基于動(dòng)態(tài)碰撞時(shí)間預(yù)測(cè)的機(jī)器人區(qū)域射門(mén)算法

張秋實(shí)，張?zhí)旌剑瑥堄隄桑瑓?陽(yáng)，黃冰冰

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林吉林132012)

機(jī)器人足球融合了實(shí)時(shí)視覺(jué)系統(tǒng)、機(jī)器人控制、無(wú)線通訊、多機(jī)器人控制等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)［1］，已成為研究多智能體系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［2，3］。機(jī)器人足球賽是在一個(gè)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的環(huán)境中進(jìn)行的［4］，射門(mén)成功率無(wú)疑是決定一支球隊(duì)實(shí)力的關(guān)鍵因素，引起越來(lái)越多學(xué)者的重視［5］。

提高射門(mén)成功率的方法有很多，最受學(xué)者們關(guān)注的是人工智能算法和曲線擬合算法。由于仿真機(jī)器人足球比賽平臺(tái)時(shí)間響應(yīng)快，實(shí)時(shí)性要求高，人工智能算法的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)無(wú)法充分體現(xiàn)。所以，各參賽隊(duì)多使用曲線擬合算法規(guī)劃射門(mén)路徑。文獻(xiàn)［6-12］構(gòu)造了不同的擬合曲線，在射門(mén)曲線的速度性、準(zhǔn)確性、連慣性以及避障和死角射門(mén)等方面進(jìn)行了深入研究，一定程度上提高了機(jī)器人一次射門(mén)成功率。

隨著團(tuán)隊(duì)防守層次的不斷優(yōu)化和守門(mén)員防守質(zhì)量的不斷提高，一次射門(mén)效率受到了很大的限制。為此本文提出一種基于動(dòng)態(tài)碰撞時(shí)間預(yù)測(cè)的區(qū)域射門(mén)算法，在保證一次射門(mén)成功率的前提下，嘗試著提高二次射門(mén)成功率，進(jìn)而提高射門(mén)效率。該算法在運(yùn)動(dòng)中預(yù)測(cè)機(jī)器人與球碰撞發(fā)生的時(shí)間、碰撞區(qū)域以及對(duì)方守門(mén)員站位趨勢(shì)，根據(jù)對(duì)方守門(mén)員的站位趨勢(shì)來(lái)設(shè)計(jì)死角射門(mén)動(dòng)作。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用此方法改進(jìn)射門(mén)動(dòng)作后，射門(mén)的成功率和比賽的進(jìn)球數(shù)明顯提高。

圖1 射門(mén)區(qū)域

1 射門(mén)條件判斷

比賽中，機(jī)器人和球的位姿時(shí)刻在變化，只有滿足特定關(guān)系時(shí)才具備射門(mén)條件。本文將射門(mén)機(jī)器人和球的運(yùn)動(dòng)方向、碰撞位置和預(yù)測(cè)碰撞時(shí)間作為約束，判斷是否具備射門(mén)條件。

(1)運(yùn)動(dòng)方向約束:機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向與球運(yùn)動(dòng)方向必須有交點(diǎn)，且交點(diǎn)在球場(chǎng)之內(nèi)。

(2)碰撞位置約束:球經(jīng)過(guò)s個(gè)周期運(yùn)動(dòng)后必須達(dá)到射門(mén)區(qū)域(如圖1陰影區(qū)域)。(3)預(yù)測(cè)時(shí)間約束:保證機(jī)器人和球經(jīng)過(guò)s個(gè)周期后相碰撞。

如果同時(shí)滿足上述三個(gè)約束條件，就認(rèn)定該機(jī)器人滿足射門(mén)條件。

2 射門(mén)算法

2.1 基本思想

比賽中滿足射門(mén)條件的態(tài)勢(shì)主要分為三種情況:

情況1:機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向與球運(yùn)動(dòng)方向交點(diǎn)位于射門(mén)區(qū)域內(nèi)，如圖2(a)。

這是最簡(jiǎn)單的一種態(tài)勢(shì)，只需實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)小球運(yùn)動(dòng)到G點(diǎn)所用的時(shí)間——碰撞周期。通過(guò)碰撞周期控制機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)的速度，保證在最短時(shí)間內(nèi)用最高速度撞擊小球，完成射門(mén)。

