足球機器人決策系統的研究與設計畢業論文-資料下載頁

　　

【正文】 當球進入危險區時，足球逼近球門，面臨著被射門的危險。此時，需要針對足球的當前位置以及對方球員態勢分析及時做出決策，迅速執行合理的撲救江蘇大學 2022 級本科畢業論文29策略。（1）球以高速向我方球門運動：此時有可能是對方球員進行射門，并且補射的可能性很小，因此，守門員可以直接選擇線路關鍵點為站位點進行防守。（2）球以低速向我方球門運動：此時足球可能只是傳中，并且容易被對方前鋒進行補射，因此分為以下兩種情況進行分別討論：。為防止前鋒補射，守門員選擇前鋒球關鍵點，一旦被前鋒補射，立即轉入第一種情況中的線路關鍵點模式。此時的補射可能性較小，采用角平分線站位。（3）球背離我方球門運動：此時極可能是對方的射門被我方守門員擋出。足球再次向我方球門運動的情況只可能是對方前鋒進行補射，因此，守門員選擇前鋒球關鍵點作為站位點進行防守即可。當前鋒補射時立即轉入第一種情況中的線路關鍵點站位模式。當球進入射門區的時候，守門員的目標點從各種情況下的站位點轉移為足球的實時坐標。由于在此之前的各階段里守門員已近根據場上態勢發展移動到了相應的防守站位點，做好防守準備，因此當球越過危險區進入射門區準備射門時，守門員能夠迅速移動到足球坐標位置，截獲足球。 本章小結本章主要討論了足球機器人決策系統中幾個關鍵部分的設計方法，包括以下三部分內容：（1）態勢分析。根據足球在球場上所處的大致位置，將足球場地進行分區，在此基礎上建立由五元模糊向量組成的向量集，分別對球在場地中的位置、機器人與球的位置關系、控球狀態、障礙信息以及球的運動趨勢進行描述。（2）路徑規劃。本文在全局規劃時采用柵格法進行路徑規劃，通過建立網格來獲取可執行路徑，同時，對于局部的避障問題，引入人工勢場的概念，構建引力斥力勢場指導機器人實現有效避障。（3）角色設計。本文主要針對守門員的策略設計展開討論。通過對比常見的角平分線法和路線站位法，提出關鍵點站位體系的設計思路。江蘇大學 2022 級本科畢業論文30第四章 決策系統軟件仿真 仿真的目的和技術方法足球機器人的設計開發根據不同項目的要求和需要，每個的成本在幾千元至幾十萬元不等。其使用壽命一般在一年至三、五年。而對于一般的科研開發人員來說，強大的技術需求和資金需求是難以達到和實現的。在此情況下，能夠簡化部分實物環節，保留模型核心特性的計算機仿真系統在開發設計中顯得尤為重要。計算機軟件仿真具有很多優點：①研究成本低廉；②實驗具有可重復性；③實際干擾因素少；④利于后期數據分析等?，F有的仿真平臺主要分為這樣幾個功能：圖形顯示和渲染模塊負責在計算機顯示出與實物或虛擬的事物的樣子；網絡通訊模塊負責多個智能體之間或智能體與系統之間的通信；物理引擎模塊負責相應機器人物理模型的動力學和運動學控制特性 [35]。當前，FIRA 仿真比賽 SimuroSot 5vs5 就是使用 Havok 引擎，RoboCup3D 使用的物理引擎是 ODE 引擎，MS FIRA 仿真使用了 Ageia 公司的 Ageia PhysX 作為物理引擎。三維圖形顯示和渲染可以使用 OPENGL、DirectX 或 OGRE 等 [36]。 Middle League SimuroSot 仿真平臺介紹 仿真平臺綜述Middle League SimuroSot 仿真系統的正式名稱為 The Robot Soccer Simulater,是根據韓國機器人公司 YUJIN 的機器人物理模型，由澳大利亞的RSS 開發小組開發完成的。這個小組由 Jo 領導的 Griffith 大學的信息技術學院的學生組成。該仿真平臺的最新版本是 版 [37]。江蘇大學 2022 級本科畢業論文31Middle League SimuroSot 仿真平臺的主界面如圖 41 所示。它采用MacroMedia 公司的媒體軟件 Director 作為開發工具，實現了三維仿真。三維仿真系統在觀看效果上比二維仿真系統有更強的真實感和臨場感。該仿真平臺的物理模型也非常精確，對 MiroSot 實際系統的模擬很逼真，特別是對物體之間的碰撞，基本不會出現檢測失誤的情況，而碰撞結果也嚴格遵守了動能和動量守恒定理，基本上不會出現在實際系統中不會出現的情況。精確的物理模型給比賽帶來了合理性和公平性，策略開發者完全可以根據真實機器人在比賽中采用的策略來開發仿真比賽策略，仿真平臺系統只是一個完全理想化的真實系統。