董伯云

(紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000)

0 引言

隨著人工智能的不斷發(fā)展，機(jī)器人的研究中心已由個(gè)體作業(yè)轉(zhuǎn)為聯(lián)合作業(yè)。而籃球是一項(xiàng)將全體隊(duì)員組織起來，采取相互配合發(fā)揮集體力量和注重團(tuán)隊(duì)整體協(xié)作的手段，爭取打敗對(duì)方的比賽。本文結(jié)合籃球協(xié)作戰(zhàn)術(shù)與多機(jī)器人聯(lián)系作業(yè)的特性與優(yōu)勢(shì)，將籃球比賽協(xié)作戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用于多采摘機(jī)器人聯(lián)合作業(yè)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)出了具有較高可靠性與穩(wěn)定性的采摘機(jī)器人編隊(duì)，對(duì)提高多機(jī)器人聯(lián)合作業(yè)效率提供了一種新手段。

1 籃球比賽協(xié)作戰(zhàn)術(shù)

籃球運(yùn)動(dòng)是1892年由美國史密斯博士發(fā)明的，迄今為止已達(dá)數(shù)百年，期間也經(jīng)歷了多次的創(chuàng)新和改革。目前，“桃子筐”已由最初的鐵籃變?yōu)楝F(xiàn)在的籃網(wǎng)，籃球也從簡單的一項(xiàng)室內(nèi)游戲成為全球性的偉大體育賽事。從籃球的發(fā)展來看，其戰(zhàn)術(shù)也經(jīng)歷了巨大發(fā)展，其包含傳切、突分、策應(yīng)和掩護(hù)等在內(nèi)的數(shù)十種，戰(zhàn)術(shù)創(chuàng)新決定了比賽是否能夠順利取得勝利。

籃球戰(zhàn)術(shù)創(chuàng)新不僅有在前面基礎(chǔ)上的發(fā)展創(chuàng)新，也有獨(dú)立的完全創(chuàng)新，而現(xiàn)在的戰(zhàn)術(shù)大多都是在前面優(yōu)秀的基礎(chǔ)上進(jìn)行的再創(chuàng)。再創(chuàng)是指教練在一些經(jīng)典戰(zhàn)術(shù)的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性的對(duì)其加以結(jié)構(gòu)、配合和速度的改變，使其適用范圍更廣。

1.1 籃球戰(zhàn)術(shù)體系的認(rèn)識(shí)與分類

在籃球比賽中，運(yùn)用最多的戰(zhàn)術(shù)是快攻、策應(yīng)和陣地進(jìn)攻等3種戰(zhàn)術(shù)。戰(zhàn)術(shù)類型的區(qū)別主要在于進(jìn)攻配合、時(shí)間的連續(xù)性以及不可逆，即戰(zhàn)術(shù)一般是嚴(yán)格遵循快攻→策應(yīng)→陣地進(jìn)攻等開展，不能出現(xiàn)逆序行為?；@球戰(zhàn)術(shù)進(jìn)攻順序如圖1所示。

圖1 籃球戰(zhàn)術(shù)進(jìn)攻順序

隨著籃球的不斷改革和發(fā)展，在比賽過程中，雙方隊(duì)員在半場(chǎng)甚至全場(chǎng)進(jìn)行球權(quán)爭奪大戰(zhàn)，需要在整個(gè)球場(chǎng)不斷使用各種戰(zhàn)術(shù)，雙方需考慮如何全面開展全場(chǎng)進(jìn)攻。因此，只是簡單地依靠圖1的3種簡單順序戰(zhàn)術(shù)進(jìn)攻攻防，很難在實(shí)際比賽中取得優(yōu)勢(shì)。例如，當(dāng)防守方運(yùn)用推進(jìn)收緊戰(zhàn)術(shù)，進(jìn)攻方首先應(yīng)該采用快攻，然后采用推進(jìn)攻到敵方三分球區(qū)，最后在敵方后場(chǎng)進(jìn)行策應(yīng)和陣地戰(zhàn)術(shù)將球投進(jìn)。策應(yīng)是指在進(jìn)攻端球員在對(duì)方全場(chǎng)防守或后場(chǎng)防守時(shí)，全隊(duì)協(xié)作將球帶入前場(chǎng)的配合戰(zhàn)術(shù)所以在激烈的籃球比賽中，將球從后場(chǎng)帶到前場(chǎng)，整個(gè)進(jìn)攻應(yīng)該加入推進(jìn)戰(zhàn)術(shù)，如圖2所示。

