Mirosot足球机器人决策系统的研究.pdf

第2 080 8 5期 年月 计 算 机 技 术 与 发 展 c0 Ur r ER TECHN()l oGY AND DEVELOP MENT V0 1 1 8 No 5 Ma y 2 0 0 8 Mi r o s o t 足球机器人决策系统的研究 魏长水，贺巧龙，李东亮(中国地质大学 信息工程学院，湖北 武汉 4 3 0 0 7 4)摘要：介绍了基于场地分区技术的决策系统在足球机器人 比赛中的应用。利用场地分区技术，把比赛场地分成 防守区、进攻区、中间IX-个大区域，在每个大区域内又细分成多个决策区。由态势分析层 一分解任务层 一角色分配层 一动作执 行层构成 的决策系统根据比赛场上机器人和球的相关信息，进行场景分析、任务分解、分配角色、执行动作等一系列的决 策判断，得到机器人能够识别的指令，完成决策出机器人动作命令的任务。实验结果表明，该系统能快速稳定地指挥机器 人进行 比赛。关键词：分区技术；角色分配；任务集；决策系统 中图分类号：T P 1 8 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 3 6 2 9 X(2 o o 8)0 5 0 0 3 1 0 3 Re s e a r c h o n De c i s i o n-M a ki ng S y s t e m o f M i r o s o t S o c c e r Ro b o t WEI C h a n g-s h u i，HE Qi a o-l o n g，LI Do n g-l i a n g (F a c u l t y o f I n f o r ma t i o n E n g i n e e ri n g，C h in a Un i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s，Wu h a n 4 3 0 0 7 4，C h i n a)Ahs t r a e t：A d e c is io nn uk mg s y s t e m i s i n t r o du c e d，wh i c h is me n t i o n ed f o r M i r o s o t s o c c e r r o b o t g a me Th e c o u r t is d i v id ed in t o thr e e kin d so f a r e a s：d e f e n s e a r e a a t t a c k a r e a a n d mi d d l e a r e a Al l o f t h e m a r e s u b div i d ed i n t o s e v e r a l s malle r a l e a$Th e d e c i s io nma ki n g s y s t em i s d i v i d ed i n t o fou r hy e m：c o n d i t io n a n a ly s is，t a s k d e c o mp o s i t i o n，ml e s a l lo c a t i o n and act io n p e r f o r ma n c e，wh i c h g ene r a t e s t h e rob o t o a th a n d s a c cor d i n gt Ot h ei n f o r ma t io n o f r o b o t sand b a l l a n d a s e r i e o f d e c i s io nma k i n g p r o c e s s e s Ex per i ment a l r e s u l t s s h o w t h a tt h e r o b o t s c a nnm s t a b ly a n d q u i c k l y a tt h econ t r o l o ft h i s d e c is io nma king s y s t e m Ke y wo l d s s u b a r e a t e c h n o l o g y；r o l e a U o c a t io n；t a s k s e t；d e c i s i o n ma k i ng s y s t em O 引 言 Mi x 3 t 是 F I R A(F e d e r a t i o n o f I n t e r n a t i o n a l R o b o t S o c c e r A s s o c i a t i o n)举办 的机 器人足球 比赛项 目。