1、本 科 毕 业 论 文足球机器人决策系统的研究与设计The Design of the Strategy Subsystem in Robot Soccer江苏大学 2008 级本科毕业论文I毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解*学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权
2、保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 江苏大学 2008 级本科毕业论文II注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300 字左右） 、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论） 、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字
3、数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于 1 万字（不包括图纸、程序清单等） ，文科类论文正文字数不少于 1.2 万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件） 。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用 A4 单面打印，论文 50 页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）
4、设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订江苏大学 2008 级本科毕业论文III摘 要机器人足球是人工智能领域与机器人领域的基础研究课题，是一个极富挑战性的高技术密集型项目。它涉及到机器人学、人工智能、智能控制、计算机视觉等多个领域。决策系统作为整个足球机器人系统的核心，决定了机器人间的协调协作，是机器人的“大脑”。因此，决策系统的研究在多机器人、多智能体领域具有十分重要的意义。本论文以六步推理模型为指导思想并且以 FIRA 国际足球机器人比赛的 5:5模式为基础，针对足球机器人决策系统中的态势分析所存在的局限性，在结合模糊变量法和场地分区法的基础上设计
5、新的态势分析策略，通过建立五元模糊变量（其中包括球的位置、控球状态、机器人与足球的位置关系、障碍信息、球的运动趋势）进行状态描述。在轨迹规划方面，本文采用网格法实现最优路径选择，并且在比赛局部引入人工势场以完善机器人避障功能。在角色策略部分，主要设计了守门员的防守策略，在结合角平分线站位法、路线站位法以及前锋-球站位法的基础上提出关键点-站位体系。后期通过Middle League SimuroSot 软件平台实现守门员策略仿真。最后，设计与制作了具备无线通讯功能的足球机器人。关键词：足球机器人； 决策系统； 态势分析； 轨迹规划； 守门员；江苏大学 2008 级本科毕业论文IVABSTRAC
6、TRobot Soccer is a focus of research project in the field of artificial intelligence as well as roboticsIn addition, it could be regarded as a challenging high-tech-intensive project in these fields which involve robotics，artificial intelligence，intelligent control，computer vision and so onThe strat
7、egy subsystem is the core of the whole Robot Soccer system，just like the brain of the robotsIt is responsible for the cooperation of the robotsSo the research of the strategy subsystem has a significant meaning to the multi-robot and multi-agent fieldsThis thesis is based on the 5:5 models in FIRA,
8、a popular international robot soccer game, and regarded the six-step reasoning system as lodestar. In order to improve the disadvantage of situation analyze in the strategy subsystem, a dual strategy model based on multi-analysis fuzzy vector method is proposed. The strategy combines the fuzzy clust
9、er method and field-division method to describe the situation of each player. The five fuzzy vectors include the situation of goal, the direction of goal, the relation between robots and goal, the information of controller and obstacle. In the aspect of path planning, a reference frame coving the wh
10、ole game field is used to build movement-function to overcome the deficiency of strategy field method and situation-designing. At the same time, to avoid obstacles, the concept of situation-designing is proposed to meet the robot soccer systems need on reactivity and intelligence. By analyzing the r
11、ole assignment, this thesis designs the strategy of goal keeper through combining three popular methods and realizes this strategy through Middle League SimuroSot. Finally, the part of movement in the strategy subsystem is realized by YuanMeng wireless communication robotic in the end of this projec
