足球机器人决策系统的研究与设计毕业设计论文(编辑修改稿)

足球机器人决策系统的研究与设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

因此，该方法适合运用于局部避障系统，而对于全局设计欠佳。 （ 2）栅格法 针对人工势场的缺陷， VFH（ vector field histogram）的方法，该方法采用栅格表示环境。 其中， 某一个栅格范围内不包含任何障碍物，则称此栅格为自由栅格 [16]；反之，称为障碍栅格由这些栅格构成了一个连通图，在这个连通 图上搜索一条从起始栅格到目标栅格的路径，该路径均由自由栅格构成，用栅格的序号来表示。 最后把栅格序号转换成机器空间的实际坐标，令机器人按此路径运动。 栅格法路径规划包括建立模型、生成障碍物地图和搜索无碰最优路径三个过程 [17]。 通过搜索获取自由栅格，机器人可以有效地进行路径规划，只要搜寻方法设计得当，能够做出最优路径判断。 但是在使用栅格法的时候，需要注意栅格的大小设计，如果选择过大，可能会造成机器人决策的不精确，影响轨迹规划；反之，如果栅格分得过细，又会导致系统存储量过大，加重计算机负荷。 （ 3）遗传算法 遗 传算法是一种人工智能方法， 在 1975年左右由美国密歇根大学的 Holland江苏大学 20xx 级 本科毕业论文 6 教授研究得出。 遗传算法模仿了生物的遗传、进化原理，并引用了随机统计理论。 在求解过程中，算法从一个初始变量群体开始，逐代寻找问题的最优解，直至满足收敛判据或预先设定的迭代次数为止，属于迭代式算法 [18]。 该方法是一种自适应的机器学习算法，一大特点是具有较强的适应性。 利用遗传算法解决机器人动态环境的轨迹规划问题，可以避免困难繁琐的理论推导，直接获取问题的最优解。 但遗传算法运算速度不快，进化过程的规划要占用较大的存储空间和运算时间。 本课题 来源及论文结构安排 本文研究了 足球机器人决策系统并侧重研究决策系统中态势分析和轨迹规划两个部分。 通过综合国内外研究方案，建立四元模糊矢量模型和 轨迹规划方案以完善相应的策略部分。 对于角色分配部分，以守门员为例进行策略设计。 全文分为六 章 ，本文后续章节内容安排如下： 第二章 ， 足球机器人系统 总体设计。 介绍足球机器人的分类，以及机器人在FIRA 国际比赛和实际系统中的构成。 第三章 ，决策系统设计。 主要介 绍 在遵循六步推理模型的基础上决策系统总体设计方案， 其中包括 态势分析、路径规划 、角色分配 等环节策略 的设计。 并且针对角色分配中守门员的任务要求提出了关键点 站位体系。 第四章 ， 决策系统软件仿真。 介绍了 Middle League SimuroSot 5vs5 仿真平台，并且 以守门员决策系统为例， 运用该仿真软件实现设计方案。 第五章 ， 决策系统硬件设计。 介绍 圆梦二代小车 的实物系统组成，硬件搭建过程以及预期实现功能。 第六章 ，对本次设计进行总结并提出后续研究的展望。 江苏大学 20xx 级 本科毕业论文 7 第二章 足球机器人系统 总体设计 足球机器人系统的分类 根据感知系统实现方式和策略决策所在的位置，足球机器人系统可划分为：集控式足球机器人系统、 集中视觉式 (半自主式 )足球机器人系统、分布控制式 (自主式 )足球机器人系统 [19]。 ① 集控式足球机器人系统 集控式足球机器人系统通过由安放在球场上放的摄像头获取视觉图像，并送至主机进行图像分析与识别，由决策系统统一决策，以广播的形式通过无线通讯发送给本队各机器人，机器人进而做出动作反应。 该系统属于集中视觉遥控无脑多机器人系统。 FIRA微机器人赛和 RoboCup的小型组机器人比赛多采用此类系统。 ② 集中视觉式 (半自主式 )足球机器人系统 集中视觉式足球机器人系统是向分布式过渡的一种方案，只是将主机中的决策系统下 载到各机器人的单片机上，实现了机器人的独立决策。 在此系统中，多智能体协调问题变得突出和现实起来。 该系统也常用在小型组足球机器人系统中。 ③ 分布控制式 (自主式 )足球机器人系统 自主式足球机器人系统中的各机器人能自主实现主动感知、思维决策、动作响应等功能。 即全部功能环节均由机器人独立实现。 由于分别感知，摄像头置于机器人车体之上，视场不断变动，视野局限性较大，故信息不够完整，给决策带来困难；并且机器人之间的沟通需靠无线通讯网络。 