机 器人足球是一个新兴的人工智能研究领域，它融合了 实时视觉 系统、机器人控 制、无线 通讯、多机 器人控 制 等多个领域 的技术，近 年来一直是 上述相关 领域 的研 究热点。在比赛中，图像识别能力、控制策略、机器人 的通信和控制能力是决定 比赛结果 的主要 因素u J。Mi r o e,o t 机器人足球系统一般 由四个子 系统 构成：视觉系统、决策系统、通信系统、控制 系统L 2 J。其中视觉系统 的任务是根 据图像采集设备采集 的图像数 据，进行图像识别，得 到机器人 收稿 日期：2 0 0 7 0 8 2 0 基金项 目：中国地质大学(武汉)研究生学 和球的位姿信息(位置坐标 X、y和方 向角)，再 由连 续的位姿信息得到运动的速度 3 ；决策系统的任务是 根据视觉子 系统辨识 的位姿信息，决 定本 方机器人 的 队形、角色和任务以及左、右轮的速度。通信系统的任 务是把由决策系统做出的指令准确地发给机器人去执 行。控制系统的任务是把机器人接收到的指令转换成 机器人要执行的基本动作，机器人的驱动设备去做相 应 动作。Mi r o s o t 足球机 器人 比赛 的决 策系统 软件 流 程图 及其外部 接 口如 图 1 所示。图 1 决策 系统结构 图 术探索与创新基金资助项 目(C UG YJ S 0 7 2 7)作者简介：魏长水(1 9 8 2 一)，男，河南人，硕士研究生，研究方 向为人 工 智 能、数 据 挖 掘；贺 巧 龙，硕 士 研 究 生研 究方向 为 人工 智 能、数 据 1 系统结构设计层次及功能 挖掘；李东 亮，硕士研究生，研究方向为 人工 智能、嵌入式开发。如图 1 所示，决策系统的主要工作任务是将由视 维普资讯 http:/ 3 2 计算机技术与发展 第 l 8 卷 觉 系统识别的机器人 和球 的位姿 信息进行 分析，对 当 前比赛所面临的任务进行分解，并把各个子任务分给 每个具体的机器人，并将每个机器人指令传给通信系 统。本 系统采用 分层结 构，在 总体思想 上按 照 S a r i d i s 三级分层(组织级、协调级和执行级)模型，按 照系统 的 决策知识范围和具 体功能作为分层 的依据，具 体如 表 1所示。表 1 决策 系统层次表 2 决策 系统设计与 实现 2 1 比赛状况分析 机器人足球决策系统处理场上的信息量表面上是 离散、静态 的，但实际上是 实时 的、动态 的、连 续的，对 从视觉系统得到的场上数据 的理解不能是精确数量化 的，而是一组可 以预测未 来发展状 况的数 据。决策 系 统在比赛开始后，保存以前几个周期的机器人和球的 位姿信息是非常必要的，这样不仅可以弥补视觉系统 受到不确定 因素干扰而找不 到物体 的损失，还可 以最 大可能地预测下个周期 物体将 出现的位姿信息 以及得 到决策信息 J。决策系统把比赛场地分为进攻 区、中间区、防守 区，并把每个区分割成一些小区域，为每个小 区域设置 攻 防参数，根据球 所在 位置和机 器人 的位 姿信息 以及 预测的结果决定当前比赛状态应采取的策略(进攻策 略、攻 防策略、防守策略)。根据 当前球 所在 的区域 的类 型，确定 当前应采 取 的攻 防策略，然后再确定球所属 的小 区域，根据小区域 设置 的进攻系数、防守 系数 以及 当前 机器人 对球 的控 制程度(通过机器人和球的相对位置判断)确定具 体策 略。2 2 任务分解 根据状态分析层确定的具体策略，可以得到当前 系统需要完成的总体工作。任务分解层的主要任务 是 把总体工作分成若干个子工作，然后 由角色分配层根 据机器人 的位姿信息分配给每个具体的机器人。足球机器人比赛的主要 目标是不仅要把球推到对 方门区，还要阻止对方把球推向己方门区。