12、t.Key words: Robot soccer; Strategy subsystem; Situation analyzing; Path planning; Goalkeeper;江苏大学 2008 级本科毕业论文V目 录第一章 绪论 .11.1 课 题研究背景 .11.2 课题研究 意义 .31.3 国内外研究现状 .31.4 本课题来源及论文结构安排 .6第二章 足球机器人系统概述 .72.1 足球机器人系统的分类 .72.2 FIRA 微型机器人比赛介绍 .72.3 足球机器人系统介绍 .92.3.1 视觉系统 .102.3.2 决策系统 .102.3.3 无线通信系统 .112
13、.3.4 机器人 小车系统 .122.4 本章小结 .12第三章 决策系统总体设 计 .133.1 决策系统设计原则 .133.2 总体设计流程 .143.3 机器人态势分析设计 .153.3.1 场地划分 .163.3.2 模糊变量的引入 .173.4 机器人路径规划设计 .183.4.1 栅格法路径规划 .193.4.2 人工势场法解决局部避障 .20江苏大学 2008 级本科毕业论文VI3.5 角色 设计 .213.5.1 守门员 .223.5.2 前锋 .233.5.3 中锋 .233.5.4 后卫 .233.6 守门员策略 改进 .233.6.1 守门员路径控制 .233.6.2 守
14、门员 防守原则 .243.6.3 传统的策略分析 .243.6.4 关键点-站位体系 .253.6.5 区域防守 策略 .263.7 本章小结 .28第四章 决策系统软件仿真 .294.1 仿真的目的和技术方法 .294.2 Middle League SimuroSot 仿真平台介绍 .294.2.1 仿真平台综述 .294.2.2 仿真平 台的 使用 .314.3 决策系统仿 真设计 .334.3.1 基 本动作 设计 .344.3.2 守门员关键点仿真设计 .384.4 本章 小结 .42第五章 决策系统 硬件搭建 .435.1 足球机器人实物介绍 .435.1.1 精简小车配置 .43
15、5.1.2 无线通讯 部分 .445.1.3 轨迹采样部分 .445.2 足球机 器人装配步骤 .445.3 预期实现功 能 .445.4 本章小结 .46江苏大学 2008 级本科毕业论文VII第六章 总结与心得 .476.1 课题总 结 .476.2 课题展望 .48致 谢 .49参考文献 .50江苏大学 2008 级本科毕业论文1第一章 绪论随着社会科技的飞速发展，智能系统的出现成为科学发展历史上耀眼的一笔。它是集机械、材料、计算机、人工智能、信息处理与通讯等技术于一体，具有多学科交叉和融合的特点 12。通过机器人的相互协作来完成一些复杂的问题，取缔了在高温、高压等恶劣环境下的人工作业，
16、同时，它强大的运算能力、通讯能力以及事物处理能力也为人们的工作生活带来不可估量的影响。足球机器人系统主要由小车系统、视觉子系统、无线通讯子系统以及决策子系统四部份组成。决策系统在足球机器人的研究中占有极其重要的作用。通过研究足球机器人决策系统有助于解决智能体的信息获取、认识建模、路径规划、策略学习以及反馈执行等一系列问题 3。本文分析了决策系统中态势分析和轨迹规划两个环节，总结国内外设计方法，提出相应的改进策略。同时，针对足球比赛中极为重要的角色守门员的策略设计进行改进，通过建立站位体系和关键点以克服传统的角平分站位法、前锋-球站位法、中垂线法存在的缺陷。并且在最后通过Middle Leagu
17、e SimuroSot 5vs5仿真平台对守门员策略进行仿真。此外，在运动环节上，通过圆梦二代小车实现运动环节决策。1.1 课题研究背景足球机器人最初是由英属哥伦比亚大学的Alan Mackworth教授在其1992年的“On Seeing Robots”一文中提出 4。随后，韩国学者金钟焕在1996年于韩国高等技术研究院（KAIST）所在的韩国（Daejeon）开始主办机器人足球比赛（Mirosot），第二年，全球十四个国家代表成立了国际机器人足球联盟（FIRA），决定在FIRA的组织下每年都举办MIROSOT。从1996年在韩国大田的KAIST举办第一届MiroSot比赛至今，FIRA已经
18、举行了十二届世界杯比赛，足迹遍布亚洲、欧洲、美洲和大洋洲，成为各类国际机器人竞赛中最具水平和影响力的赛事之一 5。在 FIRA 比赛蓬勃开展的同时，有关机器人足球系统和机器人足球竞赛的理江苏大学 2008 级本科毕业论文2论研究也取得了长足的进步。在每一届机器人足球世界杯比赛和地区性比赛期间，主办者都会举行相关的培训和研讨会，并召开一些机器人足球专题学术会议。例如，2002 年在韩国召开的 2002FIRA Robot World Congress,就录用了来自 26 个国家的 142 篇论文；2003 年在北京举行的中国机器人足球大赛录用了全国数十所高校的近百篇论文 6。这些论文集中介绍了与
19、足球机器人相关的视觉系统、运动规划、动作设计、策略系统设计等领域的最新研究成果。同时，足球机器人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Artificial Intelligence Journal、AI Magazine、Applied Artificial Intelligence、Advanced Robotics Journal等都出版了机器人足球专辑。在国内，机器人足球的研究近几年来也取得长足的进步 9。目前，国内有很多大学都有了自己的 FIRA 机器人足球队，其中包括哈尔滨工业大学、东北大学、浙江大学、清华大学、北京大学、中国地质大学（武汉）、四川大学、华中科技大学
20、、武汉科技大学、武汉工程大学、西北工业大学、广东工业大学、西华大学等。从 1999 年开始，国内开始组织全国性的机器人足球比赛，以及相关的学术交流活动 7。目前，从机器人足球的国际发展来看，主要有以下几个方面特点。（1）发展迅速，比赛规模逐年扩大经过近十年的发展，FIRA 已经从最初参赛的 37 支代表队发展到 30 多个国家组织的上百支球队。RoboCup 现有成员国近 40 个，参赛队已经从最初的 37支代表队发展到今天的一百多支 8。可见机器人足球发展之迅速。（2）竞争激烈，比赛水平提高很快由于参赛队伍多，除了一些一流强队外，大部分实力接近，竞赛趋于激烈。这表明机器人足球已经受到各国的高度重视。每届世界杯赛各队的战术水平都有明显提高，都会出现新颖的软件、硬件设计和巧妙的战术配合。（3）得到著名期刊、国际研讨会议的高度重视机器人足球正以一种高科技对抗性的形式赢得学术界的认同。一些学术刊物如The Intelligence Journal of Intelligent Automation and Soft Computer、The Journal on Robotics and Autonomous System都出版了机器人足球的专辑 12。一年一度的世界杯赛也都同时召开学术会议，推动相关
