足球机器人智能决策系统设计实现46399.docx

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1、 本本文由liiucheentc贡贡献 ppdf文档档可能在WWAP端浏浏览体验不不佳。建议议您优先选选择TXTT，或下载载源文件到到本机查看看。 维维普资讯 httpp:/ 第第 卷卷 第第 期 北北 京 机机 械 工工 业 学学 院 学学 报 年 月 文文 章 编编 号 ： （ ） 足足 球 机机 器 人人 智 能能 决 策策 系 统统 设 计计 实 现现 南南建 辉 ， 贾永永 乐 （ 京机 械械工 业学学 院 北北 计 算算机 及 自动化系系 北北 京 ） 摘摘 要要 ： 球球 机 器器 人 系系统 为 人 工 智 能 特 别 是 多 智 能体体 的研 究提 供供 了一 个 标 足 准

2、准 的 试试 验 平平 台 。 系统 的的 核 心心 是 “ ” 决 策策 系 统统 ； 分分 层 递递 阶 决决 策 的的 基 础础 上 ， 取 模 块 脑脑 即 在在 采 化化设 计 ； 细 介 绍 了决 策策 系统 各 个 模 块 包括 视视 觉模 块 、 策模 块块 和 控控 制 模模 块 等等 ， 提提 详 决 并 出出 了一 系列 新新 的 实实现 方 法 。 关关 键键 词词 ： 球球 机 器器 人 ； 能 决决 策 ； 块 足 智 模 文献献 标识码码 ： 中中图 分 类 号 ： 机机 器 人人 足 球球 比赛 兴 起 于 年 代代 。 是是 自动 化 及 机 器 人 领 域

3、最 具 有前前 瞻性 的 研 究 之 一 。 足 它它 球球 机 器器 人 系系统 是 一 个 典 型 的 多智智 能 体体 系 统统 和 分分 布 式式 人 工工智 能 系 统 ， 及 机 器 人 学 、 算 机 视 觉 涉涉 计 和和模 式 识 别 、 智 能体 系系统 、 工 神 经 网络络 等 领领 域 。 而 且 它 为 人 工 智 能理理 论 研研 究 及及 多 种种 技 术术 的 多 人 集 成应应 用 提提 供 了了 良好 的实 验验 平 台台 【 。 】 由于 上上 述 特特 征 。 足球 机机 器 人人 研 究究受 到 国 内外外 广 泛泛 关 注注 。 目目前 比 较 有

4、 影 响 的 足 球 机 器 人 比 赛赛 组 织织 有 （ 器 人 足 球 世 界 杯 ） （ 机 和 。 ） 分分别 由 日本和韩韩 国的学学者发起 。 的 比赛赛。 目前前分为 组 ： 真组 、 、 仿 组组 组 和 有 腿 机 器器 人 组组 。 近近 年 来来 ， 于于 足 球球 机 器器 人 的的研 究 在 国 内发 展展 较 快快 ， 其其 是 关 尤 组 的 器 人 组 ； 机 而 组 只 是 从 年年 以来 才 开 始 普 及 ， 进 行 的 一 般 都 是 仿 真 组 的 比赛赛 关关 且 有 实实 际机 器 人 组 的 比赛 年 才 开 始 在 上 海 进 行 了 第 一

5、 次 比赛 。 本 文 在 分 层 递 阶 控 制 系统 基 础础 上 。 新 对 决 策 进 行 分 层 ； 且 在 具 体 实 现 过 程 中 实 的 重 并 现 了程 序序 模 块块 化 。 加 了系系 统 的的 可 靠靠性 。 低 了 系 统 开 发 的 难 度 。 增 降 足 球球 机 器器 人 系系 统 结结 构 足足球 机 器 人 系 统 是 一 个 相 当 复 杂 的 控 制制 系 统统 。 的 组组 足 球球 机 器器 人人 系 统统 。 般般 可 分分 为 部 分 。 觉 系 统 、 一 视 智智能决 策策系 统、 线通 讯讯 系统 和机 器器 人 无 小 车 系 统 ?