根据总的 任务的性 质，把子任务 分为三种 类型：进 攻类 型、攻防 类 型(进攻或 者 防守都要 用 到 的子任 务)、防守类 型。每种类型又细分为如下种类，如表 2 所示。表 2 任务表 2 3 角色分 配 为 了实现策 略对机器人和球 的状态 能及时得到有 效控制，同时为了实现机器人之间的进行协作，从全 局 角度考虑，把从任务分解层得到的子任务集进行进一 步分解和组合，得到 可能 分配给单 个机器人 完成角 色 集(如表 3 所示)。子任务 集和角色集的关系是多对 多 关系，例如：边线推球可 以是射 门或者助攻 角色；自由 人可以完成 协助后卫、拦截传球 等任务 5，引。表 3 角色表 角色分配层需要把每个子任务分配给具体的机器 人，影 响分配 的主要因素是场上 的决策 因素，选 出对角 色分配有影响 的决策 因素作 为决策 因子，是解决 问题 的关 键。假 设 机 器 人 的 集 合 为 R C=R o lmt l，R o lmt 2，R o lmt 3，R o l m t 4，R o l mt 5 ；待分 配 的子任 务 集合 为 T C=k 1，T 2，T 3，T 4，T5 ；可以分配 的 角色集 合 是 R C=R o l e l，R o l e 2，R o l e 3，R o l e 4，R o l e N ；根据待分配的子任务集合所对应 的角色，组 成应分配 的角 色集 合 C R C=R o l，R o 2，R o 3，R o 4，R o 5 ；得到完成该角色所要到达的地点坐标集合 P C =P 1，P 2，P 3，P 4，P 5 以及完成该角色所对应任务 的紧急程度集合 UC=U1，U 2，U 3，U 4，U 5 ；按 照紧急程度从大到小的顺序 为每个角色从机器人集合 中选择机器人，选择过程 如下：Nu mb e r=0；Wh i le(N u mb e r R o bo _ o u n t)R o bo _ o u n t 为机器人数量 C u r r e n t R o l e：MA X(U C)；得到紧急集合中最大的数 值的编号，并把最大值置零 R o bot N u mb e r=C a l c u l a t i o n D i s t a n c e(R C，C A l r r e n t R o l e)；计算机器人集合 中每个有效机器人到 当前角色完成点 的距 离，并选择距离最小的机器人 并标识该机器人状态无效 R e s u l t N u mb e r=R o b o t N um ber；把选择号码存人结果 集，以传递给动作层 Num ber：Num b e r+1：由于场上形势在 时刻变化，每 个机器人 的角色也 维普资讯 http:/ 第 5期 魏 长水等：Mi r o s o t 足球机器人 决策系统的研究 3 3 会随着发 生变化。当比赛形 势没有 变化时，某 些队 员 的位姿信息的变化也可能使它不再适合当前的角色，此时就需要考虑进行角色变换。但是过于频 繁的角 色 变化也会 导致在 动作 上不连 贯，不 变换 角 色又会使 场 上行动不灵活，丧失机会，这本身也是对矛盾。为了保 持机器人 动作的边贯性 和最大 限度地保持角色分配 的 灵活性，在 变换角色前进行判断，对不需要 变换角色 的 机器人不再重新分 配角色，以避免机 器人 动作 出现 不 连贯。2 4 动作规划 足球机器人比赛的最终结果通过机器人的动作表 现 出来，因此，机 器人 动作规划也成为机器 比赛 的几 个 关键技术之 一。动 作规 划层 以机 器人 总体 任务 为 目 标，将机器人动作按 照层 次划分，以适应 动态 的、连 续 的比赛任务，分为基本 动作、组合 动作和 团队动作。基本动作负责机器人 运动指令 与轮速指令之间的 转换，实现机器人 的基本 功能。组合 动作 是以基本 动 作 为基础，通过一系列 的基本 动作 完成特 定的任务 的 动作。团体动作 是以组合 动作 为基础，通 过多个机 器 人共 同完成组合 动作而达到特定 的配合效果E 7,8 J。2 4 1 基本动作规 划 由于足球机器人 是两 轮移动 式的驱 动结构形 式，而轮式驱动只有 正转、反转和不转三种情况，所以机 器 人 的运动只能是以一定 速度做直线运动或者 以一定 的 半径做圆周运动，其基本 动作主要包括跑到定点、转 到 定角、以一定半径做 圆周运 动等。