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智能體機(jī)器人足球比賽模擬系統(tǒng)*

0引言

【研究意義】機(jī)器人足球比賽研究是一個(gè)新的課題，訓(xùn)練和制造機(jī)器人進(jìn)行足球比賽是當(dāng)前人工智能和機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1-2]。足球機(jī)器人比賽系統(tǒng)的研究涉及領(lǐng)域廣泛，包括機(jī)械電子學(xué)、機(jī)器人學(xué)、傳感器信息融合、智能控制、通訊、計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能等。通過足球機(jī)器人的比賽，可以檢驗(yàn)上述領(lǐng)域中相關(guān)技術(shù)(算法)的優(yōu)劣，找出改進(jìn)的方向?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前的足球機(jī)器人比賽系統(tǒng)主要以實(shí)體機(jī)器人的形式進(jìn)行，如著名的RoboCup賽事。這種基于實(shí)體機(jī)器人的比賽系統(tǒng)，研究者需考慮機(jī)器人運(yùn)行各環(huán)節(jié)的所有問題，如動(dòng)力、轉(zhuǎn)向、算法、能量等，故比賽成本高、技術(shù)難度大，一般單個(gè)研究人員很難建立相應(yīng)的研究平臺(tái)[3]。【本研究切入點(diǎn)】用智能體(Agent)模擬實(shí)體機(jī)器人進(jìn)行足球比賽可以為實(shí)體機(jī)器人足球比賽的組織和算法提供參考，提高研究針對(duì)性，且該類報(bào)道鮮見。【擬解決的關(guān)鍵問題】以實(shí)體機(jī)器人的基本特性為基礎(chǔ)，將機(jī)器人足球比賽的控制算法建立在智能體上，建立一個(gè)模擬的智能體機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以解決實(shí)體機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)成本高、技術(shù)難度大的不足。

1智能體機(jī)器人特性及比賽規(guī)則

1.1特性

設(shè)計(jì)的智能體機(jī)器人與實(shí)體機(jī)器人(以下統(tǒng)稱為機(jī)器人)相似，主要的特性如下：

1)機(jī)器人比賽的初始位置已知。

2)機(jī)器人可以通過室內(nèi)定位系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)了解獲知隊(duì)友、對(duì)手、球門及球的位置。

3)機(jī)器人的避障能力和范圍相同。

4)機(jī)器人的運(yùn)行速度、踢球速度、射門球速、無球漫游速度可以在一定范圍內(nèi)變化。

5)機(jī)器人的反應(yīng)時(shí)間和狀態(tài)調(diào)整時(shí)間忽略不計(jì)。

6)機(jī)器人擁有將足球踢進(jìn)對(duì)方球門的意識(shí)，并將該意識(shí)作為機(jī)器人運(yùn)行的目的。

1.2比賽規(guī)則

1)機(jī)器人通過估算自身與球的距離，決策它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)某機(jī)器人為本方距離足球最近的機(jī)器人時(shí)，該機(jī)器人為本方控球機(jī)器人，控球機(jī)器人以快于漫游的速度向足球運(yùn)動(dòng)。

2)足球進(jìn)入機(jī)器人控制范圍時(shí)，機(jī)器人才可以踢球。

3)機(jī)器人每次踢球的目標(biāo)是踢進(jìn)對(duì)方球門，球的運(yùn)動(dòng)速度每次衰減5%。

4)當(dāng)有一隊(duì)進(jìn)球后，球隊(duì)陣型轉(zhuǎn)換為初始陣型，由失球的隊(duì)開球。

5)球場(chǎng)邊線采用立體式邊界，足球碰到除球門線以外的邊線被反彈回來，不設(shè)邊線球。

6)比賽采用定時(shí)器計(jì)時(shí)，在限定時(shí)間內(nèi)，進(jìn)球數(shù)多者贏得比賽的勝利。

7)比賽采用C/S模式，用戶通過客戶端設(shè)置比賽參數(shù)和每個(gè)機(jī)器人的特性并顯示比賽實(shí)況。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1測(cè)算球員運(yùn)動(dòng)方向及射門的速度和方向

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可以抽象為3種運(yùn)動(dòng)參數(shù)：運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度、踢球方向及速度。機(jī)器人的決策最終體現(xiàn)在這3種運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)算上。

2.1.1運(yùn)動(dòng)方向和速度的測(cè)算

由于機(jī)器人可通過室內(nèi)定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)獲得自身和足球的位置，機(jī)器人向足球的運(yùn)動(dòng)方向可由數(shù)學(xué)模型計(jì)算：

(1)

其中dx、dy分別為兩點(diǎn)之間的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)的差值。

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度取決于其當(dāng)前的位置和本身的特性，當(dāng)其為本方最接近足球的機(jī)器人時(shí)按其最快的速度(Vf)運(yùn)動(dòng),否則按最節(jié)約能量的漫游速度(Vn)向足球運(yùn)動(dòng)。本研究中，Vf、Vn的關(guān)系如下：