6、引 图 所所 示 。 ? 如如 从从 控 制制 的 角角 度 看看 （ 图图 。 觉 系 如 ）视视 统统 可 以以看 作 整 个 系统 的的输 入 反 馈 部 分 ； 图图 足足球 机器器 人系统统 收收稿 日期期 ： 作者简简介 ： 建辉 （ 一一） 男。 南 。 山山西运 城城人 北京 机机搬 工 业学院 计算机 及 自动动化 系硕硕士研 究究生。 主主要从 事事智 能 控制 在在 自动化化 中中的应 用用方 面的的 研究 。 维维普资讯 第第 期 南南 建 辉辉 等 ： 球 机机 器 人人 智 能能 决 策策 系 统统 设 计计 实 现现 足 机机 器 人人 是 整整 个 系系 统 的

7、的 “ 行 机机 构 ” 智 能能 决 策策 控 制制 系统 就 是 足 球 机 器 人 系统统 的控 制 器 部 分 ； 以 执 ； 可 看看 出 决决 策 部部 分 是是 控 制制 系 统统 的决 定 因 素 。 智 能能 决 策策 系统 智智 能 决决 策 控控 制 系系 统 结结 构 如 图 所所 示 ， 能 决 策 控 制 智智 系统 可 分 成 部部 分 ， 觉 模 块 ， 视 决 策 模模 块 和和 控 制制 模 块块 ， 控控 制 模模 块 而 又可可 以分 为 路 径 规 划 模 块 和 无 线 通 讯讯模 块 。 视 觉 模 块 从 视 觉 系统统 中 得得 到 图图 智能

8、能决策控制制系统结构构图 原原 始 数数据 ， 括 两 队 机 器 人 和 球 的 位 置 坐 标 ， 向角 ， 度 以 及 各 种 状 态数 据据 等 ； 始 数数 据 经经 过 包 朝 速 原 卡卡 尔 曼曼滤 波 之 后 ， 线 性 预 测 法 预 测 下 一 步 机 器 人 、 的 位 置 ， 度 等 ； 波 后 的 数 据 和 预 测 的 用用 球 速速 滤 数数 据 作作 为决 策 模 块 的输输 入 ， 过 分 析这 些些 数 据据 ， 断断 场 上上 状 态态 ， 而而 决 定定 各 个个 机 器器 人 的的 动 作作 、 通 判判 进 目目 标标 点 及及速 度 等 。 路

9、径 规 划 模 块 根 据 决 策 系统 做做 出的 判 断 ， 划 路 径 ， 算 各 个 机 器 人 的期期 望 速速 规 计 度度 ， 后后 由 无无 线通 讯 模 块 通 过 通 讯 系 统 传 递 给 场 上 机 器 人 。 最 视 觉 模 块 由由于 足 球 机 器 人 系 统 实 时性性 要 求求较 高 ， 求 图 像 辨 识 速 度 达 到 每 秒 要 帧 以以 上 。 别 是 由 特特 于 比比赛 场 地 灯 光 不 均 匀 ， 以误误 辨 识识 和 噪噪声 不 可 避 免 。 例 如 于 误误 辨 识识 引 起起 辨 识识 出来 的 机 器 所所 由 人人的数据发发生 位置

10、置跳变等 。 为 了更更 好 地地 控 制制 机 器器 人 ， 用 扩 展 滤 波 法 ? 进进 行 滤滤 波 ， 滤 波 采采 】 法法 如 下下 。问 题 可 以 归 结 为 ： 已知知 观 测测 向量 ， ， 求 均 方方 意 义义 下 的的 最 优优 估 计计 ， ， ， 的的 系 统统方程和观观测 向量量的观测方方程 式可可以表示为为 ： ： （ ， 一 ） ” （） （ ， ） （ ， 是 第第 步 时 的 观 测 值 ， 是 步 时 的 输入入 ， 和和 是 期 望 为 的的高 斯 白噪 声声 ， 协协 方 差差 “ 叫 其其 分 别别 为 和 。 在 下 面 的讨 论论 中 二

