機(jī)器人足球決策系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、機(jī)器人足球是一個新興的交叉學(xué)科，涉及機(jī)器人學(xué)、人工智能以及人工生命、智能控制等多個領(lǐng)域。目前，國際上對機(jī)器人足球的研究得了迅速的發(fā)展。隨著機(jī)器人在諸多領(lǐng)域的愈來愈廣泛的應(yīng)用，如何提高在動態(tài)環(huán)境中多機(jī)器人的協(xié)作能力，成為急需研究和解決的問題。因此，將多機(jī)器人作為一個整體，從系統(tǒng)的角度研究多機(jī)器人系統(tǒng)的整體行為和組織結(jié)構(gòu)，已成為人工智能和機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。而機(jī)器人足球系統(tǒng)是一個典型的并且非常具有挑戰(zhàn)性的多智能體系統(tǒng)，它是由多個機(jī)器人構(gòu)成

2、一個球隊(duì)，在復(fù)雜的環(huán)境條件下，與另一個機(jī)器人球隊(duì)進(jìn)行對抗比賽，機(jī)器人球隊(duì)，既能防守對方的進(jìn)攻，又能組織力量向?qū)Ψ焦デ颍峭ㄟ^合作與協(xié)調(diào)完成進(jìn)攻與防守的協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)。在存在對手的動態(tài)環(huán)境中，足球機(jī)器人要通過相互配合協(xié)作，表現(xiàn)出團(tuán)隊(duì)行為或完成特定目標(biāo)。環(huán)境的動態(tài)性及對手不可預(yù)測的干擾，對于系統(tǒng)實(shí)時決策和機(jī)器人運(yùn)動控制有著更高的要求。因此機(jī)器人足球系統(tǒng)作為一種多機(jī)器人協(xié)作自治系統(tǒng)，被許多研究者作為多智能體系統(tǒng)的一個理想研究平臺，其目的是研究對

3、未來社會有深遠(yuǎn)意義的多機(jī)器人在復(fù)雜動態(tài)環(huán)境和多重制約下，完成多任務(wù)和多目標(biāo)所需的實(shí)時推理和規(guī)劃技術(shù)。從控制的角度，機(jī)器人足球系統(tǒng)可分為4個子系統(tǒng)，即視覺子系統(tǒng)、決策子系統(tǒng)、無線通訊子系統(tǒng)以及機(jī)器人小車子系統(tǒng)。其中，決策子系統(tǒng)可看作系統(tǒng)控制器，機(jī)器人車體子系統(tǒng)可看作執(zhí)行機(jī)構(gòu)或控制對象，視覺子系統(tǒng)可看作系統(tǒng)的檢測環(huán)節(jié)，而無線通訊子系統(tǒng)則為決策子系統(tǒng)和機(jī)器人車體子系統(tǒng)中間的信息橋梁。在機(jī)器人足球的四個子系統(tǒng)中，決策子系統(tǒng)是關(guān)鍵部分。決策子系統(tǒng)

4、所包含的主要問題有買時性、噪聲、合作性和對抗性，對這些問題的研究將有力地推動多智能體領(lǐng)域的發(fā)展。因此本文著重對足球機(jī)器人的決策子系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，具有重要的理論意義和實(shí)用價值，主要研究內(nèi)容如下： 1.闡述了機(jī)器人足球技術(shù)與人工智能及機(jī)器人學(xué)的關(guān)系，分析了機(jī)器人足球的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，介紹了足球機(jī)器人的基本類型及基于全局視覺的集控式足球機(jī)器人系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)框架以及系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)一步討論了集控式足球機(jī)器人的決策系統(tǒng)的要求和

5、構(gòu)架。 2.針對足球機(jī)器人所采用的移動機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，建立了輪式移動機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型，討論了幾種輪式移動機(jī)器人到給定目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動控制方法，包括簡化的點(diǎn)鎮(zhèn)定控制、比例控制、余弦比例控制等。采用網(wǎng)格法進(jìn)行控制律參數(shù)優(yōu)化，其優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，能求得全局離散最優(yōu)解。 3.建立了基于團(tuán)隊(duì)(Teamwork)的機(jī)器人足球協(xié)作框架，對目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行分層分解，實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，從而建立有效的組織結(jié)構(gòu)以提高多機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)作能力。框架包括：隊(duì)