圖 Middle League SimuroSot 仿真平臺的主界面 Middle League SimuroSot Simulation ChartSimuroSot 是對 MiroSot 比賽的仿真，與 MiroSot 相比，仿真軟件對實際系統進行了大量的簡化工作。將實際系統的硬件設備假設為理想的工作狀態，主要的簡化工作表現在以下幾個方面。實際系統中的視覺系統由攝像頭、采集卡及相應的視覺識別軟件共同組成。由于攝像頭本身的噪聲、分辨率的限制、鏡頭畸變以及環境光線的影響，攝像江蘇大學 2022 級本科畢業論文32頭所采集的視覺視頻圖像與真實環境總是存在誤差。其中鏡頭畸變和攝像頭分辨率帶來的誤差為系統誤差，它們與攝像頭本身的參數有關，可以通過數字圖像處理的方法加以校正。攝像頭感光器件 CCD 的噪聲及環境光線所引起的誤差為偶然誤差，它極大地受到比賽但是條件的影響，需要每次比賽之前進行重新校正。在仿真比賽中，完全忽略了實際視覺系統的缺陷，認為視覺系統沒有誤差，同時計算機視覺程序能夠正確工作。因此，在 SimuroSot 仿真平臺中，機器人的位置、角度等信息可以直接通過與服務程序的交互得到，并且這個數據是沒有誤差的。同樣，球在場地中的位置也是沒有偏差的，決策程序可以從服務程序得到精確的球的軌跡。實際比賽系統采用無線通信的方式，通信干擾及通信時延等因素是實際比賽系統設計過程中必須要考慮的問題。在 SimuroSot 仿真系統中，通信過程通過計算機內存變量的數據交換或者網絡通信的方式來模擬，數據傳輸可靠率極高，完全不用考慮干擾以及時間延遲等問題。由上可以看出，SimuroSot 仿真環境是一個簡化了的 MiroSot 平臺，它簡化了傳感器信息提取與融合、圖像識別、通信、電動機控制等諸多環節，僅僅保留了機器人及球的物理模型。因此 SimuroSot 完全是決策程序的決策能力的較量，為研究多智能體系統在動態環境下的協調配合問題提供了一個理想化的平臺。雖然 MiroSot 沒有規定參加比賽的微型機器人的具體結構，但大多數參賽隊采用了同軸兩輪獨立驅動的小車形式。SimuroSot 的仿真平臺也是針對典型的微型機器人小車建立的物理模型。在實際比賽中，電機的實際轉速與期望值總是存在偏差的，且不同的機器人之間也存在電動機性能的個體差異，這些因素在實際比賽中對機器人的運動控制精度將產生重要影響。即使是同一個機器人，給出相同的控制命令，所走出的軌跡也不完全相同。SimuroSot 仿真平臺將電動機的轉速誤差忽略了，采用統一的速度控制模型，只要掌握了該模型就可以設計出控制算法，對機器人的軌跡進行比較精確的控制。江蘇大學 2022 級本科畢業論文33 仿真平臺的使用Middle League SimuroSot 仿真平臺支持 Lingo 和 C++兩種編程語言，Lingo 語言編寫的策略最終以文本文件（txt）的形式被調用； C++語言編寫的策略文件最終以動態鏈接庫（dll）的形式被調用。當設計開發了策略程序后，先需要將其復制到相應的文件夾里，在點擊“Send”按鈕后，仿真平臺將會把策略程序加載到平臺中，以便調用，如圖 42 所示。SimuroSot 5vs5 的比賽規則基本上是完全按照 MiroSot 5vs5 的規則，只是加入了少量和仿真比賽特點有關的控制。按照仿真比賽規則，比賽共可以出現五種判罰狀態：free call, place kick, penalty, free kick, goal kick。除了 free ball 不需要指定球權，其他四種狀態都需要指定球權，這時需要點擊“Yellow Ball”按鈕或者“Blue Ball”按鈕指明。判罰結果將顯示在 Referee 下方?？梢杂檬髽俗箧I點擊平臺主界面中的“TIME/SCORE”按鈕，將會出現平臺的時間和比分控制界面，如圖 所示。圖 策略菜單 Strategy Menu圖 比分時間控制界面 Scoretime Control裁判可以點擊相應的“+”按鈕和“”按鈕更改比賽計時。比賽的比分可以直接在此狀態下選定比分值，再進行輸入就可以了。仿真平臺有兩種工作模式：比賽模式和回放模式。在比賽模式下點擊“REPLAY”按鈕可以進行比賽回放，進入回放模式。