11、二 表 示示 的 状 态估估 计 值值 。扩 展 滤滤 波 法法 具 体体 操 作作起来分为为两 步进进行 ： 根 据据 系 统统 动 态态 模 型型更 新 状 态估估 计 值值 及其 协方 差差 （ 一 ， “ ， ） 一一 一一 （） 一 一 二 是 的 协协 方 差差 ， 和 是 第 步 厂厂（ ） 于 状 态估 计计 及 噪噪 声 序序 列 叫叫的 雅雅 可 比比行 列 式 。 ?关 （ ） 一（ （ ， ） ） （） 把 实实 际 系系 统 的的 观 测测值 复 合 到 状 态 估 计 中 （ 一 ） 是是 第 步 （ ） 于 状 态观观 测 和和 噪声 序 列 的 雅雅 可 比比行

12、 列 式 。 ?关 维维普资讯 北北 京 机机 械 工工 业 学学 院 学学 报 第第 卷 通通 过 设设 置 不不 同 的的 状 态态 变 量量 。 以以分 别 用 上 述 公 式 对 有 关 机 器 人 和 球 的 数 据 分 别 进 行 滤 波 可 估估计 。数数 据 进进 行 滤滤 波 后后 。 单单 地 用用 线 性性 预 测测 法 预预 测 下下 一 帧帧 机 器器 人 和和 球 的的 位 置置 信 息息 和 速速 度 信信 息 简 等等。 决决 策 模模 块 决 策 模 块 完 成 文 献 层 结 构 决 策 中 协 调 层 和 运 动 规 划 层 的 任 务 。决 策策 模 块

13、块 根 据 场 上 形 势 （ 球 方 。 分 等 ） 取 不 同 的 控 比比 采 模模 式 。 攻 模 式 还 是 防 守 模 式 。 且 根 据 模 进 并并 式式采 取 不 同 的 阵 形 。 后 动 态 分 配 角 色 。 然 前前 锋 、 卫 、 门 员 分 别 采 取 不 同 的 控 制 策 后 守守 略略 。通 用 的 机 器 人 控 制 流 程 图 可 以 简单 描描 述述 如图 所 示示 。 控 制制 模 块块 图图 机器器人选择动动作流程图图 控控 制 模模 块 包包 括 个 子 模 块 。 径 规划 和和 无 线线 通 讯讯 。 路路径 规划划 根 据据 决 策策 模

14、块块 的输 出 。 划 机 路 规规 器器 人动 作 的路路 径 。 无 线 通 讯 模 块 在路 径径 规 划划 完 毕毕 后 。 每 个 机 器 人 的 期 望 速 度 通 过 无 线 通 讯 将 系系统传 给给 场 上上 机 器器 人 。 路 径 规 划 模块 路路 径 规规 划 模模 块 属属 于 基基 本 动动 作 层层 的 内内容 【 。 全全 的 路路径 规 划 控 制 【 图 所 示 。 径 规 划 完完 ? 如 路 器器 根据 视 觉 模 块 的 预 测 数 据 以及及 决 策策模 块 提 供 的 期 望 的位位 置 和和 速 度度 。 机机 器 人人 的 路路 径 进进 行

15、 规规 对 划划。 图图 （） 目标标 为 （ 。 ） 的路 径径规划 图图 。 （） 虑 避障障 时的调调 整 。 时 ；考 已已知 初 始 位 置 （ 。 ） 。 以以及 目标标 位置 （ 。 。 。 。 根 据 下 列 公 式 计 算 个 机机 器 人人 。 ， ）可 轮轮 子速 度 。 （ （ ） 口 号 ） 一 （ ， ） （。 ） （ 。 ） （ ） （ ） ， （） （ ） 是是 机 器器 人 到到 目标 点 （ ， ） 。 。 的方方 向 。 是是 机 器器 人 的的方 向 。 是 期 望 的 速 度 ， 是 到 目 维维普资讯 第第 期 南南 建辉 等 ： 球 机器器 人 智

