足球機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

曾遠(yuǎn)偉+范光宇+黃達(dá)+周輝

摘要：機(jī)器人足球（FIRA）是現(xiàn)在機(jī)器人和人工智能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，當(dāng)真實(shí)的機(jī)器人在球場(chǎng)上運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人是有特定的動(dòng)作的，離不開(kāi)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的范疇，所以我們通過(guò)仿真的方式，抽象機(jī)器人小車(chē)的物理模型，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型，完成機(jī)器人動(dòng)作空間到輪速空間的映射，從而集中精力在策略開(kāi)發(fā)的層面上。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)設(shè)計(jì)；策略開(kāi)發(fā)；防守戰(zhàn)術(shù)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）02-0156-02

機(jī)器人足球是現(xiàn)在機(jī)器人和人工智能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，很多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)著手于真實(shí)的機(jī)器人足球開(kāi)發(fā)，并且已經(jīng)取得了一定的成果，他們的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)是如何用軟件驅(qū)動(dòng)硬件，如何讓機(jī)器人按照指令做出準(zhǔn)確的動(dòng)作，如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)作細(xì)節(jié)，而仿真的重點(diǎn)工作是戰(zhàn)術(shù)策略的開(kāi)發(fā)。本文主要提出了戰(zhàn)術(shù)策略中的防守戰(zhàn)術(shù)。我們是基于3D Robot Soccer Simulator仿真系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行足球機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，此仿真系統(tǒng)是是由澳大利亞的格里菲斯大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院 RSS 開(kāi)發(fā)小組開(kāi)發(fā)，是一個(gè)5vs5的足球機(jī)器人比賽系統(tǒng)，此平臺(tái)提供一些簡(jiǎn)單的函數(shù)，我們可以在這些函數(shù)原型上進(jìn)行代碼的修改與完善，讓機(jī)器人按照我們的算法方式運(yùn)動(dòng)。

5vs5 具體有四層架構(gòu)，第一層：設(shè)置機(jī)器人小車(chē)的輪速，到二層：讓小車(chē)到達(dá)某一指定位置。第三層：每個(gè)機(jī)器人具體的角色實(shí)現(xiàn)。第四層：角色組合起來(lái)的決策實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)置機(jī)器人的輪速

首先我們要知道基于這個(gè)仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)者已經(jīng)給我們提供了一些可執(zhí)行代，包括一些簡(jiǎn)單的函數(shù)原型。我們可以在里面修改代碼，讓機(jī)器人按照我們的算法運(yùn)動(dòng)。

其函數(shù)原型如下：void Velocity （ Robot *robot， intvl， intvr ）；

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型構(gòu)建（如圖1所示）：假設(shè)vl和vr為機(jī)器人左右的輪速，當(dāng)vr>vl時(shí)，機(jī)器人向左轉(zhuǎn)，做弧線運(yùn)動(dòng)，設(shè)其瞬時(shí)圓周運(yùn)動(dòng)半徑為R，O為瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)圓心，L為機(jī)器人的邊長(zhǎng)，機(jī)器人是遵守剛體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的。所以有如下公式：

[V=vr+vl2] （1）

[ω=vr-vlL] （2）

V是機(jī)器人中心的線速度，[ω]是小車(chē)自轉(zhuǎn)瞬時(shí)角速度。機(jī)器人的狀態(tài)變量可用位置和角度表示為（[θ]，y，x），可用vl，vr來(lái)表示：

[dxdt=Vcosθ]

[dydt=Vsinθ]

[dθdt=180πω]

將（1），（2）式子帶入并寫(xiě)成矩陣形式得到運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程：

[10001000πL360dxdtdydtdθdt=12 cosθ sinθ -1cosθsinθ1vlvr]

在這層架構(gòu)中，我們可以利用高數(shù)的知識(shí)，如泰勒公式，拉格朗日方程等來(lái)實(shí)現(xiàn)我們對(duì)輪速的控制，這要求有豐富的高數(shù)知識(shí)和編寫(xiě)c++代碼的能力。將我們修改后的代碼放入函數(shù)Velocity中機(jī)器人就可以動(dòng)起來(lái)了。