在设 计机器人基本 动作 时 考 虑到机器人 在完 成 基本动作后的状态，如到达 目标点后 静止或者 到达 目 标点后保 持一定 的速度。如果到 目标点后要求机器人 保持静止，则在机器人 到达 目标 点之前要 随着 距离 或 者角度的接近速度 而逐渐减 小，以防止机器人 突然 停 止而出现 振荡现象。如果到达 目标点后 要求机器人保 持一定的速度，则在接 近 目标 时把速度 逐渐调 整到要 求的速度。2 4 2 组合动作规划 组合动作是在基本 动作 的基础 上，利用基本 动作 按照一定 的运动规律，具有一定技巧性和 目的性，包括 射门、拦截、传球、防守、解围、追球(或带球前进)等技 巧性进攻 或 防守动 作。虽然 为 机器人 设 计 了基本 动 作，但在比赛过程中，会大量出现类似机器人到达边界 需要返 回、射 门、拦截球 等现象，如果都有 基本 动作 去 处理这些现象，会造成 系统结构 不清 晰和程序实 现 困 难。针对 比赛 中大量 出现的复 杂动作，在 基本 动作 的 基 础上设计 出处理复 杂现象 的基 本 动作 序列，形 成组 合 动作。在 比赛过程 中，场上物 体 的状 态存在 瞬时性 和鲁 棒性。随着场上物体位姿 信息 的变化，当组合 动作没 有完成 时，该组合动作已经不再适合 当前 的比赛状态。因此，在 动作规划过程中，决策 系统会在每个运动周期 内根据 场上物体位姿 信息，如果组合 动作 没有 完成的 必要，就会 为该机器人重新 规划路径。2 4 3团体动作 团体动作是指 由两个或两个 以上的机器人通过相 互 配合 才能完成 的，或者是 为实现 某个 特定战术 意图 的动作。团体动作是需要 在策 略层 中进行统 一调度，需要 利用多个机器人之问进行相互配合，如一传一射、补射、底线传中、包抄等。在 比赛过程 中，每个机 器人虽 然都有 明确 的任务，但机器 人之问应该是相 互协作 的，两个或 者两 个以上 的机器人的任务应该能构成更复杂的任 务来 完成特定 的功能。为完成复杂的任 务可能有 多个机器人共 同完 成某项 团体 动作，如：机器人 A要 把球 绕过 对方 机器 人 B到达 某 个位 置，可让 某个 机 器 人 C到达 这个 位 置，然后 由 A把球传 出以实现把球传 到指定 的位置的 目的。3 结论及展望 详 细讨论 了基于 Mi r o s o t 足球 机器人 比赛决 策系 统的设 计思想和结构，利用 分层思 想把决 策系 统分为 状态分 析层、任务分解层、角色分 配层、动作执行层，能 清晰、完整地完成决 策系统 的任务。该 系统结 构虽属 于集 中控制模式结构，但 能注重各 个机 器人之 间的协 调和任务 的相互配合。文中策 略的建立依赖于经验值 确定，不能在 比赛过程进行 自主学 习，在 角色分配时机 器人角 色的选择也依赖 于设计 者的经 验，能进 行 自主 学 习的决策系统的设计有待于进一步的研究。参 考文献：1 罗忠文，刘宏志，叶茂，等 基于图形处理器(G P U)的机 器人视觉 J 哈尔滨工业大学学报，2 0 0 6，3 8：9 9 6 9 9 8 2 王牛，李祖枢，潘娅 等 Mi r o s o t 足球 机器人决策系统 设计与实现 J 哈尔滨工业大学学报，2 0 0 6，3 8：1 3 8 0 1 3 8 3 3 郑伟，王越超 基于 I n t e r n e t 的遥操作机器人足球系统设 计 J 机器人，2 0 0 6，2 8(3)：2 5 5 2 5 8 4 张宏辉，陈启军，杨志仪 R o b o t C u p 小型组机器人的快速识 别与判 定 J 哈尔滨 工业 大学 学报，2 0 0 6，3 8：1 3 4 3 1 3 4 5 5 刘巍，张承，马辰威 等 机器人足球决策及角色分配 系统 J 哈尔滨工业大学学报，2 0 0 4，3 6(7)：9 6 6 9 6 8 (下转第 3 6页)维普资讯 http:/ 3 6 计算机技术与发展 第 l 8卷 源。客户价值分析将是整个 We b 2 0系统 C R M 功能 的核心，通过对各种渠道采集 到的客户 行为数据 进行 清洗和多维度的综合分析，得到对客户的行为特性分 类，并 根据 分 类 和 2 0后 台 的内容产品数据库、业务数 据库的相关信息来综合评估 客户 的价值。