16、智能决 策策 系统 设 计 实现 足足 标标 点 的的距 离 ， 是是 清 除除参 数 ， 和 是 控控 制 机机 器 人人 运 动动 方 向向 的 中中 间 变变 量 ， 机 器 人 绕 到 ， 当 时时 这 个 参 数 保 持 机 器 人 到 目标标 点 的的距 离 为 见 图 。 ， （ ） 当当规划 的的路径前面面有障碍物物时 ， 应该考虑虑避 障 ； 障算算法 集 成在 运运动 控制制 中， 避 通过过 基 于于路 径径 上 突突然 出 现 的 障 碍 物 来 调 整 目标 的的方 向 。这 种种 调 节节 如 图图 （ ） 示 。 所 如如果 目标标的方 向向太靠近障障碍物 。方方

17、 向的调调节是 通通过预置 的障碍物物的清除参参 数的切切线。 由由 于于运 动 控 制 算 法 是 连 续 运 行 ， 障 分 析 一 直 不 断 地 重 新 规 划 无 障 路 径 。 避 无无线通讯模模块 无线线 通 讯讯 模 块块 主 要要 的任 务 是 把 期 望 的 机 器 人 速 度 通 过 的 口传 送 给 无 线 电发 射射 板 。最 主主要 的 问 题 就 是 选 择 串 口还还 是 并并 口通 讯 ， 于 以 下几 个个 原 因因 ， 们们选 择 了 串 口 ： 基 我 现 在在 所 用用操 作 系统 是是 ， 果 用 并 口， 须 写 相 应 的 驱 动 程 序 ， 加

18、 了开开 发 的的难 度 。 如 必必 增 串 口口开 发 起 来 比并 口口更 容 易 ， 单 直 接 。 可 以 直 接 使 用 系 统 提 供 的 简 函 数 ， 可 以使 用用 也 一一 些些 由别 人 免 费 提 供 的 串 口类类 【 。 】 至 于于通 讯 速 率 ， 机机 提 供供 的 串串 口速 率 完 全可 以以满 足 足 球 机 器 人 系统统 的 实实 时 性性 要 求求 。 总结 多多 智 能能 体 的的研 究是是 现在 人工 智智能 科学学 研 究究 的 一一 个 热热 点 ， 组 织织 虽 然然 没 有有 明确 提 出 在在 组组 必 须须 采 用用 分 布布 式

19、 控控 制 ， 为 了 更 好 地研 究究 多 智智 能 体体 ， 用用 集 中中视 觉 分 布 式 控 制 也 就 但但 采 成成 了趋 势 所 在 ， 原 本 驻 留在在 主 机机 上 的的 决 策策 系 统统 下 载载 到 车车 载 单单 片 机机 中 。这这 就 对对 机 器器 人 小小 车 的的 即 软 硬 件 配置置 提 出出 了更 高 的要要 求 ， 是 我 们 正 在 研 究 的方方 向 。 也 参参考 文献献 ： 【 】 ， ， ， 一 ： 一一 ， （ ） ： 陈 鑫 ， 吴 敏 ， 车 迅迅 球球 机 器器 人 决决 策 子子 系 统统 设 计计 与 分分 析 】 计计

20、算 技技 术 与与 自 动动 化 。 足 ， （ ） ： ： 。 ， ， 。 ： 一一 ： 。 ， ， ， ， ， 。 ， 。 ， ， ： ， （ 转 下 页页 ） 维维普资讯 om 第第 期 黄黄一 兵 ： 算 最短 路路径树 算 法法 的改进进 计 参参 考 文文 献 ， 圈论论 网络 流 京 ： 民邮邮 电 出出版 社 ， 北 人 陈惠惠 开 秦秦学 志 优 化 方 法 连 ： 最 大大 大连 理 工 大 学 出版 社社 ， 唐唐 焕 文文 ， 王 兴 伟 ， 应 辉 ， 积 仁 种 基 于 服 务 质 量 的 启 发 式 点 对 点 多 媒 体 通 信 路 由选选 择 算算 法 张 刘 一 【 计计 算 机机 科 学学 ， ） （ ： ， 严 蔚 敏 ， 伟 民 据 结 构 北 京 ： 华大 学学 出版 社 ， 吴吴 数 清清 （ 。 ） ， ： ? ， ? ： ； ； （ 上接 页） ， （ ） ： ） ” （ “ ， ， ； ? ， ， ， ， ； ： ； ? 1