集控式足球机器人决策与控制系统设计与开发

文章编号:100220446(2005)0520431205

集控式足球机器人决策与控制系统设计与开发3

薛方正1,徐心和2,冯挺2

(1.重庆大学自动化学院,重庆　400044;　2.东北大学人工智能与机器人研究所,辽宁沈阳　110004)

摘　要:构建了由视觉子系统、决策子系统、无线通信子系统、机器人小车子系统和总控子系统组成的集控式足球机器人系统.总结了具有集中视觉、决策与控制的集控式足球机器人系统的控制问题.设计了基于分层递阶控制结构的足球机器人决策子系统.小车控制器构成“无脑”的执行器,运动控制器中集成了各种各样的动作函数,组织层则融合了不同的决策方案.长期的开发实践和实战成绩都表明,该系统具有良好的结构和优异的性能.

关键词:机器人足球;决策;分层递阶控制;推理模型;反应式策略

中图分类号:　TP24 文献标识码:　B

D esi gn and D evelopm en t of the D ec isi on2mak i n g and

Con trol Syste m of Cen tra li zed Soccer Robot

XUE Fang2zheng1,XU Xin2he2,FENG Ting2

(1.School of Auto m ation,Chongqing U niversity,Chongqing400044,China;

2.Institute of A I&Robotics,N ortheastern U niversity,Shenyang110004,China)

　Abstract:A centralized s occer r obot syste m composed of such subsyste m s as visi on,decisi on2making,wireless communi2 cati on,r obot car and cons ole is constructed.This paper su mmarizes the contr ol p r oble m s of the centralized s occer r obot sys2 te m with central visi on,decisi on2making and contr ol syste m,and designs a s occer r obot decisi on2making subsyste m based on the hierarchical contr ol structure.The r obot car contr oller is a“brainless”execut or,the moti on contr oller includes all kinds of acti on functi ons,and different decisi on sche mes are collected in the organizing level.Longti m e devel opment p rac2 tices and competiti on achieve ments p r ove that the system has good structure and high perf or mance.

　Keywords:r obot s occer;decisi on2making;multilevel hierarchical contr ol;reas oning model;reactive strategy

1　引言(I n troducti on)

集控式足球机器人[1]是指具有集中视觉和统一决策的足球机器人系统,如F I RA的M ir oSot和N ir o2 Sot比赛,RoboCup的小型组(F2180)比赛.每个球队有3～11个机器人不等(因比赛项目而异),但是作为机器人的眼睛(视觉),全队只有一个,高挂在球场上方,通常由CCD摄像头采集图像,并由主计算机统一进行图像处理和识别.每当识别出本队(或双方)球员和球的位置与朝向之后,或将检测信息发送给本方球员(F2180),或交给主机上的决策子系统进行决策(M ir oSot,N ir oSot,F2180).由于视觉功能的统一实现,也由于视觉获得信息比较完整(如果视觉系统设计与临场调试得当),给统一决策带来极大的方便.尽管每个球队都有多个机器人小车,但将此类系统称之为多机器人系统或多智能体系统(multi2agent syste m)却比较勉强,因为它们只具有同一个眼睛和大脑.很显然,此类机器人足球系统相对于其它类型,比如自主机器人(F I RA:RoboSot,RoboCup:F2 2000每个机器人都有自己的眼睛和大脑)与人形机器人(F I RA:Hur oSot,RoboCup:Humanoid既要直立行走,又要独立感知),结构简单,容易开发.所以集控式机器人足球开展得最为普及.

集控式足球机器人一般由5个子系统组成,即视觉子系统、决策子系统、无线通信子系统、机器人小车子系统和总控子系统,如图1所示.许多文献

　第27卷第5期　2005年9月机器人　ROBO T Vol.27,No.5

　Sep t.,2005

3基金项目:国家863计划资助项目(2001AA422270).

收稿日期:2004-09-16

中没有将总控子系统独立出来(其功能多包括在视

觉子系统当中),这不利于系统的模块化开发和多种视觉模块的置换

.

图1　集控式足球机器人系统构成

Fig .1　Structure of centralized s occer r obot syste m

总控子系统处于系统的最高层,它的任务是负责系统初始化、创建数据交换缓冲区、任务调度、时间分配、系统卸载等过程处理.它相当于一个程序容器(container ),内部包容了多个子系统.对于总控子系统来讲,其内部各子系统的地位是平等的.总控子系统的功能与机器人软件系统的整体结构有很大的关系.

由于足球机器人的一大难点———机器视觉———可以集中解决(或购入),也由于通信、小车和总控子系统的功能单一且无需智能,研究与开发足球机器人的最大魅力便体现在决策子系统,亦即决策与控制任务的实现.它将体现教练完全个性化的策略安排与球员独特的动作行为.

通常足球机器人的决策与控制系统(以下简称决策子系统)的任务便是根据视觉子系统的辨识结果:场上实体(机器人与球)的位姿(位置x 2y 与朝向θ),决定本方各机器人的左右轮速度,以便各机器人走出期望的轨迹,实现理想的配合,在双方激烈的竞争中,将球踢进对方球门,而力争我方不失球.如果将视觉子系统送来的位姿信息用(m +1)×3矩阵I 表示(m 为识别机器人个数),而将决策子系统发出的轮速信息用n ×2矩阵O 表示(n 为我方机器人个数),那可以将决策子系统的开发形式化为设计如下函数关系:

O =f (I )

(1)

不难看出,方程(1)具有如下特征:

1)描述的应是一个动态过程,而不应该为一个

静态过程;

2)没有唯一解,因为决策过程是丰富多彩和不

断发展的;

3)无法给出解析解,因为除了部分演绎推理之

外,更多的函数关系表现为规则知识和产生式推理;

4)求解复杂而困难,因为在人类的足球活动中,

形象思维占有很大比例,而形象思维如何描述和抽象还是当今没有很好解决的难题.

本文便是结合我们多年的研究与实践,对于足球机器人决策与控制系统的设计与开发给出的系统总结.在接续的各节中,将分别阐述智能机器人的分层递阶控制结构,介绍执行层、协调层、组织层的设计内容,以及当前应该关注的热点研究问题.

2　智能机器人的分层递阶控制结构(M ulti 2

level h i erarch i ca l arch itecture of i n telli 2gen t robots)

由于机器人是通过多个关节的协调动作而使其效应器(effect or )实现或期望轨迹,或期望位姿、速度、加速度,或期望的能力特性,因此分层递阶控制结构是比较适合的.一般智能机器人具有三层(级)结构

[2]

,即组织层、协调层、执行层.

组织层代表控制系统的主导思想,由人工智能起控制作用.它作为推理机的规则发生器,处理高层

信息,用于机器推理、规划、决策、学习(反馈)和记忆操作,以给出最佳的任务序列.

协调层是上下级间的接口,承上启下,该层采用的研究方法通常属于运筹学领域.协调层由一定数量的具有固定结构的协调器组成,每个协调器都具有某些指定的功能.

执行层是递阶智能控制的最底层,要求具有较高的精度和较低的智能,它按控制论进行控制,对相关过程执行适当的控制作用.

对于集控式足球机器人系统也是采取上述的分层递阶结构.组织层分析场上的态势,确定我方的基本对策与队形,进行角色分配.协调层确定各机器人的目标位置和行为,并将其分解为各关节的指令,即每个机器人小车的左右轮速度与位移.执行层则根据协调层给出的指令控制小车的左右轮转速,使其运动结果实现预期目标.如果出现偏差,下一层的状态还可以直接反馈到上一层,以便影响和修正上一层的结果.

234 机　器　人2005年9月