圖2 完善的進(jìn)攻戰(zhàn)術(shù)順序圖

當(dāng)進(jìn)攻方未能成功進(jìn)球得分，且未能搶得前場(chǎng)籃板球，其身份馬上轉(zhuǎn)變?yōu)榉朗胤?，因此?yīng)該馬上縮回后場(chǎng)三分線區(qū)進(jìn)行防守，防止對(duì)方快攻得分。防下快攻后，應(yīng)該快速采取落位、協(xié)防和配合戰(zhàn)術(shù)形成防守局勢(shì)，不給敵方采用策應(yīng)得分的機(jī)會(huì)，形成防守快攻、協(xié)防和配合防守的防守機(jī)制。進(jìn)攻轉(zhuǎn)防守的戰(zhàn)術(shù)順序如圖3所示。

圖3 進(jìn)攻轉(zhuǎn)防守的戰(zhàn)術(shù)順序

1.2 籃球戰(zhàn)術(shù)體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)籃球比賽的特性，籃球籃球戰(zhàn)術(shù)體系包含進(jìn)攻、爭搶球和防守三大結(jié)構(gòu)。其中，進(jìn)攻包括快攻、推進(jìn)、策應(yīng)和陣地4種爭搶球戰(zhàn)術(shù)；爭搶球包括跳球和爭搶球兩種爭搶球戰(zhàn)術(shù)；防守包括防守快攻、推進(jìn)戰(zhàn)術(shù)、協(xié)防和配合防守戰(zhàn)等4種戰(zhàn)術(shù)。在比賽中，進(jìn)攻配合和球員個(gè)體戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)是整個(gè)進(jìn)攻體系的基礎(chǔ)，防守配合和球員個(gè)體防守行動(dòng)是整個(gè)防守體系的基礎(chǔ)。籃球戰(zhàn)術(shù)體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 籃球戰(zhàn)術(shù)體系結(jié)構(gòu)圖

2 多采摘機(jī)器人任務(wù)分配算法

2.1 多采摘機(jī)器人系統(tǒng)行為描述

采摘機(jī)器人系統(tǒng)行為描述的成員對(duì)象和方法包含以下幾點(diǎn)：

1)多采摘機(jī)器人所在編隊(duì)的集合M={m1,m2,…,mn}，n表示機(jī)器人的數(shù)量。在實(shí)際作業(yè)中，采摘機(jī)器人一般以編隊(duì)的形式進(jìn)行操作，該編隊(duì)一般包括多個(gè)機(jī)器人。

2)作業(yè)區(qū)域周邊環(huán)境集合E={e1,e2,…,et}，t為時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

4)任務(wù)。多采摘機(jī)器人所有任務(wù)集合T={T1,T2,…,Tn}。

5)策略。機(jī)器人策略是指根據(jù)實(shí)際分配到任務(wù)，采取效率最大的方法進(jìn)行作業(yè)操作。

6)目標(biāo)。在多采摘機(jī)器人系統(tǒng)中，單個(gè)機(jī)器人都有自己的任務(wù)目標(biāo)，合起來整個(gè)系統(tǒng)也有一個(gè)整體目標(biāo)。

2.2 多采摘機(jī)器人任務(wù)分配算法

1)多采摘機(jī)器人任務(wù)能力描述。多采摘機(jī)器人集合為M={m1,m2,…,mn}，則個(gè)體的能力Ci為

(1)

其中，αij為機(jī)器人mi的能力強(qiáng)弱。

假設(shè)任務(wù)具有多種類型，那么l個(gè)異構(gòu)任務(wù)可以描述為

tk,1≤k≤l

(2)

對(duì)于任務(wù)tk，其對(duì)應(yīng)的能力描述為

(3)

其中，βij為采摘機(jī)器人完成tk需要Cj的強(qiáng)弱。

在整個(gè)任務(wù)分配算法中，最重要的是機(jī)器人Mi能否根據(jù)當(dāng)前作業(yè)流暢度、下一任務(wù)地點(diǎn)信息完成下一任務(wù)tk，則能力判斷表達(dá)式為