情況2:機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向與球運(yùn)動(dòng)方向交點(diǎn)位于射門(mén)區(qū)域上側(cè)，如圖2(b)。

當(dāng)交點(diǎn)G位于射門(mén)區(qū)域上側(cè)時(shí)，本文將小球運(yùn)動(dòng)方向與射門(mén)區(qū)域上邊界交點(diǎn)G'點(diǎn)視為機(jī)器人與小球的碰撞點(diǎn)。機(jī)器人通過(guò)曲線運(yùn)動(dòng)調(diào)整運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度，使其運(yùn)動(dòng)方向?qū)?zhǔn)G_Top點(diǎn)(死角)，此時(shí)碰撞點(diǎn)G點(diǎn)與G'點(diǎn)重合。接下來(lái)直線射門(mén)同情況1。

情況3:機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向與球運(yùn)動(dòng)方向交點(diǎn)位于射門(mén)區(qū)域下側(cè)，如圖2(c)。

當(dāng)交點(diǎn)G位于射門(mén)區(qū)域下側(cè)時(shí)，將小球運(yùn)動(dòng)方向與射門(mén)區(qū)域下邊界交點(diǎn)視為機(jī)器人與小球的碰撞點(diǎn)。射門(mén)曲線同情況2。

圖2 射門(mén)態(tài)勢(shì)

2.2 射門(mén)算法優(yōu)化

假設(shè)碰撞點(diǎn)在大禁內(nèi)或大禁區(qū)前沿，如果預(yù)測(cè)對(duì)方守門(mén)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)為快速封堵G_Top點(diǎn)或G_bottom點(diǎn)，主攻機(jī)器人強(qiáng)行射門(mén)不但不能得分還容易造成犯規(guī)(門(mén)區(qū)內(nèi)進(jìn)攻方機(jī)器人碰到守門(mén)員和門(mén)區(qū)內(nèi)進(jìn)攻機(jī)器人數(shù)大于1個(gè)均視為犯規(guī))，使球權(quán)易主。為了確保射門(mén)效率，本文將射門(mén)動(dòng)作進(jìn)行了優(yōu)化，即實(shí)施遠(yuǎn)門(mén)柱射門(mén)策略。在機(jī)器人與小球碰撞瞬間，用原地高速旋轉(zhuǎn)碰撞代替高速直線碰撞，將小球射向遠(yuǎn)門(mén)柱(如圖3)。即使推射遠(yuǎn)角效果不理想，球被守門(mén)員撲出，小球的反彈大致方向如圖4。此時(shí)，助攻機(jī)器人滿足射門(mén)條件，可用本文算法實(shí)施二次射門(mén)。遠(yuǎn)門(mén)柱射門(mén)策略不僅可以增加進(jìn)球幾率，其戰(zhàn)略意義更大。一是可有效避免沖撞守門(mén)員犯規(guī)，二是將主攻機(jī)器人控制在門(mén)區(qū)外，給助攻機(jī)器人補(bǔ)射創(chuàng)造條件。

如果碰撞點(diǎn)G離大禁區(qū)較遠(yuǎn)，射門(mén)路徑中有對(duì)方機(jī)器人攔截，可利用本文射門(mén)算法進(jìn)行傳接球策略設(shè)計(jì)。

圖3 推射遠(yuǎn)角

圖4 二次射門(mén)

圖5 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

2.3 動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃

機(jī)器人的射門(mén)路徑規(guī)劃可分解為機(jī)器人先作曲線運(yùn)動(dòng)(VR≠VL)消除角度偏差，當(dāng)運(yùn)動(dòng)方向指向G_Top點(diǎn)(下邊為G_Bottom點(diǎn))時(shí)再做直線運(yùn)動(dòng)(VR=VL)射門(mén)。消除角度偏差可通過(guò)改變機(jī)器人的左右輪速來(lái)實(shí)現(xiàn)。輪式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖5所示。

機(jī)器轉(zhuǎn)向半徑:

碰撞時(shí)間:

機(jī)器人速度:

機(jī)器人轉(zhuǎn)向角速度:

由公式(1)(2)(3)(4)可解得:

式中:Vball是小球速度，L是機(jī)器人邊長(zhǎng)，Δθ是機(jī)器運(yùn)動(dòng)方向與期望射門(mén)方向的夾角，Dis_B_G是小球與G'點(diǎn)的距離，Dis_R_G是機(jī)器人與G點(diǎn)的距離。

