足球机器人.docx

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足球机器人

关于足球机器人调研报告

一、概述

机器人足球是近几年开展起来的高科技学术活动，足球机器人是一个极富挑战性的高科技密集型项目，它融小车机械、机器人学、机电一体化、单片机、数据融合、精密仪器、实时数字信号处理、图像识别和图像处理、知识工程与专家系统、决策、轨迹规划、自组织与自学习理论、多智能体协调、以及无线通信等理论和技术于一体，既是一个典型的智能机器人系统，又为研究发展多智能体系统、多机器人之间的合作和对抗提供了生动的研究模型，它通过提供一个标准任务，使研究人员利用各种技术来获得更好的解决方案，从而有效促进各个领域的发展。

其中的理论与技术可应用于工业生产、自动化流水线、救援、教育等实践领域，从而有效推动国家科技经济等各方面的发展。

机器人足球比赛的设想是由加拿大不列颠哥伦比亚大学的AlanMackworth教授在1992年的报告《OnseeingRobots》中首先提出的。

RoboCup是由国际人工智能协会组织的全球性高科技竞赛项目。

1997年8月25日，第一届机器人足球世界杯赛在日本名古屋举行，拉开了机器人足球比赛和研究活动的序幕。

此后，RoboCup每年都举办一次国际比赛和相关学术交流活动，参加的队伍也越来越多。

ROBOCUP足球比赛（ROBOCUPserver）的主要项目包括：

1、仿真组（Simulation）比赛：

这种比赛是以client/server方式进行的，没有实际的机器人硬件。

双方将各自的比赛程序通过UDP/IP连接到服务器（server）上，通讯通过UDP/IP端口实现。

比赛采取11对11的规模，主要为了模仿人类足球赛的形式，比赛规则也与人来足球赛类似。

仿真组比赛为实物组比赛的策略制定理论依据和试验平台，是进行机器人控制理论研究的重要手段。

2、小型组（Small-Size）机器人比赛：

也称为半自主型（MIROSOT）足球赛，这种比赛采用5对5的规模，以实物机器人的形式进行。

比赛有足球场地、球、队员和裁判，队员有各自的队伍标志和号码标志。

双方通过安装在场地上方的摄像头获得赛场信息，再由主控计算机以无线通讯的方式发出命令控制每个机器人的动作。

比赛的开始和停止命令由场外的裁判盒通过计算机串口发出。

3、中型组（Middle-Size）机器人比赛：

也称为全自主型（ROBOSOT）足球赛或F-2000，这是一种采用独立视觉的机器人足球赛，场地长度为8米到12米，宽度不小于5米。

单个机器人（小车）的地面投影尺寸不超过50×50CM，重量限制在80公斤以内，视觉和其他传感器以及带有决策程序的主机全部携带在机器人身上，上场的机器人数量不超过4个。

这种比赛规模较大，场面壮观，由于机器人彼此独立，通讯也只能在机器人之间进行，因此更能体现机器人的智能。

4、SONY有腿（Legged）机器人比赛：

这种比赛采用四足机器人（机器狗）在6米×4米的场地上进行足球比赛，双方各有4个SONYAIBO机器狗出场，比赛没有人的干预，也不受场外计算机的控制。

每个机器狗具有各自独立的视觉系统和决策系统，并具有相互配合和协作的能力，彼此通过无线通讯方式交换信息。

一般由场地边界或场外的某种颜色标志为机器狗的视觉提供定位依据。

比赛要求使用日本SONY公司的系列四足机器人，这种机器人结构复杂，控制难度大，充分显示了SONY公司的技术优势。

5、人形（Humanoid）机器人比赛：

也称为类人型（HUROSOT）足球赛这种比赛旨在展示能够参加足球比赛、高度为40cm至180cm的独立人形机器人，主要测试和考察机器人的运动性能和对抗能力。

比赛内容包括单腿站立能力、行走能力、罚球能力（射门及守门）和自由动作等，比赛的对象有相对应的颜色作为标识。

2004年的里斯本比赛中有16个对参加了人形机器人角逐。

6、除了以上几种足球比赛项目之外，RoboCup比赛还包括营救比赛（RoboCupRescue）（又分为仿真组（RescueSimulationLeague）和机器组（RescueRobotLeague））、青少年比赛（RoboCupJunior）（又分为足球机器人（SoccerChallenge）、舞蹈机器人（DanceChallenge））等比赛。