网络形式和协议也是须待解决的关键问题。 FIRA 微型 机器人比赛 介绍 FIRA 是由韩国高等科学研究院的金钟焕创立的机器人足球比赛组织。 在1997 年 6 月 7 日韩国大田召开了 FIRA 成立大会，通过了 FIRA 章程，选举了领导机构。 紧接着又举行了 MiroSot’ 97 赛事，同时召开了学术会议，引发了文集江苏大学 20xx 级 本科毕业论文 8 和录像带，使这个新生事物扬名海外，茁壮成长 [20]。 自此以后， FIRA 每年举办一届比赛。 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。 FIRA 比赛分为微型机器人足球锦标赛（ MiroSot）、仿真机器人足球锦标赛（ SimuroSot）和类人机器人足球锦标 赛 (HuroSot)三种比赛项目，其中微型机器人世界杯足球锦标赛是目前 FIRA 系列中历史最悠久、影响最广泛的比赛类别之一。 本论文也是基于微型机器人比赛 （ MiroSot 5vs5） 来进行决策系统设计的 [21]。 在微型机器人 比赛中 ，每个队伍使用一台或两台计算机，计算机通过置于场地上方支架上的摄像头来获取场地信息。 在接收到场地信息后 主机 进行信息预 处理 、 机器人决策 以及 控制指令发送 等工作。 比赛进行 中操作人员是不允许接触和控制机器人的。 比赛 每队由五个边长不超过 的立方体的遥控小车（机器人）组成。 它们的任务就 是将橘红色的高尔夫球（足球） 撞入对方的球门而力保本方不失球或少失球。 比赛规则与人类足球类似，也有点球、任意球和门球，如果需要，也进行加时赛。 只是因电池容量有限，每半场为 5 分钟，中间休息 10 分钟。 与人类足球的明显不同之处在于球场四周有围墙，所以没有界外球，而在相持10 秒后判争球 [22]。 球场 标记如图 ： 图 中型组（ 5vs5）场地标记 The Field of Mediumsized Competition(5vs5) 25cm FIRA 40cm 60cm 80cm 7cm 90cm 50cm 15cm 55cm 5cm 15cm 180cm 35cm 30cm (FB) (FB) (FB) (FB) (PK,FK) (PK,FK) 220cm 江苏大学 20xx 级 本科毕业论文 9 FB： freeball（争球）放球点 ； PK： penaltykick（点球）放球点 ； FK： freekick(任意球 )放球点 ； 在 MiroSot 5vs5比赛中， 比赛将在两个队之间进行，每对包括五个机器人，其中之一为守门员。 球队由三个人组成，分别是领队、教练和训练员，他们只允许留在看台上观看。 足球机器人系统 设计 小型足球机器人系统包括：视觉 系统 、决策 系统 、无线通讯 系统 以及机器人车体四个 组成部分。 足球机器人在比赛过程中首先通过安装在球场上方的摄像头摄取赛场上的信息，送至上位机进行图像分析与识别 ；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，然后通过无线通讯的方式发送给机器人，每个足球机器人只要负责根据主机发送来的运动指令 通过电机驱动 实现 所 要求的动作 即可。 足球机器人结构框图 如图 ： 以上 四个子系统必须全部正常运行才能保证整个机器人系统的正常运行，而系统性能的提高也依赖于每个子系统统一 提高，在系统中任何一个部分都有可能成为整个系统瓶颈，所以每一个子系统都需 要全面均衡 ，并且根据其他子系统情视觉子系统 图像获取 摄像头 图像处理 模糊识别 球场环境信息 通信子系统 决策子系统 （推理、决策） 机器人控制命令 球场图像 机器人小车系统 1 机器人小车系统 2 电机控制 无线接收 … .. 电机控制 … .. 无线接收 ... 球场环境 轮速控制 图 足球机器人系统结构框图 Structure Chart of Robot Soccer System 江苏大学 20xx 级 本科毕业论文 10 况适当调整相关性能参数。 下面针对足球机器 人的各个子系统进行详细介绍。 视觉系统 视觉系统是足球机器人的信号检测机构，由摄像头、采集卡等硬件处理设备和图像处理软件组成。 每个队有自己的颜色标识，每个队员也有自己区分其他队员的颜色标识。 