基于SOM3.4.2平臺的iLoboke仿真足球機器人研究

摘" 要：2015年，iLobokeⅠ首次以標準化產品的形態推向市場，其搭載全局視覺、決策調度、無線通信和車載控制系統等先進技術，通過足球對抗的形式，實現高速動態下的多機器人協同。隨著科技的不斷進步，iLoboke足球機器人在2018年已經升級到第四代產品。這一代產品更加開放，支持更廣泛的擴展編程，為用戶提供更多的自由度和創造力。無論是足球領域還是其他領域，機器人的應用將逐漸滲透到人們的生活中，為我們創造更便利的生活和更廣闊的發展空間。該文旨在利用SOM3.4.2平臺，對iLoboke足球機器人控制進行研究，利用微粒算法規劃移動路徑，實現機器人在仿真環境中的足球運動，科學高效地預判傳球。

關鍵詞：iLoboke;SOM3.4.2;足球機器人;仿真;圖像采集

中圖分類號：TP242" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）09-0021-04

Abstract： In 2015， iLoboke I was first introduced to the market in the form of standardized products， carrying advanced technologies such as global vision， decision scheduling， wireless communication， vehicle control system， and so on， and realized multi-robot cooperation in high-speed dynamic through the form of football confrontation. With the continuous progress of science and technology， iLoboke soccer robot has been upgraded to the fourth generation in 2018. This generation of products are more open， support a wider range of extended programming， and provide users with more freedom and creativity. Whether in the field of football or other fields， the application of robots will gradually infiltrate into people's lives and create a more convenient life and broader development space for us. The purpose of this paper is to use the SOM3.4.2 platform to carry out control-related research on the iloboke soccer robot， and after that as well as to use the particulate algorithm to plan the movement path， implemented robot soccer movement in a simulation environment， scientifically and efficiently predicting passes.

Keywords： iLoboke; SOM3.4.2; soccer robot; simulation; image acquisition

仿真足球機器人研究是近年來在機器人學領域蓬勃發展的一個重要研究方向。首先，足球對于人類來說具有重要的意義。對足球機器人進行研究和開發，旨在將機器人的智能與運動能力結合起來，使機器人能夠像人類一樣參與足球比賽。這不僅是技術上的一項挑戰，也有助于拓展機器人在體育娛樂領域的應用，推動機器人技術的發展。

其次，仿真足球機器人研究是機器人人工智能領域的一個重要突破口。機器人在足球比賽中需要具備多方面的智能能力，如感知、決策、規劃和執行等。通過模擬足球場景和比賽規則，可以設計和測試各種智能算法和策略，優化機器人的協作和競技能力。這對于推動機器人智能化發展，提高機器人在復雜環境中的應用能力具有重要的意義。

最后，仿真足球機器人研究為實際機器人足球比賽提供了重要的支撐。機器人足球比賽，如RoboCup等，已經成為世界范圍內的頂級機器人競技項目。通過仿真研究，可以提升機器人的技術水平和競賽實力，推動機器人足球比賽的發展。同時，在仿真環境中進行實驗還可以獲得大量的數據和經驗，為實際比賽中的決策和策略提供參考。

1" 機器人控制機構

仿真足球機器人的控制機構是指通過電子、機電、計算機等技術將機器人的行為控制起來的系統。這個控制機構在仿真環境中起到關鍵作用，其包含了機器人的感知、決策、執行等多個方面。下面將對仿真足球機器人的控制機構進行詳細介紹。

感知模塊。感知模塊主要負責獲取環境中的信息，并將其轉化為機器人可以理解的數據。在仿真足球機器人研究中，常見的感知方式有視覺、距離傳感器，陀螺儀等。通過視覺傳感器獲取場地和球的圖像信息，可以實現對球的檢測和跟蹤。距離傳感器可以用于檢測場地邊界和其他機器人的位置。陀螺儀可以用于測量機器人的姿態和加速度等信息。感知模塊的準確性和實時性對于機器人的決策和執行至關重要。

視覺模塊。在該模塊運行之前需要先對攝像頭的參數做標定，確定出攝像頭畸變矯正環節以及單目攝像頭測距環節所需的參數。在視覺模塊的運行階段會定時讀取攝像頭采集到的圖像，接著對讀取到的圖像進行畸變矯正，然后對矯正后的圖像進行目標檢測與識別，獲取到球和標志物在圖像中的信息，最后利用單目攝像頭測距將球和標志物的信息從圖像提取至機器人自身的坐標系中。

決策模塊。決策模塊是仿真足球機器人控制機構中的核心部分，其負責分析感知到的信息并做出相應的決策。在仿真足球機器人研究中，常見的決策算法有行為樹、狀態機、強化學習等。行為樹通過組合和層次化的方式描述機器人的行為，使其可以根據當前環境動態選擇適當的行為。狀態機通過定義不同的狀態和狀態轉移規則描述機器人的行為邏輯。強化學習是一種基于試錯學習的方法，通過不斷與環境交互來優化機器人的決策策略。