形 成客 户 价值 分析、客户细分、客户忠诚度 分析、客户 满 意 度分 析 和客 户的行为特征 提取等方面 的 评估报告。这些评 估结果将 成为后续针对性 营销和分级 客户管理 的依据。2 5 与 增值 业务 的关 联接 口 为数据 的精细化采集。整个 we b 2 0的 C R M 系统还将 与 We b 2 0平台 的内容管理系统 和业 务 B O S S系统 进行关 联接 口，以 实现 We b 2 0的整体运营管理。C P M e d i a I l 内辑管理系统 高 垂 电 军 鬈 务 客户端了系统 客户行为 分析 亟 数据采集通邀 呼叫 中心 合作伙伴服务接u we b 2 0的进一 步发展趋 势是 构建 虚拟社 区，通 过特定主题 的吸引，以 自身 的 We b 2 0系统 为社 区中 的用户提供沟通 的平台，并 以在 线的方式 来创造社会 和商业价值。增值业务作为客户 数据采 集的一个 新来源，也 需 要和 C R M 系统有机整合在一起。通过增值业务的客 户管理接口，we b 2 0的 C R M 功能将进一步延伸到增 值业务领域。3 We b 2 O的 C R M 系统框 架 针对上面关键技术的分析研究，文 中在 传统 C R M 架构的基础上提 出了一个全新 的 we b 2 0的 C R M 系 统框架(如图 2所示)。该系统框架包含了用户管理子 系统、增值业务管理子系统、客户端子系统和公共 服务 子 系统 引。其中用户管理子系统是对用户进行管理的核心部 分，它是在传统 C R M 的基础上，根据 we b 2 0用户特 点经过改进而成，通过 与客 户端 的交 互获 得客户价值 分析的数 据。增值业 务管理 子系统是针对 We b 2 0 增 值 业务运 营需求定制开 发的，为增值业 务运 营提供 了 客户管理 的支持。整个系统平 台对外 提供 了对 We b、w a p 和电话平 台的统一接入 方式，并针对 We b w a p 接 入 提供 了富客户端模式 的终端子系统 以实现对客户行 一卜-+卜一 卜一+一+一+一-+-+卜 一 公共服务于系统 图 2 we b 2 0下 C RM 框架图 4 结束语 在 We b 2 0 模式下，用户、产品和服务等很多方面 的特性都已经 发生 了改变，传统 的 C I 已经不 能够 满足 We b 2 0网站客 户管 理 的实际需 求。文 中针对 We b 2 0的新特点，在传 统 C R M 的框架基 础上分析 了 we b 2 0的 C R M 系统的关键 技术，并据此进行 了 we b 2 0 C R M 系统框架的设计，该系统架构能够满足 目前 We b 2 0运 营 中的 客 户 管理 的实 际 需 求，可 为后 续 we b 2 0的后 台应用开发提供参考。参考文献：1 中国互联网协会 2 0 0 5 2 0 0 6中国 We b 2 0现状与趋势调 查报告 R 北京：中国互联网协会，2 0 0 6：1 0 6 0：2 0 R e i U y T Wh a t i s We b 2 0 E B O L 2 0 0 5 h t t p：w ww o r e i l l y n e t c o m p u b a o r e i U y t im n e ws 2 0 05 0 9 3 0 wh a t is一 62 0 ht ml 3 黎志成，王虎 客户关系管理实施研究 J 企业天地，2 0 0 4(1 1)：23 4 朱德利 We b 2 0的技术特点和信息传播思想 J 现代情 报，2 o 0 5(1 2)：23 5 何荣勤 C R M 原理 设计 实践 M 第 2版 北京：电子工 业出版社，2 o 0 3：5 5 1 4 0 (上接 第 3 3页)6 周军，景征骏，陈盛，等 基于攻守平衡的足球机器人 尔滨工业大学学报，2 0 0 3，3 5(9)：1 0 6 4 1 0 6 6 进攻策略的设计与实现 J 哈尔滨工业大学学报，2 0 0 6，8 王红安，赵臣，王华，等 微型足球机器人守门员策略 3 8：1 3 3 9 1 3 4 2 研究 J 哈尔滨工业大学学报，2 0 0 4，3 6(7)：8 8 4 8 8 6 7 韩学东，洪炳镕，盂伟 机器 人足球射门算法研究 J J 哈 维普资讯 http:/