视觉系统的任务是实时采集和处理足球场上的比赛场景，从而获得各机器人和球的速度、方位等信息 [23]。 视觉系统的输出是决策系统的输入，视觉部分的关键是获得准确的机器人的位姿信息，为决策系统协调策略做好准备。 场上形势瞬息万变，视觉系统必须实现每秒数十幅彩色图像的辨识，并给出各实体精确的位姿，故视觉系统要求具有实时 性，精确性；除此之外由于比赛时光照不均，还可能出现各类色光干扰，视觉系统还要考虑抗干扰性。 视觉子系统的软件流程如 图。 在设计视觉系统需要考虑的问题如下 [24]： (1) 图像增强。 滤除噪声，提高质量； (2) 图像恢复。 对于几何畸变的矫正； (3) 色标设计与辨识算法研究； (4) 颜色模型的选择与亮度不变性的考虑； (5) 颜色分割与特征提取算法； (6) 视觉系统处理信息的速度； (7) 辨识精度。 决策系统 决策系统是整 个比赛系统的核心，是连接视觉系统和无线通讯系统的重要环摄像头 图像采集卡A/D 转 化 图像识别算法 决策系统 图 视觉子系统流程图 Flow Chart of Vision System 江苏大学 20xx 级 本科毕业论文 11 节。 决策系统是一个多智能体系统的协调控制系统。 它主要包括：视觉信息预测处理，多智能体 (MAS)协调策略、角色分配执行、路径规划、运动控制这几个主要部分。 还有很多和其他系统的接口。 由于整个机器人系统运作过程中会产生信息传递延时，视觉信息不能真实的反映当前机器人和球的位置坐标和方向，需要对位置信息进行预测。 一般采用的办法有扩展卡尔曼滤波、线性模型、 BP神经网络等方法。 一段时间内或者有一定目的的机器人队伍整体决策称为战术，根据不同的情况采用不同的战术。 每个 机器人都会分配到不同的任务，并且每个战术都有它的应用条件，通过战术选择算法在比赛中决策系统能自适应对手进行战术选择，对任何对手都能以最高效率进行比赛。 路径规划的问题是机器人如何避开所有的障碍从一点走到另一点，常用算法有：基于格点的算法，遗传算法，人工势场法， Delaunay三角法，几何方法，随机扩展搜索算法等 [25]。 无线通 信 系统 无线通 信 系统 是联系主机与机器人的桥梁与纽带，主要负责 把决策指令通过串行方式输出至无线发射机，经调制后发射出去，机器人内的无线接收机解调出无线信号上所载命令信息。 无线通信过程如图 ： 通信系统分为发射系统和车载接收系统两部分，发射装置与主机相连，接收装置在足球机器人上。 来自主机决策系统的控制命令（数字信号）通过计算机的数字信号 PWM RF 发送器 R/C 接收器 PWM CPU 通信子系统 机器人小车 图 无线通信过程 Flow Chart of Wireless Communication System 江苏大学 20xx 级 本科毕业论文 12 串行口送至通信发射模块，经过调制后发射出去，机器人的通信接收模块接收命令并解调后传送给车载微处理器进一步处理，以决定机器人的行为 [26]。 在通信过程中，信号以无线电波的方式传输比较容易受到外界信号（各种噪声及近频带信号）的干扰而产生误差；同时由于机器人上的接收器与机器人的控制电路安排在 一起，还装有驱动电路和电动机，电磁环境恶劣也容易受到干扰而产生误差，通信过程有误差将导致机器人错误的动作，所以要求通信系统具有较强的抗干扰能力和可靠性。 无线通信子系统式机器人足球闭环控制系统的一个重要组成部分，其通信性能的好坏，将严重影响机器人的运动和比赛是否能够顺利进行。 为了提高通信质量和通信效率，在设计通信系统是应该注意通信芯片的选择和通信协议的制定。 机器人 小车系统 机器人车体可分为机械执行机构和电路控制两个部分，机械执行机构的主要功能是机械传动和运动驱动，是足球机器人系统的最终执行机 构，其性能的好坏在一定程度上决定了比赛的胜负，所以机器人实体必须具备良好的稳定性和灵活性，能够快速实现前进、后退、转向、停止等基本动作，并根据指令要求完成战术动作 (带球、射门等战术 )。 机械部分主要包括行走机构、带球机构和击球机 构；电路控制部分的功能是与无线通讯接口，接受运动控制指令，驱动和控制各机械执行机构。 控制电路可分为四个部分： (1)无线通讯系统的接收端。 用来接 收和解码无线指令，获得决策命令。 (2)主控制电路。 用来执行决策命令，给执行机构。