規劃模塊。規劃模塊負責將決策轉化為具體的軌跡和動作序列。在仿真足球機器人研究中，機器人需要根據環境和任務要求來生成合適的行動路徑。規劃模塊可以使用路徑規劃算法，如A*算法、Dijkstra算法等，來生成最優或次優的路徑。此外，還可以使用動作規劃算法，如運動規劃算法、力控規劃算法等，來生成機器人的動作序列。

執行模塊。執行模塊負責將規劃好的動作轉化為機器人的實際運動。在仿真足球機器人研究中，執行模塊主要通過控制機器人的關節、輪子或其他執行器來實現機器人的移動和互動。執行模塊需要保證動作的準確性和流暢性，以便機器人能夠實現精準地傳球、射門和防守等動作。

除了上述基本的控制模塊，仿真足球機器人的控制機構還可以包括通信模塊、協作模塊等。通信模塊用于機器人之間的信息傳遞和協調，可以通過無線通信或有線通信方式實現。協作模塊用于實現多個機器人之間的協同行動，例如隊友之間的傳球和進攻組織等。

在仿真足球機器人研究中，控制機構的設計和優化是一個重要的課題。好的控制機構可以使機器人在足球比賽中更容易取得勝利。

2" 機器人路徑優化與圖像處理

2.1" 微粒算法路徑優化

由于足球機器人系統工作的環境很復雜，既要配合本方機器人協同作戰，還要對抗敵方機器人。針對傳統的機器人路徑規劃算法過于復雜，同時沒有充分考慮到足球機器人在比賽中實時性和對抗性，導致實時性差以及射門準確率低等問題。

所謂的路徑規劃是對機器人的運動軌跡進行規劃，按照指定的軌跡運動。而路徑規劃的重點是算法。一個完善的路徑規劃的本質，就是不斷地對當前機器人運動軌跡算法進行優化。本文中使用的是改進的微粒算法。

微粒算法有6個步驟。

S1：種群初始化。本文采用隨機方式產生初始種群，路徑上各點的坐標值在整個地圖范圍內隨機取值，且服從均勻分布。

S2：解的評價。通過前面所述的適應度函數對種群中的各條路徑進行評估，得出其各自目標函數值。具有較小函數值的路徑被認為較優路徑，并根據該代價值更新每條路徑各自的pBesti和種群全局的gBest。

S3：進行交叉、變異操作。進行交叉操作時，直到產生的子代個體數量與父代個體數量相等，停止上述過程。在由父代和子代構成的集合中，選出代價值較低的50%的個體作為新的種群。進行變異操作時，其坐標值被隨機更新，并在整個地圖坐標范圍內服從均勻分布。

S4：檢查算法停止條件。本文中算法停止條件是進化世代數達到30。當條件滿足時，算法結束，否則繼續進行下一步。

S5：更新速度及位置坐標。通過系統迭代更新下一時刻微粒的速度及位置，更新完畢后算法跳轉至S2繼續執行。

S6：算法結束。

折線是指執行角球命令的機器人移動路徑，黑色部分為障礙物，這種方法需要使用MATLAB來進行仿真，并且建立矩形的方格，目的是盡量減少與對面機器人的對抗，還能預測對手的位置，之后拿到球進行踢球，取得成績。在足球機器人路徑規劃過程中，選擇合理、科學的路徑逐漸成為當前研究的關鍵目標。

2.2" 通過安裝攝像機進行系統設計

圖像采集系統，在硬件上包括攝像機、配套的鏡頭、數據傳輸線及終端服務器（包含 USB3.0 接口信號采集卡）。系統調節步驟如下。

2.2.1" 攝像機安裝

2臺攝像機分別安置在場地上方的支架上，攝像頭距離場地高度要求在3 m以上（一般在3～3.5 m）。為了配合圖像系統的調節，建議支架包含多個自由度，可以參考魔術臂及云臺配合的形式。

2.2.2" 打開軟件

調整目標：每個攝像頭要求能清晰顯示對應半場的所有圖像信息，每半場邊、線、底線和中線均包含在內，圖像需要包含中線外至少一臺小車的距離（可以在 對方半場貼中線放一臺小車來確認圖像是否可以完整采集），以防止小車在中圈附近無法被2個攝像頭完整捕捉的情況發生。顯示的圖像中，半場的白線信息都 能顯示，且2個球門在上下邊緣，中場信息在中間，白線基本與圖像窗口邊平行?？偠灾?，通過獲取及捕捉場內的信息，可以仿真球場上的各種情況，機器人是通過頂部的顏色來區分其擔當的角色，還有車號。在路徑優化的過程中，如何高效地識別，并且通過軟件分析出顏色的位置，是非常關鍵的。在比賽過程中，運用攝像機有利于減少對抗，以及增加團隊內部的配合。

3" 研究時所用的軟件和方法

研究足球機器人需要的軟件是SoccerPlanner3，其是有關于調試和實現踢球、傳球等指令所需要的模擬軟件，分為測試模式和比賽模式，可以以此選擇不同的隊伍，更改人數和位置。與此同時，導入代碼后就可以使機器人像人類一樣踢足球，實現仿真的目的。不同的代碼也對應不同的職能。