1.2 讓機(jī)器人到達(dá)指定位置

要讓機(jī)器人到達(dá)指定的位置需要找出該位置的坐標(biāo)并且了解機(jī)器人當(dāng)前的位置信息（當(dāng)前坐標(biāo)和角度），然后就可以運(yùn)用以下兩個(gè)函數(shù)來(lái)調(diào)整位置和角度了。

void Angle （ Robot *robot， intdesired_angle）；

void Position （ Robot *robot， double x， double y）；

1.3 機(jī)器人的角色

看過(guò)足球比賽的我們都知道每個(gè)球員在球場(chǎng)上都有自己的位置，球員在球場(chǎng)上各司其職，分工合作，團(tuán)結(jié)一致才能將球踢進(jìn)對(duì)方的球門(mén)。在我們5vs5的系統(tǒng)中，我指定了一名守門(mén)員，2名防守球員和2名進(jìn)攻球員。角色如何設(shè)定還是要根據(jù)具體的戰(zhàn)術(shù)決定，像我指定這個(gè)陣型就是1：2 ： 2陣型，你也可以采用1： 3：1的陣型，當(dāng)然導(dǎo)致的結(jié)果就是進(jìn)攻效率不足，但防守一定是很強(qiáng)的，所以根據(jù)球在自己手上還是對(duì)方手上來(lái)選擇陣型是相當(dāng)重要的。

在平臺(tái)運(yùn)行的過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)反饋給我們一組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中包括哪個(gè)隊(duì)伍持球，敵我兩方機(jī)器人的速度和位置等很多信息，當(dāng)球在我們手上和在對(duì)方手上時(shí)執(zhí)行的策略是不一樣的，所以機(jī)器人的角色也在進(jìn)攻和防守中不斷切換。

具體的角色有：點(diǎn)球角色、門(mén)球角色、爭(zhēng)球角色、任意球角色等，這些屬于特殊情況下的角色。還有就是能完成特定踢球任務(wù)的角色，例如 ： 中路射門(mén)角色，邊路射門(mén)角色，前場(chǎng)邊界球處理角色，后場(chǎng)邊界球處理角色，中路補(bǔ)射角色，邊路傳中角色等。擁有了這些角色我們就可以完成進(jìn)攻和防守的策略。

2 決策開(kāi)發(fā)

我們將整個(gè)足球場(chǎng)劃分為三大部分，分別分為前場(chǎng)，中場(chǎng)，后場(chǎng)，開(kāi)始時(shí)，5名球員進(jìn)行對(duì)應(yīng)的放置為：守門(mén)員一個(gè)（5號(hào)球員），中場(chǎng)兩個(gè)（3，4號(hào)），后場(chǎng)（2號(hào)）以及前場(chǎng)（1號(hào)）各一個(gè)。

情況一：對(duì)手進(jìn)攻，球在對(duì)方的后場(chǎng)，就是等于說(shuō)，此刻相對(duì)于來(lái)說(shuō)，情況比較樂(lè)觀，采取的方案：主要以搶斷以及防守為主，這個(gè)時(shí)候每個(gè)球員都可以是防守球員，下面是對(duì)場(chǎng)上球的位置進(jìn)行分析。從球向我方球門(mén)推進(jìn)的過(guò)程中，我們可以將防守分成下面五步：

第一步：如果此時(shí)球在對(duì)方的守門(mén)員的手中的時(shí)候，就要進(jìn)行阻斷對(duì)方的守門(mén)員進(jìn)行發(fā)球，主要方式就是用1號(hào)球員進(jìn)行對(duì)方的守門(mén)員以及其他的球員之間的傳球線路的阻斷。如果此時(shí)球不在對(duì)方的守門(mén)員手中，同樣以搶斷為主，我方的守門(mén)員（5號(hào)球員）要時(shí)刻將自己，球，以及對(duì)方控球的球員形成一條直線，以便快速形成最佳防守。

第二步：處于中場(chǎng)位置的3號(hào)球員此刻的主要任務(wù)就是搶斷，3號(hào)球員的任務(wù)就是始終進(jìn)行往對(duì)方控球的人員以及球的中心位置運(yùn)動(dòng)，以阻止對(duì)方的控球，干擾對(duì)方的傳球路線。endprint