Vf=2Vn。

(2)

2.1.2踢球方向及速度的測(cè)算

由于機(jī)器人總有向?qū)Ψ角蜷T踢球的意念，只有賦予該意念才有運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力，但事實(shí)上意念與實(shí)際的效果往往存在一定的偏離，所以在本研究中需插入一個(gè)隨機(jī)的偏離值(η)，這使得比賽的過程和結(jié)果不可預(yù)測(cè)，增加比賽的懸念。綜上所述，設(shè)踢球方向(α)測(cè)算模型如下：

(3)

式中g(shù)x、gy分別為球門的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)位置，x、y分別為機(jī)器人的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)位置。

為使足球的運(yùn)行更接近真實(shí)的情況，給足球設(shè)定一個(gè)速度模型，該模型中足球的速度與機(jī)器人的射門能力、當(dāng)時(shí)的運(yùn)行速度有關(guān)，具體如下：

式中Sp為機(jī)器人的射門最高的速度，Sv為機(jī)器人接近球時(shí)的最快速度，n為一個(gè)隨機(jī)量。

2.1.3機(jī)器人與足球距離的測(cè)算

機(jī)器人與足球的距離是機(jī)器人實(shí)時(shí)測(cè)算的參數(shù)，計(jì)算頻度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，須盡量減少計(jì)算量。采用式(4)所示的數(shù)學(xué)模型：

ds=|Rx-Fx|+|Ry-Fy|，

(4)

其中Rx、Ry分別為機(jī)器人的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)位置，F(xiàn)x、Fy分別為足球的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)位置。該模型只有加減法運(yùn)算，沒有乘法和開方運(yùn)算，可極大減少計(jì)算時(shí)間。

2.2機(jī)器人避障和碰撞策略

機(jī)器人在比賽的過程中避碰是必須面對(duì)的難題，為保證不發(fā)生死鎖，使比賽正常運(yùn)行，要解決好相互間避碰的問題。現(xiàn)有的解決方法有遺傳算法[4]，微分對(duì)策方法[5]，人工勢(shì)場(chǎng)法、行為融合法等，但這些方法存在計(jì)算量過高、實(shí)時(shí)性差等不足。本研究采用方向輪詢法，以有效地減少計(jì)算量、提高實(shí)時(shí)性。方向輪詢法的主要思路如下：

1)首先判斷前方是否有其他機(jī)器人，若沒有則正常運(yùn)行；

2)若前方有其他足球機(jī)器人，即從機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)行的方向往左、往右兩個(gè)方向分別以一定的角度步長(zhǎng)掃描，直到掃描到的方向無障礙物時(shí)，選擇該方向?yàn)榍斑M(jìn)方向[6]。如圖1所示，圖中的虛線為掃描的方向，0，1，2，3,4,5為輪詢的順序， D1、D2分別為足球機(jī)器人1和2的運(yùn)動(dòng)方向。

圖1方向輪詢示意圖

Fig.1Direction turn query

機(jī)器人方向的掃描步長(zhǎng)越小，決策越合理、準(zhǔn)確，但計(jì)算量相對(duì)越大、實(shí)時(shí)性越差。為了使研究結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用更加接近，同時(shí)考慮運(yùn)行的計(jì)算量和實(shí)時(shí)性，本文設(shè)計(jì)掃描的步長(zhǎng)為5度。

2.3基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)比賽控制策略

為了使比賽更具有挑戰(zhàn)性，提高角色扮演者的參與熱情，系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，在服務(wù)器(Server)端進(jìn)行整個(gè)比賽系統(tǒng)的模擬、仿真，所有的決策算法都在服務(wù)器端運(yùn)行?？蛻舳?Client)為角色扮演者(用戶)參與比賽的平臺(tái)，用戶通過客戶端設(shè)置本方機(jī)器人隊(duì)伍的特性、陣型和參數(shù)，并通過客戶端觀察比賽的過程。特性包括機(jī)器人的最高運(yùn)行速度、漫游速度、射門能力等，陣型包括比賽起始陣型、守門員選擇等；客戶端還顯示比賽的實(shí)況畫面及比分，故在比賽過程中角色扮演者還可以實(shí)時(shí)調(diào)整每個(gè)機(jī)器人的特性，從而影響比賽的結(jié)果。

服務(wù)器與客戶端的通信采用.NET Remoting技術(shù)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。.NET Remoting技術(shù)利用遠(yuǎn)程對(duì)象的方式，使客戶端與服務(wù)器的通信抽象為一個(gè)對(duì)象的調(diào)用，屏蔽了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)編程中諸如偵聽、連接、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等繁瑣的技術(shù)細(xì)節(jié)，提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率。

圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fig.2System structure

3仿真實(shí)驗(yàn)