αij≥βij， 1≤j≤n

(4)

為了方便機(jī)器人結(jié)合自身能力對(duì)該任務(wù)進(jìn)行判斷，可將式(4)改寫為

(5)

對(duì)于機(jī)器人Mi和下一任務(wù)tk，如果存在

αij<βij

(6)

則說明機(jī)器人Mi不具備完成任務(wù)tk的能力，無法單獨(dú)完成該項(xiàng)任務(wù)，則可以描述為

(7)

2)多采摘機(jī)器人任務(wù)分配算法的實(shí)現(xiàn)。假設(shè)機(jī)器人編隊(duì)共包含4個(gè)采摘機(jī)器人，任務(wù)數(shù)目為10，考慮到機(jī)器人各自作業(yè)難度和區(qū)域的情況不一，則執(zhí)行一段時(shí)間后應(yīng)對(duì)機(jī)器人的能力進(jìn)行重新配置，如表1所示。而機(jī)器人是否按照要求完成所有的任務(wù)，完成任務(wù)的時(shí)間也是個(gè)主要要求；同時(shí)，在作業(yè)過程中，應(yīng)該充分考慮機(jī)器人行走路徑總成，最大程度的減少成本。

表1 采摘機(jī)器人能力配置值

在進(jìn)行任務(wù)分配的過程中，將所有任務(wù)的回報(bào)值reb設(shè)置為最大值MAX，那么機(jī)器人完成任務(wù)tk的代價(jià)為cons(ri1|tk)的方法有兩種：①F1：cons(ri1|tk)=dik；②F2：cons(ri1|tk)=dα*(ktask+kt)。

其中，dik為機(jī)器人從當(dāng)前位置到達(dá)指定任務(wù)tk需要的路程；dα為完成當(dāng)前任務(wù)和指定任務(wù)總共需要行走的路程；ktask和kt為權(quán)重系數(shù)，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

得到能力配置初始值及任務(wù)代價(jià)cons的方法后，便可以對(duì)任務(wù)實(shí)施分配，分配流程共有以下5步：

1)觀察作業(yè)區(qū)域環(huán)境狀態(tài)，即當(dāng)前機(jī)器人所處位置信息與任務(wù)完成情況，提取與任務(wù)相關(guān)的狀態(tài)；

2)計(jì)算任務(wù)代價(jià)cons，并選擇一個(gè)能力配置值最高的任務(wù)tk；

3)執(zhí)行任務(wù)tk；

4)更新新的能力配置值；

5)重復(fù)1)～4)，直至完成所有任務(wù)。

3 多采摘機(jī)器人聯(lián)合作業(yè)

3.1 多采摘機(jī)器人協(xié)作模式

多采摘機(jī)器人協(xié)作模式主要是對(duì)機(jī)器人之間的合作方式進(jìn)行規(guī)劃，包括集中規(guī)劃、分散規(guī)劃和分散集中3種模式。

1)集中規(guī)劃模式：系統(tǒng)帶有一個(gè)具有全局規(guī)劃的后臺(tái)運(yùn)行程序，使用該系統(tǒng)可以進(jìn)行作業(yè)任務(wù)的全局控制，實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人之間的任務(wù)分配和路徑規(guī)劃，而機(jī)器人只需根據(jù)指令執(zhí)行作業(yè)。

2)分散規(guī)劃模式：沒有集中規(guī)劃的后臺(tái)，而是每個(gè)采摘機(jī)器人根據(jù)自身情況指定采摘任務(wù)，即所有控制分散處理，大大提高了機(jī)器人作業(yè)的靈活性。

3)分散集中規(guī)劃模式：該模式首先由采摘機(jī)器人個(gè)體規(guī)劃自己的任務(wù)和行走路徑，并將規(guī)劃提交給后臺(tái)主控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)者根據(jù)各機(jī)器人的規(guī)劃進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

分散集中規(guī)劃模式具有復(fù)雜度低和效率高的特點(diǎn)，適用與具有一定組織結(jié)構(gòu)和協(xié)作能力較高的群體，因此本文采用該模式開展協(xié)作作業(yè)。