二、具体分类论述

2.1仿真组（Simulation）比赛：

RoboCup仿真比赛在国际上比赛已经开展了几年了，近几年在国内也得到迅速的发展。

由于仿真比赛与人类足球比赛十分相似，克服了机器人硬件的诸多限制，实现了硬件现阶段无法实现的功能，因此对分布式人工智能（DAI）和多智能体系统（MAS）的理论研究具有重要的意义。

RoboCup仿真比赛尽量模拟真实世界中的情况，强调以有限的能力（认知能力有限，行为能力有限，通讯能力有限）和条件在非常复杂的动态环境中活动，感知环境，相互合作，并在对抗性的竞赛中获得胜利。

研究内容包括动态不确定环境中的多智能体合作、实时推理-规划-决策、机器学习（MachineLearning）和策略获取等当前人工智能领域的热点话题。

RoboCup仿真比赛采用分布式结构，按照Client/Server方式进行。

由RoboCup联合会提供标准的SoccerServer系统，参赛队编写各自的Client程序，模拟实际足球队员进行比赛。

一个完整的比赛包括一个SoccerServer服务器，若干个SoccerMonitor终端，两个球队，其中每个球队包括11个队员（包括一个守门员），还可以有一个指导教练。

所有成员之间都通过UDP数据包连接在一起，有SoccerServer服务器和SoccerMonitor终端组成了比赛的基本环境，如下图。

二每一个队员、教练都是一个独立的Agent，通过和SoccerServer的交互参与比赛，感知环境，以及在环境中执行动作。

Agent结构主要可以分为三类：

基于BDI（Belief-Desire-Intention）模型的慎思结构、反应式结构和基于层结构的混合结构。

在BDI结构中，Belief定义为内在的世界模型；Desires定义为目标，即将来要达到的一种状态；Intentions则定义为执行的某种动作。

慎思结构的最大确定是不具有反应能力，规划需要完整的环境模型，如果环境模型不准确或是不完整，则规划的结果就可能是错误的。

反应式结构直接基于传感器的输入进行决策，在其内部不维护外界模型，及可以在完全陌生的环境中进行操作。

而基于层结构的混合结构是发挥了以上两种结构的优点，它是按照Agent的功能将其结构分成2个或更多的混合组织的层，层之间可以互相交互。

目前又提出了一种基于人脑认知过程的新的Agent结构——认知结构，该结构包括：

感知、听觉感知模块、视觉感知模块、高级规划和推理模块、动作解释和执行模块等。

对于Client和Server之间同步是非常重要的，目前有采用多线程控制，信息和控制线程之间采用了同步互斥的技术和灵活的智能体-环境同步机制等控制方法【1.1】。

球员的个人技术动作方面，现在主要采用的方法有：

经验式、数学解析、机器学习等。

经验式方法简单，易于实现，但是误差较大；数学解释方法效率高，解比较精确，但对动作建模较难；机器学习是采用最多的方式，它通用性较大，且鲁棒特性好。

球队的战略战术，主要有两种球和球员位置、速度的预测模型：

基于BP学习算法的预测模型和基于Kalman滤波的预测模型【1.2】。

对手建模可以通过Coach采样，获得对手球员的位置、速度等星系，建立对手的统计特征，得到一个统计特征集。

在比赛过程中通过这个统计特征集来在线识别对手球员。

实时性和团队合作是仿真这个领域评价技术的标准，同时也是这个领域的主要限制。

2.2小型组（Small-Size）机器人比赛：

小型组机器人又称为微型机器人，比赛的赛场长1.5米，宽1.3米，比乒乓球台略小，场地画有中线、中圈和门区。

每队由三个边长不超过7.5厘米的立方体形的遥控小车（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相似，也有点球、任意球和门球等。

