置坐标和方向角，这些数据信息作为输入量进入决策子系统。决策子系统的任务就是如何根据这些信息，经过决策处理，得出各个机器人的运动控制命令，提高无线通信子系统发送给各个机器人。决策子系统的优劣将直接影响到比赛的成败。

足球机器人的决策系统扮演着教练员和运动员的职责。在真实的绿茵场上，作为教练员要根据球场上的实际情况来部署球员，同时也根据不同的对手，选择不同的队形。足球机器人赛场上，决策者也应该根据不同的球队采取不同的策略，对于错综复杂的球场形势，运用灵活的策略。作为人类，球员与教练的思维通常包括形象思维和逻辑思维两部分，在激烈的体育比赛中通常以形象思维为主。如当比赛场上具有如图3.1所示的态势: R1～R3为我方机器人在左半场，向右进攻，人类教练员会立即看出R1队员进攻位置比

321 图3.1 反映比赛瞬间态势的示意图

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较好，应该进行射门。而机器人决策系统从视觉子系统得到的信息只是一个包含机器人姿态和球位置的数据矩阵，这使人类形象思维的优势荡然无存。

人类对球场信息的处理通常是在模糊概念上，如:远、近、快、慢、有利、无利??，用自然语言进行推理、决断。而决策子系统面对的是精确的数据和呆板的程序语言。如何将教练员的决策思维过程形式化、规范化，并用计算机程序表现出来，这属于知识工程的范畴，崭新的前沿领域。这也是机器人足球比计算机下国际象棋更具挑战性的要点所在，也是决策子系统的难点所[31]

在。

视觉系统 微型足 辨识数据 球机器 机器人左人决策

右轮速度系统 人机界面

设定 设定

图3.2决策系统输入输出模块图

[32]

如图3.2所示，决策系统是一个知识型系统，有如下关系:

O=f (I)

其中，I(2n?1)?3矩阵是视觉输出的数据，为场上物体的位姿，On?2矩阵是决策输出数据，为我方机器人的左右轮速设定，n为我方机器人的数目。对于Mirosot 3VS3的足球机器人系统，场上实体的位置信息，它可由一个7×3的矩阵来表示：

?XR1?X?R2?XR3???XOR1?XOR2??XOR3?X?BYR1YR2YR3YOR1YOR2YOR3YBI7?3?R1??R2???R3???OR1? ?OR2???OR3??B??其中，前3行分别表示我方机器人R1、R2、R3的坐标值(x, y)及方向角

值，第四行至第六行分别表示对方机器人OR1、OR2、OR3的坐标值(x, y)及方向角值，最后一行表示球的坐标值及方向角值。

决策系统的输出量用来指挥本方球员的行动，它由3×4的矩阵组成：

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O3?4?VLR1VRR1???VLR2VRR2??VLR3VRR3DLR1DLR2DLR3DRR1?DRR2?? DRR3??其中第一行向量分别表示我方机器人R1的左右轮速度和左右轮的位移

量，第二行向量分别表示我方机器人R2的左右轮速度和左右轮的位移量，第三行向量分别表示我方机器人R3的左右轮速度和左右轮的位移量。

显然f是一个复杂的、非线性、非结构化的函数关系，决策系统的任务就是构建并实现这个复杂的函数模型。

决策子系统的输入是场上足球机器人与球的位姿信息和比赛统计信息，输出为我方队员运动速度的给定值。从以上分析可以看出，在输入与输出之

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间建立一种数学映射关系是不可能的，它是一种知识型的非线性映射关系[34]

。 3.1.2 决策子系统的特点

足球机器人决策系统具有如下特点:

? f是非常复杂、非结构化的函数关系，体现教练员、运动员的决策过程，显然解不唯一。

? 需将模糊的形象思维转化为严谨的逻辑推理与数学计算过程一一知识工程领域的前沿课题。

? 体现了智能控制系统的分层结构:

上层智能决策——队形、角色、动作选择; 下层快速控制——目标、轨迹、轮速。

上下层的区别与关系:上层进行决策对策为下层提供任务规划和目标点设定，下层是具体任务实现。上层的信息更具有模糊性和知识性，精度要求不高，下层的轨迹规划和机器人控制更注重精确性。 ? 经验要逐渐的积累，知识要逐渐丰富，策略在逐步发展。

通过以上的分析和足球机器人的特点，对决策子系统提出了以下要求: ? 决策系统设计要兼顾实时性和精确性;

? 保证系统功能实现，提高系统鲁棒性和可控性; ? 使系统具有一定的冗余度，提高容错性; ? 程序设计要结构化、层次化、模块化; ? 开放式结构，具有良好的可扩展性;

? 可多路选择，使系统操作具有较大的灵活性(开球方式、本队策略等);

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