第三步：同樣位于中場(chǎng)的4號(hào)球員的任務(wù)是直接朝著球的運(yùn)動(dòng)的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行直接搶斷。

第四步：位于我方后場(chǎng)的2號(hào)球員的任務(wù)是阻止對(duì)方的控球人員進(jìn)行傳球，采取的方案就是判斷離開(kāi)球員比較近以及空間范圍比較空的球員進(jìn)行球員與該球之間的阻斷。

第五步：作為守門(mén)員的5號(hào)球員，無(wú)論球在球場(chǎng)的哪個(gè)位置，都不能離開(kāi)我方的球門(mén)，因?yàn)閳?chǎng)上的局勢(shì)瞬息萬(wàn)變，如果對(duì)方攻勢(shì)足夠強(qiáng)，我方球員就會(huì)退防不及時(shí)而損失不必要的進(jìn)球。

情況二：對(duì)手進(jìn)攻，球在中場(chǎng)，采取的方案應(yīng)該是注重防守，而不是搶斷，主要防止對(duì)手將球踢到前場(chǎng)，一旦球進(jìn)入中場(chǎng)，搶斷的行為就應(yīng)該有所減少，更加注重防守，爭(zhēng)取將球防守回后場(chǎng)，或者說(shuō)，在防守中使得對(duì)手失誤，以達(dá)到搶斷的任務(wù)，轉(zhuǎn)換為進(jìn)攻。具體實(shí)現(xiàn)步驟也可分為如下幾步：

第一步：2號(hào)以及3號(hào)兩名球員進(jìn)行控球人員的防守，具體防守方式為一名球員進(jìn)行中間強(qiáng)斷，由于球一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，那么一名球員進(jìn)行球的延長(zhǎng)線阻斷，以形成防守，由兩名球員去包夾防守，成功率會(huì)有所提高。

第二步：4號(hào)球員與1號(hào)球員這兩個(gè)球員阻止對(duì)方的控球人員進(jìn)行傳球，采取的方案就同情況一的四步一樣，都是判斷離開(kāi)球員比較近以及空間范圍比較空的球員進(jìn)行球員與該球之間的阻斷，所以要能在代碼中實(shí)現(xiàn)這一功能顯得十分重要。

第三步：我方的守門(mén)員要時(shí)刻將自己，球，以及對(duì)方控球的球員形成一條直線，以便快速形成最佳防守，防止球被直接射入球門(mén)。

情況三：對(duì)手進(jìn)攻，球在對(duì)方的前場(chǎng)，就是等于說(shuō)，此刻相對(duì)于來(lái)說(shuō)，情況比較糟糕，可以說(shuō)成是消極防守（這里不是說(shuō)態(tài)度消極，而是指情況不容樂(lè)觀，屬于劣勢(shì)情況下的防守）。

采取的方案：加大對(duì)球門(mén)的防守，主要是進(jìn)行守門(mén)員的協(xié)防工作，避免失球。2號(hào)球員以及4號(hào)球員進(jìn)行協(xié)助守門(mén)員防守，防守的策略是進(jìn)行加大防守面積，以及加大防守強(qiáng)度，2號(hào)與4號(hào)球員與守門(mén)員形成一個(gè)防守的三角形，并且始終根據(jù)對(duì)方的球的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整位置，另外的兩名球員進(jìn)行控球人員地傳球阻斷。

3 總結(jié)

以上內(nèi)容主要描述機(jī)器人輪速的控制，如何利用系統(tǒng)反饋的信息使機(jī)器人到達(dá)指定的位置，機(jī)器人角色的變化和防守策略決策系統(tǒng)。待解決的問(wèn)題是在傳球過(guò)程中預(yù)測(cè)到敵人會(huì)阻礙我們傳球時(shí)應(yīng)該做出什么樣的反應(yīng)，這就涉及人工智能的知識(shí)了。在我們的防守策略中，我們綜合所有可能大概率出現(xiàn)的情況并且采取了相應(yīng)的解決辦法，這樣的嚴(yán)防死守對(duì)手是很難進(jìn)攻成功的。

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