采用Microsoft Visual Studio 2008 for C#設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)，將足球機(jī)器人設(shè)計(jì)為多智能體Agent,客戶端作為另一個(gè)智能體(Agent)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信模擬比賽。為檢驗(yàn)系統(tǒng)的魯棒性，進(jìn)行多次獨(dú)立的仿真實(shí)驗(yàn)， 客戶端通過設(shè)置參數(shù)傳值給機(jī)器人開始比賽，仿真的過程如圖3所示，比賽參數(shù)設(shè)置仿真結(jié)果如表1所示。

圖3仿真比賽過程

Fig.3Simulation game process

表1仿真比賽結(jié)果

Table 1The results of simulation game

Agents數(shù)Agentamount時(shí)間Time(min)比賽總次數(shù)Totalsets黃隊(duì)與紅隊(duì)的比分Scorebetweenofyellowandred0∶01∶00∶11∶11∶20∶22∶02∶12∶22∶33∶20∶33∶01∶33∶1444777101010510205102051020101010101010101010100210101200022100001111000000011010210001202100002101010210110101010001010000200122101021011000111112101020021011011002110102110210020

從圖3和表1的仿真結(jié)果看出，設(shè)置不同的機(jī)器人人數(shù)，在同等時(shí)間下的比賽結(jié)果不同；不同的時(shí)間限制下，相同的機(jī)器人人數(shù)比賽結(jié)果也不同。由此可知，本系統(tǒng)可以通過設(shè)置機(jī)器人的參數(shù)來進(jìn)行仿真比賽，結(jié)果比較接近實(shí)際情況，可以為實(shí)體機(jī)器人比賽的研究提供參考。

4結(jié)束語

本文根據(jù)實(shí)體機(jī)器人的特點(diǎn)，用智能體(Agent)模擬實(shí)體機(jī)器人，設(shè)計(jì)一種智能體模擬足球比賽系統(tǒng)。該系統(tǒng)成本低，設(shè)計(jì)難度不高，且仿真結(jié)果比較接近實(shí)際情況。實(shí)際應(yīng)用中，可以將實(shí)體足球機(jī)器人的比賽策略先在智能體模擬機(jī)器人的比賽系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)后再應(yīng)用到實(shí)體機(jī)器人比賽中，從而提高研究效率，降低研究成本。

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(責(zé)任編輯：尹闖)

Agent Robot Soccer Simulation Game System

梁家海,陸麗丹

LIANG Jiahai,LU Lidan

(欽州學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，廣西欽州535000)

(College of Electronic and Information Engineering,Qinzhou University,Qinzhou,Guangxi,535000,China)

摘要：【目的】實(shí)體機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)成本高、技術(shù)難度大，而智能體(Agent)機(jī)器人模擬足球比賽系統(tǒng)可以為實(shí)體機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。【方法】根據(jù)實(shí)體機(jī)器人的特點(diǎn)，用智能體模擬實(shí)體機(jī)器人，將機(jī)器人足球比賽的控制算法建立在智能體上，對(duì)智能體設(shè)置運(yùn)動(dòng)速度、射門速度、能量、避碰等能力及意圖，再利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立一個(gè)多種影響參數(shù)的足球機(jī)器人比賽模擬系統(tǒng)?！窘Y(jié)果】該系統(tǒng)能有效按研究者設(shè)定的參數(shù)(條件)進(jìn)行比賽，比賽結(jié)果與實(shí)際基本相符?！窘Y(jié)論】智能體足球機(jī)器人比賽模擬系統(tǒng)不僅可以作為實(shí)體機(jī)器人足球比賽的模擬平臺(tái)，還可以作為實(shí)體機(jī)器人足球比賽策略和相關(guān)參數(shù)的研究平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：智能體機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)

Abstract:【Objective】Due to the high cost and technical difficulties of physical robot soccer game system,the agent robot simulation game system was proposed to provide reference for the organization and algorithms of robot soccer game.【Methods】According to the characteristics of the robot,a robot soccer tournament system was designed to solve the problems of robot soccer tournament platform. The study simulated real robot by agent. The control algorithm of robot soccer tournament was based on the agent. The motion speed,shooting speed,energy,collision avoidance capabilities and intentions on agent were used to establish a multi-robot soccer tournament under the impact parameter simulation system by network technology.【Results】Game results showed that the system could effectively stimulate the real tournament.【Conclusion】Robot soccer simulation game system is not only a platform for robot soccer simulation game,but also a solid impact assessment study of robot soccer competition strategy and related parameters.

Key words:agent,robot,soccer tournament,system

中圖分類號(hào)：TP181

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-7378(2016)01-0026-04

作者簡(jiǎn)介：梁家海(1968-)，男，碩士，教授，主要從事檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置、人工智能方面的研究。

收稿日期：2015-12-10

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先數(shù)字出版時(shí)間:2016-01-27

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先數(shù)字出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/45.1075.N.20160127.1616.016.html

*國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(201311607010)資助。