基于分布式網(wǎng)絡的足球仿真平臺設計

（西安體育學院,西安,710068）

基于分布式網(wǎng)絡的足球仿真平臺設計

黑曉虎

（西安體育學院,西安,710068）

本課題將分布式網(wǎng)絡技術(shù)和機器人足球比賽有機結(jié)合在一起，采用模塊化思想，設計了一種基于分布式網(wǎng)絡的足球仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過仿真接口將仿真平臺與機器人系統(tǒng)有機結(jié)合，最終構(gòu)建了運動仿真、智能裁判、自動歸位、策略及其三維顯示等幾大模型。

分布式網(wǎng)絡；機器人；足球仿真系統(tǒng)

1 分布式網(wǎng)絡仿真技術(shù)的概述

分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)由具有多個終端節(jié)點機互連而成。任意一點的連接至少有兩條線路，即使其中一條線路產(chǎn)生故障，通訊任務也可以交由另一條線路完成。利用專用物理效應設備和計算機等工具模擬真實的環(huán)境，在設計的系統(tǒng)模型中進行動態(tài)實驗研究。系統(tǒng)仿真技術(shù)被廣泛應用于航空、航天、交通、生態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)濟、國防等多種領域，它可以應用于科技產(chǎn)品的論證、設計、生產(chǎn)實驗等階段。

2 分布式網(wǎng)絡的足球仿真平臺的總體設計

分布式網(wǎng)絡的足球仿真平臺是由分布式模型仿真系統(tǒng)以及運行在該仿真系統(tǒng)上的關(guān)鍵模型兩大組件構(gòu)成。

2.1 分布式網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)

該分布式網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)一系列API和輔助工具來協(xié)助完成模型的創(chuàng)建、模型的連接、模型的執(zhí)行工作的開展，并且還可以集成網(wǎng)絡的收發(fā)功能。該系統(tǒng)不用網(wǎng)絡消息收發(fā)、對線程和鎖的處理，只需要定義算法和接口，這種工作方式可以提高模型的開發(fā)效率。分布式仿真系統(tǒng)的構(gòu)成包括以下幾部分：

（1）仿真服務節(jié)點

仿真服務節(jié)點可以負責收集其他節(jié)點的數(shù)據(jù)，這種工作方式可以將仿真服務集群中的所有信息共享給連入系統(tǒng)的客戶端。它還可以存儲管理模型，可以將模型保存、刪除，在收到計算機的任務信號時開啟執(zhí)行器。

（2）模型的開發(fā)接口

可以提供一系列函數(shù)和標準以此來開發(fā)模型，從模型開發(fā)接口SDK繼承自己的模型，以此來進行模型的開發(fā)。

（3）模型執(zhí)行器

將模型層次關(guān)系進行加載和分解，產(chǎn)生一組有向的基本模型圖，形成一組有向的基本模型圖，完成以上加載工作之后根據(jù)模型依賴關(guān)系，將輸入、控制接口數(shù)據(jù)接收，并依次執(zhí)行每個模型，將其結(jié)果傳輸?shù)较乱粋€節(jié)點的執(zhí)行器。

（4）模型組裝工具

瀏覽模型的列表，采用拖拽、連線兩種方式將模型組合起來，在執(zhí)行命令的調(diào)動下讓仿真計算節(jié)點調(diào)用執(zhí)行器，以此來執(zhí)行組合好的模型。

2.2 機器人足球仿真平臺的模型

運行在仿真系統(tǒng)上的關(guān)鍵模型指的是機器人足球仿真平臺上構(gòu)建的模型，該設計對這些模型做了詳細介紹：

（1）物理仿真模型

該模型主要負責機器人環(huán)境的物理計算工作，對構(gòu)建好的機器人和球物理結(jié)構(gòu)進行碰撞檢測、剛體動力學仿真、位置反饋的處理。

（2）自動裁判模型

自動裁判模型主要負責的工作是判斷比賽過程中是否存在犯規(guī)現(xiàn)象，并將當前比賽所處的狀態(tài)通知給其他其他模型。

（3）自動歸位模型

當系統(tǒng)出現(xiàn)違規(guī)現(xiàn)象時，自動歸位模型就會采取相應的措施。在比賽出現(xiàn)違規(guī)現(xiàn)象時，自動歸位模型會依據(jù)規(guī)則處罰犯規(guī)的“運動員”并且還會重新設置“運動員”的位置，根據(jù)策略模型提供機器人的站位信息來糾正違規(guī)占位現(xiàn)象。

（4）策略模型

策略模型為參賽隊員的編程設計出相應的接口，這些接口能夠接收物理模型、裁判模型所提供的賽場信息，并且該程序還設計了“運動員”轉(zhuǎn)角、跑定點、守門、射門等簡單基本的足球比賽動作。策略模型是系統(tǒng)的執(zhí)行核心，并且是具備網(wǎng)絡功能的模型。