比賽模式下點擊“PAUSE”江蘇大學 2022 級本科畢業論文34按鈕可以暫停比賽，其按鈕會變成“RESUME” ，再點擊該按鈕就可以恢復比賽。比賽模式下點擊“STOP”按鈕可以停止比賽回到主界面。1 2 3 4 5 6 7 8 9圖 回放控制工具欄 Replay Control Colum在回放模式下，在平臺的右邊界面有一工具欄可以進行比賽觀看視角的改變控制。在平臺的下方有一工具欄，如圖 44 所示。使用該工具欄上的工具可以控制回放進度和速度，以及仔細觀察和分析比賽的場景，方便裁判進行判罰。點擊 1 對應的按鈕可以從本次比賽開始時刻回放；點擊 2 對應的按鈕可以回放比賽停止時刻之前的 200 個平臺時鐘周期內的內容；點擊 3 對應的按鈕平臺會以正常速度回放；點擊 4 對應的按鈕平臺會以慢速回放；點擊 5 對應的按鈕可以進行單幀回放；點擊 6 對應的按鈕向后回放一幀；點擊 7 對應的按鈕向前回放一幀；點擊 8 對應的按鈕確定進球有效，若無進球則回到主界面；點擊 9 對應的按鈕確定進球無效，并回到主界面。 決策系統仿真設計 在進行決策仿真之前，首先需要將場地信息進行預處理，即是將球場信息映射成為坐標系形式，用以實現目標定位。SimuroSot 5vs5 描述的場地大小是實際的 MiroSot 5vs5 的場地大小,仿真平臺對場地的描述是以英寸（in）為單位，英寸與厘米的換算為：1 英寸= 厘米Middle League SimuroSot 仿真平臺中對球場進行坐標標定如圖 所示。江蘇大學 2022 級本科畢業論文35 fbotgbotygtopyftopgleft fleftx frightx gright圖 場地坐標圖 Field Coordination映射到仿真系統中所對應的坐標值如表 所示。場地變量 在坐標系中對應的數值ftop gtopy gboty fbot gleft fleftx frightx gright 表 場地變量坐標值對應表 Field VariableField Coordination 基本動作設計通過 Middle League SimuroSot 仿真平臺對足球機器人比賽進行模擬，機器人的基本動作包括：速度控制、原地轉角以及到定點。下面在坐標系映射的球場中分別介紹各自的實現方法。對機器人的速度控制最終是通過對小車左右輪速進行賦值來實現的。小車速度大小在 Middle League 項目中時限制在[125 ，125]區間內。通過賦予不江蘇大學 2022 級本科畢業論文36同的輪速值實現小車速度控制的優點在于直接、精確，但是如果整個策略都用該方法來控制，可能會使策略系統變得臃腫且層次性不佳，所以這只是一個基本動作中的最簡單的形式，其他的動作都通過調用這個動作來實現。以下為速度控制的實現代碼。/** 函數名 ：Velocity* 功能 ：機器人輪速速控命令* 參數說明：robot——執行動作的機器人* vl——左輪設定速度* vr——右輪設定速度=============================================*/ if (vl 125) vl = 125if (vl 125) vl = 125if (vr 125) vr = 125if (vr 125) vr = 125 = vl = vr原地轉角動作的實現其實是通過對左右輪速賦予大小相等、方向相反的值即可。要使機器人轉過指定角度，首先計算出當前機器人的方向角與目標方向角之間的角度差值，然后計算出機器人的左右輪速，調用速控命令。以下給出一個采用比例輪速法實現原地轉角的代碼。/** 函數名 ：Angle* 功能 ：機器人運動到指定的角度* 參數說明：robot——執行動作的機器人江蘇大學 2022 級本科畢業論文37* desired_angle——目標方向角度=============================================*/ int theta_e, vl, vrtheta_e = desired_angle (int)robotrotationif theta_e 180then theta_e = 360else if theta_e 180then theta_e += 360if (theta_e 90) theta_e += 180else if (theta_e 90) theta_e = 180if (abs(theta_e) 50)