在研究時，一個很必要的條件是，假設機器人踢球時，球不會騰空，而且每個機器人的力度也一樣。對于機器人來說，在仿真、現實的物理環境中進行功能運動需要靈活性。在機器人世界里，機器人足球賽可以評估運動功能成功與否。為什么要踢足球？參賽隊伍僅需要在提供的底層代碼上進行相關軟件開發的優化。機器人由軟件程序控制，競賽一旦開始，每個智能體是一個獨立自主的進程，沒有人為干涉，使其可以做到模擬正規的足球賽。

利用官方所給出的一些函數和代碼，根據模擬的情況，可以進行修改和完善代碼。代碼及軟件的部分頁面如圖1和圖2所示。

最主要的方法是利用vs和C++軟件編寫代碼，因為機器人上面有對應的傳感器，在正式比賽的時候，電腦操控頁面可以和機器人的運動連接到一起，即機器人的實際運動是與代碼的指令一致。與傳統的C++代碼不同，這些運作的代碼是新加入的，需要定義傳球，以及射門、接球的機器人。經過多次嘗試，決定是否利用角球或其他方式將球從遠處踢進球門。

4" 項目的難點及應對措施

4.1" 運動控制

足球機器人需要精確控制自身的運動，包括前進、轉向、停止等動作。這要求機器人能夠準確感知周圍環境，并根據需要調整自己的姿態和動作，這對于算法和控制系統設計來說是一個挑戰。對此，需要研究和開發高精度的運動控制算法和系統，結合機器人的動力學模型和環境感知，以實現準確的運動控制。

4.2" 技巧和戰術

在足球比賽中，機器人需要具備一定的技巧和戰術意識，包括傳球、射門、防守等動作。要使機器人具備這些能力，需要進行復雜的計算和決策，同時還要考慮與其他機器人的協作。對此，需要開發復雜的算法和決策系統，結合機器學習和人工智能技術，使機器人能夠學習和適應不同的技巧和戰術，并進行合理的決策。

4.3" 感知和定位

在比賽過程中，機器人需要準確感知球的位置、其他機器人的位置及場地的狀況。這對傳感器的選擇和數據處理的準確性提出了要求。對此，需要選擇合適的傳感器，如攝像頭、激光雷達等，進行環境感知和球員定位，同時開發準確的定位和跟蹤算法，以實現準確的感知和定位能力。

4.4" 系統集成和優化

足球機器人是由不同的部件和系統組成，包括電機、傳感器、控制器等。為了使機器人能夠順利運行并達到最佳表現，需要進行系統集成和優化，確保各部件能夠有效協同工作。對此，需要保證其能夠無縫協同工作，同時優化系統的結構和性能，以提高足球機器人的整體效果。

4.5" 通信和協作

足球機器人通常是在一個團隊中進行比賽，機器人之間需要進行良好的通信和協作。這需要機器人能夠交換信息、共享狀態、協商和執行合作策略，也需要開發對應算法。

5" 結論

基于SOM3.4.2平臺的iLoboke仿真足球機器人通過控制機構和圖像采集系統、SoccerPlanner3軟件、代碼編寫等步驟實現了機器人在仿真環境中進行足球運動。

1）仿真足球機器人的控制機構：通過電子、機電、計算機技術控制機器人行為的系統，包括感知、決策和執行等。

2）軟件SoccerPlanner3：用于調試和實現踢球、傳球等指令的模擬軟件，分為測試模式和比賽模式，可選擇不同的隊伍、更改人數和位置，并通過導入代碼使機器人實現仿真踢足球。

3）圖像采集系統：包括攝像頭、鏡頭、數據傳輸線和終端服務器，用于采集圖像信號。

4）系統調節步驟：①攝像機安裝，將2臺攝像機安置在場地上方的支架上，距離場地高度要求在3 m以上，支架建議具備多個自由度;②調整目標，確保每個攝像頭能清晰顯示對應半場的所有圖像信息，包括半場邊線、底線和中線，同時包含中線外至少一臺小車的距離;③代碼編寫和完善，利用vs和C++軟件編寫代碼，根據模擬情況進行修改和完善，通過定義傳球、射門、接球的參數實現機器人的運動。

5）比賽規則和約束條件：仿真比賽時的規則類似于實際比賽，需考慮約束條件，如禁止二次帶球、手球及直接從我方場地射門等情況。

本文將部分外界條件理想化，因為其對于整個比賽影響很小。基于SOM3.4.2的平臺，比賽的控制及代碼編寫和修改將不再復雜。所有機器人只有在特殊情況下，才需要人工的控制。隨著攝像機、電子、機電等控制系統的發展，足球機器人在將來能夠推動科技、娛樂、體育等行業的發展，以及變得更加智能化，與此同時扮演一個不可或缺的角色。

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基金項目：2023年沈陽城市建設學院機械工程學院交通運輸專業學生創新創業能力培養項目（10520230201）

通信作者：宋小艷（1982-），女，碩士，副教授。研究方向為汽車運用技術。