（5）可視化模型

可視化模型接收比賽場地傳達來的信息，將這些信息整合并用三維重現(xiàn)顯示比賽過程，將其投影到大屏幕上，其顯示效果逼真，具有很好的欣賞價值。將物理、自動裁判、自動歸位模型用動態(tài)鏈接庫（DLL）的形式呈現(xiàn)出來，并上傳到仿真服務節(jié)點，將上傳上來的信息用執(zhí)行器組件加載后相應的模型才能被執(zhí)行；策略模型和可視化模型這種可執(zhí)行程序（EXE）形式模型可以直接在本地執(zhí)行，并通過網(wǎng)絡連入計算服務相應的節(jié)點與其他模型協(xié)同運行。

3 分布式模型仿真系統(tǒng)的模型設計

采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準、結(jié)構(gòu)、協(xié)議以及數(shù)據(jù)庫來設計構(gòu)建分布式仿真模型，利用廣域網(wǎng)或者是局域網(wǎng)連接各個仿真計算節(jié)點，各節(jié)點通信互通。計算機網(wǎng)絡可以將分散在不同地域的仿真計算節(jié)點連接起來，使相對獨立的各類節(jié)點互聯(lián)以此來構(gòu)成一個規(guī)模大、參與者多的綜合虛擬環(huán)境。該課題詳細論述了系統(tǒng)自動裁判及自動歸位模型的設計：

3.1 自動裁判的模型設計

該系統(tǒng)的所仿真的比賽速度比正常比賽要快很多，用人工裁判無法準確快速的裁判比賽結(jié)果。自動裁判模型的設計滿足了以上系統(tǒng)要求，該系統(tǒng)是根據(jù)機器人的位置進行智能化裁判。該模型可以對足球比賽進行進行態(tài)勢評估，得到比賽評估結(jié)果，根據(jù)比賽規(guī)以及場地的現(xiàn)場狀況進行判罰。

（1）比賽態(tài)勢評估模塊

足球比賽雙方各有11名隊員，比賽分上下兩場個為5分鐘，將球射入對方球門次數(shù)多者得勝。在比賽過程中要進行比賽態(tài)勢分析，結(jié)合球的位置、方向、比賽當前比分、比賽剩余時間、控球率五個方面進行綜合分析。態(tài)勢分析模塊會將大量密集、散亂的信息進行預處理，從這些信息中提出影響比賽勝負或扭轉(zhuǎn)局勢的相關(guān)信息，該模塊的信息可以給智能決策模塊提供相應的輔助決策信息。

假設某一隊賽場形勢為FS{優(yōu)勢，劣勢}、比賽剩余時間為TS{比賽初始，比賽中間，比賽末尾} 、當前兩隊比分狀況為SC {比分領先，比分持平，比分落后}、某一隊的控球率為BR{我方控球，對方控球}、當前球的位置為BP{近，中間，遠}、當前球的方向為BD{準，較準，不準}、雙方機器人位置RR{近，中間，遠}，各態(tài)勢元素的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 態(tài)勢元素拓撲結(jié)構(gòu)圖

3.2 自動歸位的模型設計

自動裁判模型給出相應的裁判結(jié)果，自動歸位模型將機器人移至規(guī)定的位置中。機器人歸位方式有以下兩種：（1）平臺默認的位置（2）隊員制定相應的策略指定機器人對應的位置。

第二種歸位方式可能不符合比賽規(guī)則。系統(tǒng)設計時首先檢測歸位位置是否符合比賽規(guī)則。歸位不符合規(guī)則時要對其位置進行矯正，再歸位機器人。自動歸位的步驟如下所示：

（1）關(guān)閉物理引擎，獲取各個球的位置和當前定位球狀態(tài)。

（2）讀取機器人的位置坐標。

（3）檢測機器人歸位是否符合規(guī)則。

（4）查找符合比賽規(guī)則且與機器人當前位置最近的坐標。

（5）校正機器人的位置。

對該系統(tǒng)的各個模型進行詳細設計，完善系統(tǒng)，并將設計好的系統(tǒng)進行測試，確認無誤后即可投入使用。

4 總結(jié)

該課題將分布式網(wǎng)絡技術(shù)和機器人足球比賽有機結(jié)合在一起，設計了一種基于分布式網(wǎng)絡的足球仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有很好的應用價值。

[1] 李迅.機器人足球分布式仿真平臺的設計與實現(xiàn)[D].武漢工程大學,2012.

[2] 張冰,陳萬米,梁亮,魏延欽.基于OpenGL的小型組機器人足球仿真平臺設計[J].系統(tǒng)仿真學報,2008,03:724-728.

黑曉虎，男，1978年3月出生，陜西西安人，講師，研究方向：足球教學訓練與科研

Soccer simulation platform based on the distributed network design

Hei Xiaohu
(Xi'an PHYSICAL EDUCATION university,Xi'an,710068)

This paper will be distributed network technology and organic combination of robot soccer, modular thinking,design soccer simulation system based on a distributed network.The system interface through simulation and robotics systems simulation platform combine eventually build motion simulation, intelligent referee,automatic homing strategy and its three-dimensional display and other major models.

distributed network;robot;soccer simulation system