3.2 搭建多采摘機(jī)器人聯(lián)合作業(yè)模型

本文利用分散集中規(guī)劃的優(yōu)勢(shì)，并將該模式運(yùn)用與多采摘機(jī)器人聯(lián)合作業(yè)系統(tǒng)中，并設(shè)計(jì)和建立了多采摘機(jī)器人聯(lián)合作業(yè)的體系和模型。多采摘機(jī)器人聯(lián)合作業(yè)體系和模型分別如圖5和圖6所示。

如圖5所示：系統(tǒng)聯(lián)合作業(yè)體系結(jié)構(gòu)主要包括通訊、信息融合、感知、規(guī)劃和命令發(fā)出5個(gè)層次。其中，通訊層負(fù)責(zé)各采摘機(jī)器人與后臺(tái)總控制器的信息交互；信息融合層負(fù)責(zé)解析所有信息，并將解析的數(shù)據(jù)放入信息庫；感知層負(fù)責(zé)獲取各機(jī)器人周邊環(huán)境信息；規(guī)劃層負(fù)責(zé)整合各機(jī)器人提交的任務(wù)規(guī)劃，并進(jìn)行適當(dāng)修改；命令發(fā)出層負(fù)責(zé)根據(jù)給4個(gè)機(jī)器人發(fā)出指令，讓機(jī)器人根據(jù)環(huán)境情況修正作業(yè)。

如圖6所示：多機(jī)器人聯(lián)合作業(yè)模型執(zhí)行任務(wù)順序是發(fā)布協(xié)作任務(wù)→建立任務(wù)分配算法→機(jī)器人自主分配任務(wù)→判斷是否達(dá)到協(xié)作要求→執(zhí)行并完成任務(wù)等，這一協(xié)作流程符合采摘機(jī)器人在時(shí)間、地點(diǎn)不確定的田間進(jìn)行作業(yè)的要求。

圖5 多采摘機(jī)器人聯(lián)合作業(yè)體系結(jié)構(gòu)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證該多采摘機(jī)器人聯(lián)合作業(yè)的能力與效率，本文利用QT 5.7對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了仿真平臺(tái)。仿真平臺(tái)采用第3章中所述任務(wù)分配算法，多采摘機(jī)器人協(xié)作采用分散集中模式。在仿真過程中，采摘機(jī)器人編隊(duì)包含4個(gè)機(jī)器人，待采摘作業(yè)的區(qū)域共有27塊，如圖7所示。

經(jīng)過各機(jī)器人自主分配任務(wù)后，總控制臺(tái)對(duì)其進(jìn)行了微調(diào)：機(jī)器人M1從第1號(hào)區(qū)域開始作業(yè)，機(jī)器人M2從第5號(hào)區(qū)域開始作業(yè)，機(jī)器人M3從第16號(hào)區(qū)域開始作業(yè)，機(jī)器人M4從第25號(hào)區(qū)域開始作業(yè)，其中作業(yè)區(qū)域及路徑規(guī)劃為

M1：1→2→4→3→8→9→10

M2：5→11→21→12→6→7→13

M3：16→20→19→15→14→18→17

M4：25→27→26→24→23→22

根據(jù)以上規(guī)劃，各機(jī)器人在最短的時(shí)間內(nèi)完成了聯(lián)合作業(yè)要求，在作業(yè)過程中，各機(jī)器人行駛路徑最短，效率最高。因此，將籃球比賽協(xié)作戰(zhàn)術(shù)的任務(wù)分配算法與分散集中的控制模式相結(jié)合的方法，使得多采摘機(jī)器人聯(lián)合作業(yè)達(dá)到了比較好的結(jié)果，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖7 仿真測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

針對(duì)采摘機(jī)器人編隊(duì)在作業(yè)過程中任務(wù)分配困難及執(zhí)行效率較低的問題，將籃球比賽協(xié)作戰(zhàn)術(shù)的任務(wù)分配算法與分散集中的控制模式相結(jié)合，運(yùn)用于多采摘機(jī)器人聯(lián)合作業(yè)系統(tǒng)中，并利用QT 5.7進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：各機(jī)器人在最短的時(shí)間內(nèi)完成了聯(lián)合作業(yè)要求，在作業(yè)過程中，各機(jī)器人行駛路徑最短，效率最高。

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