公式(5)、(6)主要用來(lái)消除角度偏差，可看出，當(dāng)角度偏差Δθ=0時(shí)，VR=VL。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

仿真試驗(yàn)使用FIRA SimuroSot 5Vs5標(biāo)準(zhǔn)仿真比賽平臺(tái)，如圖6所示。針對(duì)快速、動(dòng)態(tài)的比賽過(guò)程，用VC++編寫(xiě)算法，進(jìn)行射門(mén)仿真試驗(yàn)。藍(lán)方為防守方，0號(hào)機(jī)器人為守門(mén)員，1號(hào)機(jī)器人為專(zhuān)職防守隊(duì)員。黃方為進(jìn)攻方，0號(hào)機(jī)器人為守門(mén)員，1、2號(hào)機(jī)器人中優(yōu)先級(jí)高的機(jī)器人負(fù)責(zé)射門(mén)，優(yōu)先級(jí)低的機(jī)器人跑位，準(zhǔn)備補(bǔ)射。進(jìn)攻方分別使用本文算法、Bézier曲線、切入圓軌跡、動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)圓算法進(jìn)行射門(mén)，每種算法射門(mén)試驗(yàn)500次，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖6 PIRA SimuroSot 5Vs5仿真比較平臺(tái)

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1中不難看出，本文射門(mén)算法與幾種經(jīng)典曲線擬合算法相比，一次射門(mén)成功率相差不大，但二次射門(mén)成功率明顯提高。且對(duì)方守門(mén)員防守質(zhì)量越高，本算法的優(yōu)勢(shì)越大。

4 結(jié) 論

本文射門(mén)算法充分考慮了機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)，并能保證到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的速度和方向。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)角度與期望射門(mén)角度一致時(shí)，機(jī)器人最后擊球完成射門(mén)。射門(mén)曲線簡(jiǎn)單，路程短，與直線射門(mén)路徑過(guò)渡平滑，能滿足準(zhǔn)確性、速度性和連慣性的要求。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該算法大大提高球隊(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境下的進(jìn)球效率。此外，該算法還可用作攔截球和多機(jī)器人傳接配合。

［1］Kim J H，Kim H S，Jung M J，et al.A cooperative multi-agent system and its real time application to robot soccer［A］.Proc of IEEE Conf on Robotics and Automation［C］.New Mexico:Albuquerque，1997:638 -643.

［2］Kim J H.Third call for participation micro-robot world cup soccer tournament 1996(MiroSot’96)［EB/OL］.http://vivald.i kaist.ac.kr.

［3］Asada M，Kitano H.The RoboCup challenge［J］.Robotics and Autonomous System，1999，29(1):3 - 12.

［4］Stone P.Layered learning in multi-agent systems［D］.Pittsburgh:Carnegie Mellon University，1998.

［5］Harvey J，Cheng C.High-level design of a MIROSOT simulator［A］.Proc of the Micro-Robot World Soccer Tournament［C］.Taejon:KAIST，1996:87-89.

［6］劉宏志.一種改進(jìn)的射門(mén)算法［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，36(7):975-977.

［7］臧軍旗，趙臣，崔煒，等.基于區(qū)域和切圓弧的足球機(jī)器人射門(mén)動(dòng)作研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，37(7):950-952.

［8］郭路生，楊林權(quán)，呂維先.基于Bézier曲線的機(jī)器人足球射門(mén)算法［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，37(7):921-923.

［9］王月海，董天禎，洪炳镕.基于動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)圓的機(jī)器人足球射門(mén)算法研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，37(7):953-955.

［10］柳在鑫，王進(jìn)戈，朱維兵.足球機(jī)器人的雙圓弧射門(mén)算法研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，41(11):1326-1329.

［11］柳在鑫，王進(jìn)戈，王強(qiáng)，朱維兵，張均富.利用漸開(kāi)線的足球機(jī)器人射門(mén)算法研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，43(1):96-98.

［12］宋大雷，孟憲強(qiáng)，宋朝暉，申文卿.基于動(dòng)態(tài)橢圓曲線的足球機(jī)器人射門(mén)路徑規(guī)劃算法［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，29(6):1544-1546.