只是因电池容量有限，每半场为5分钟，中间休息10分钟。

下半场结束时若为平局，则有3分钟的延长期，也实行突然死亡法和点球大战。

与人类足球的明显不同之处在于球场四周有围墙壁，所以没有界外球，而在相持10秒后判争球。

足球机器人系统，在硬设备方面包括机器人小车、摄像装置、计算机主机和无线发射装置（见图1.1）。

从功能上分，它包括机器人小车、视觉、决策和无线通讯4个子系统。

机器人小车由车架、车轮、电机、减速机、测速码盘、驱动电源、单片机控制电路与无线接收模块等构成。

它可以按着主机发出的命令控制左、右轮转速，以保证按预定的轨迹运动。

视觉子系统是机器人的眼睛。

它由悬挂在球场中圈上空2米的摄像头摄取图像，由装在主机内的抓图卡将图像数字化，送入主机内存，再由专用软件对图像进行理解。

由于双方各有不同颜色的队标（黄色或蓝色），而机器人也有不同的队员色标,这样计算机就可以通过颜色分割辨识出全部机器人与球的坐标位置与朝向。

也就是进行模式识别。

装在主机中的决策子系统根据视觉系统给出的数据，应用专家系统技术，判断场上攻守态势，分配本方机器人攻守任务，决定各机器人的运动轨线，然后形成给各小车左右轮轮速的命令值【2】。

无线通讯子系统通过智能通讯卡得到命令值，再由独立的发射装置与装在小车上的接收模块建立无线通讯联系，遥控场上各机器人的运动。

在机器人足球比赛过程中，上述4个子系统以每秒二、三十次，甚至更高的速率连续运行，人不得干预。

因此，这完全是一场软硬件的较量，是一种高技术的对抗。

1999年在巴西举行的第四届机器人足球世界杯赛上，东北大学的牛牛机器人足球队两胜巴西队，取得了微机器人足球赛的第5名和标准动作比赛冠军。

2000年牛牛I型系统通过辽宁省科技成果鉴定。

由国内人工智能和机器人领域的知名学者组成的专家组一致认定：

该系统在总体性能上达到国际同类产品的先进水平，并填补国内空白。

2.3中型组（Middle-Size）机器人比赛：

中型机器人组比赛是RoboCup机器人足球世界杯赛的主要项目之一，自1997年第一届RoboCup比赛开始即是正式比赛项目。

中型组的机器人是完全自主的，拥有局部视觉系统，多种传感器，是典型的多智能体分布式控制的测试平台。

所有的机器人必须完全自主控制，并且不得在场地外设置和使用全局传感器。

比赛机器人通过颜色来识别场地上的特定目标，比赛规定如下图所示，场地为绿色，官方比赛用球是任意橙色国际足联标准尺寸5号球，边界为白色，双方球门分别为黄色和蓝色，球门左右两边的角柱上下三分之一涂成己方球门的颜色，中间三分之一涂成对方球门的颜色，而比赛用的机器人必须涂成黑色，参赛双方机器人一方贴有紫色（Magenta）数标，另一方贴有蓝色数标（Cyan）。

中型组比赛中机器人的尺寸要求是不超过0.5m*0.5m*0.8m，重量不超过75Kg。

机器人之间可以通过无线网络进行

数据通讯，从而协调机器人之间的动作，实现多机器人合作完成比赛目标。

RoboCup中型组比赛中的足球机器人主要涉及硬件和软件两方面。

就硬件方面而言，国际比赛中各队伍的硬件结构以全向运动机构和全向视觉系统为主。

全向运动机构是将运动机构设计成三个车轮，均匀分布在同一圆周上，每个车轮分别由直流伺服电机、减速器、码盘和车轮等零部件组成；在每一个大轮子圆周上均匀分布若干个小轮子，大轮子受电机驱动，小轮子自由转动，这样整车可以很方便的实现任意主方向运动。

国内比赛的各队伍中仍有一些采用非全向运动机构。

非全向运动机构一般都是采用双轮差分驱动，在车体两侧布置有两个驱动轮，由两个电极分别进行控制，运动轨迹可以归结为直线和圆弧的组合；这种机器人地平面上只有两个自由度，在某些运动之前要先进行转向运动，而且运动轨迹规划复杂，一些路径规划需要分解为多次的直线和圆弧运动，因此在球场上的运