6、形、角色和動作，將共享任務(wù)的協(xié)作形式轉(zhuǎn)化為任務(wù)分解和任務(wù)分配。提出由特定隊(duì)形的柔性角色的定義完成任務(wù)分解和由特定角色的動作選擇完成任務(wù)分配的方法。通過角色轉(zhuǎn)換、隊(duì)形確定保持以及涵蓋任務(wù)空間的行為設(shè)計(jì)，使得由柔性角色組成的團(tuán)隊(duì)行為總是朝向全局目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。 4.提出了基于遺傳算法的足球機(jī)器人路徑規(guī)劃方法。在討論了人工勢場法、B-Spline法兩種目前常用的路徑規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上，針對其存在的陷阱區(qū)和避障效果差的缺點(diǎn)，利用遺傳算法的全局

7、尋優(yōu)能力來進(jìn)行足球機(jī)器人路徑規(guī)劃。首先以移動目標(biāo)的軌跡上的某一隨機(jī)點(diǎn)為目標(biāo)，規(guī)劃一條最短路徑，再從移動目標(biāo)軌跡上搜索出與一目標(biāo)會合的最優(yōu)點(diǎn)，以保證整個過程用時最短。方法考慮了球場邊界約束、動態(tài)避障要求，具有實(shí)時性高，能實(shí)現(xiàn)全局尋優(yōu)的優(yōu)點(diǎn)。為使遺傳算法的實(shí)時應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，確定了簡單、有效的遺傳編碼技術(shù)，建立了嚴(yán)謹(jǐn)而且簡潔的適應(yīng)度函數(shù)。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文提出的方法的有效性和準(zhǔn)確性。此方法可進(jìn)一步用于智能機(jī)器人追蹤移動目標(biāo)的自動導(dǎo)航

8、。 5.構(gòu)建了足球機(jī)器人分層動作體系，設(shè)計(jì)開發(fā)了大量滿足實(shí)戰(zhàn)需要的動作函數(shù)，并提出了基于遺傳模糊算法的動作設(shè)計(jì)方法，以滿足機(jī)器人足球的實(shí)時性要求。通過建立一個多輸入多輸出模糊控制器，用一套模糊控制規(guī)則控制足球機(jī)器人在實(shí)時、動態(tài)環(huán)境中完成要求的動作；采用遺傳算法確定模糊規(guī)則、修剪隸屬度函數(shù)，增強(qiáng)了模糊控制系統(tǒng)適應(yīng)動態(tài)變化環(huán)境的能力。由于模糊控制規(guī)則是輸入傳感信息與兩輪子輸出的一種映射關(guān)系，本質(zhì)上是一種反應(yīng)式控制方法，因此具有很高的

9、實(shí)時性。此方法還考慮了輪式移動機(jī)器人的運(yùn)動模型，將更符合實(shí)際情況的左右輪速度作為模糊規(guī)則的輸出。在仿真和全局視覺足球機(jī)器人平臺上對所提出的算法進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了方法的正確性。 6.提出了機(jī)器人足球比賽的基于環(huán)境感知/隊(duì)形確定/角色分配/動作選擇的四層決策推理模型，并設(shè)計(jì)了一種基于模糊綜合評判算法的決策方法，以滿足機(jī)器人足球比賽環(huán)境的實(shí)時性、動態(tài)性、不確定性的要求。球隊(duì)的隊(duì)形以及機(jī)器人隊(duì)員的角色都能根據(jù)現(xiàn)場情況，進(jìn)行動態(tài)切

10、換，從而完成特征狀態(tài)空間到動作空間的映射。此方法無需建立精確的數(shù)學(xué)模型，能夠考慮球的位置、對方機(jī)器人位姿等多方面因素，實(shí)時性高，決策效果好。 7.提出了基于滾動窗口的足球機(jī)器人全程傳球路徑的搜索方法。首先建立了和比賽雙方隊(duì)員控制區(qū)域有關(guān)的機(jī)動圓的概念，并用遺傳算法來進(jìn)行的傳球點(diǎn)的搜索，從而完成了單步傳球路徑的優(yōu)化；進(jìn)一步利用滾動窗口法解決了在實(shí)時動態(tài)環(huán)境下且環(huán)境信息無法預(yù)測時，足球機(jī)器人的全程傳球路徑的搜索。目前對未知環(huán)境的路徑