毕业设计论文-足球机器人决策系统的研究与设计 - 图文(7)

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机器人按照此路径运动[31]。

用栅格法进行路径规划可以分为以下三步（见图3.3）：

+ + 目标点 + 开始点 图3.3 栅格法路径规划

Fig.3.3 Reference Frame Designing

+

（1）首先根据机器人和目标点的位置规划区域，然后在该区域用网格表示，每个网格就是一个栅格。栅格选择的大小直接影响环境分辨率的大小、环境信息存储量的大小、抗干扰能力和决策速度。所以要合理选择栅格的大小，并给每个栅格一个初值。

（2）区域规划好后，开始检测障碍物的位置，并根据障碍物位置找到对应栅格地图中的序号，并对对应的栅格值进行修改。

（3）最后可以采用各种搜索方法，例如：动态二叉树法等进行无碰撞最优路径规划

在使用栅格法进行机器人路径规划时需要注意选择适合的栅格大小，如果过大，搜索出的路线折线光滑度不够，将会影响路径求解的质量；反之，搜索空间较大也会曾加所需的存储空间。 3.4.2人工势场法解决局部避障

机器人路径规划中，机器人应该尽量避免碰撞，一方面这是为了使得策略运用到事物机器人的实际性；另一方面也是为了能使角色在最短的时间内有效地到达目标位置完成任务。机器人避障行为在系统中首先通过观察其从当前位置到目标位置之间的障碍物情况，如果没有障碍物则直接运动到达目标位置；否则，就

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要绕过障碍物到达目标位置，并使得到目标位置的开销最小[32]。如图。

目标 障碍物

v 避障路径 F斥 机器人 图3.4 机器人避障示意图

F合 F引 目标点

v 障碍 图3.5 人工势场建立示意图

Fig.3.4 Sketch-map of Avoiding Obstacles Fig.3.5 Sketch-map of Situation-designing

本论文使用栅格法进行全局规划，可以方便、简洁地求解出最优解。同时，构建目标引力场和障碍物斥力场共同作用的人工势场，使路径规划更加合理全面地进行全局搜索最优路径。在这个势场中，每个物体都会对其他物体产生引力或者斥力影响，将引力场和斥力场进行向量叠加就构成了路径规划的环境。如图所示。

其中，引力大小与该物体和目标之间的距离成正比，斥力大小与障碍物之间的相对距离成正比。在接近于障碍物时斥力增大，使物体绕过障碍物继续朝向目标运动，避免物体与障碍物相撞。

在栅格法进行路径规划的同时结合人工势场进行局部避障，能够有效地在保证最优路径的基础上避开障碍物实现决策系统对于准确性、快速性的需求。

3.5角色设计

每个角色都有一个本位点、目标点和它的工作区域。当球进入了角色的工作区域时，角色就要从当前的位置朝目标点运动，其运动过程是一个避障运动。如果球不在其工作区域，则角色应该运动到它的本位点并保持一定的方向角，其过程也应该是一个避障运动。也就是说，角色需要对其运动轨迹进行规划，找到一条合适的路径来达到目标点，而不至于犯错误，例如，把球撞入自家球门、为对方的进攻作配合，以及和本方机器人产生互相推挤等错误。

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3.5.1 守门员

守门员的职责是避免球进入本方的球门，如果其他球员失去了防守能力，那么守门员将会成为最后一道防线，由此可见守门员角色在比赛中占据了举足轻重的作用[33]。守门员的本位点是球门中心点的正前方一定距离处。一旦球进入到守门员的工作区域中，守门员就开始根据球的位置和运动情况调整自身的位置来阻止球进入本方球门。

图（a） 图（b）

图（c） 图（d）

图3.6 守门员策略图

Fig.3.6 Goalkeeper Strategy

如图3.6所示，在图a（标注全部名称）所示的情况下，球的运动方向指向球门，也就是说按照这种形势过几个周期球会进入球门，此时守门员应该运动到球的入球点位置等待接球，此入球点就是球的运动射线与球门线的交点。在图b所示的情况下，球不向球门运动，此时守门员的站位应该选择球与球门中心的连线上，因为这一点有利于封堵对方的射门角度，并且能够很迅速的前后移动。图c中，表示球位于球门区或者距离球门很近，守门员应该按照箭头方向运动，将球踢出球门区，因为如果在一定时间内守门员未能把球踢出球门区会被罚点球。在图d所示的情况下，表示球距离球门比较近了，而且守门员当前的位置是该情况所示，这时候守门员就需要很小心的绕到目标位置去截球，避免自己把球撞入本方的球门。

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3.5.2 前锋

前锋是完成射门的角色。它的本位点可以是距离对方球门一定距离的某个位置，这要根据球的位置来定。前锋队员的目标点是球与对方球门中心的连线的延长线距离球有一定小距离的位置，这可以根据时间系统进行调整。前锋队员在前场调用射门动作来完成它的角色任务。 3.5.3 中锋

中锋在足球比赛中充当衔接的作用。其主要任务是当球出现在本方半场的中间区域时，把球踢向对方半场、破坏对方的传球、对对方的中路接应队员进行卡位盯防。其本为点在球门中心正方向前面一定距离位置。当球进入中锋的工作区域时，中锋根据自身的当前位置和球的运动情况选择是扫球、截球或是运动到对方接应队员前方干扰其射门。中锋在得到对球的控制之后，将选择带球或是传球以发动本方的进攻。 3.5.4 后卫

后卫主要是进行防御策略。当对方球员带球进入我们防守区域，后卫应该主动进行拦截，阻止对方球员射门。此外，当球出现在本方半场的靠近两边的区域时，应该把球踢向对方半场和防止对方机器人的下底传中进攻。后卫的本位点是在距离本方球门一定距离的球门线附近，并且应当随时根据足球位置的改变而进行角度转动[34]。

3.6守门员策略改进

“一个好的守门员就是半支球队。”可见守门员角色在足球比赛中的重要性。守门员的职责就是避免球进入本方的球门。这里设计的守门员主要采取在球门线平行移动，主要是封堵对方的进球角度。也就是说其中关键的就是如何确定守门员在各种情况下的目标位置。 3.6.1守门员路径控制

守门员的本位点是在球门中心点的正前方一定距离处。一旦球进入到守门员

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的工作区域中，守门员就开始根据球的位置和运动情况调整自身的位置来阻止球进入本方球门。守门员能否成功防守对方的射门，一个重要的因素是守门员能够先于球到达关键位进行防守，所以，合理的选取跑位目标点至关重要。根据最短路径原则，守门员应该是在门前平行于门线的一条直线上进行来回运动，这样对于守门员来说，每次扑救走的都是最短路径，避免了转角而浪费时间。其中，守门员站位线与球门线的垂直距离不能超过小球的直径。 3.6.2 守门员防守原则

通常首先定义球突破守门员站位线的点为关键目标点。守门员能够进行成功的防守取决于两个条件：一是站位点要靠近关键目标点，d站位点-关键目标点最小；二是扑救时守门员行使的是最快的速度，V守门员最大。于是就可以得到跑位的时间最短原则，即：

d站位点-关键目标点

T=

V守门员

（3-1）

在设计守门员策略中应该考虑最短原则，使得守门员运动路径实现最优，确保准确、快速、高效地实现运动。 3.6.3 传统的策略分析

传统的守门员站位方法包括路线站位法、中点站位法和角平分线站位法。然而以上三种站法都存在一定的不足，现针对上述传统的防守策略进行简要分析。

Y Z2 K1 K2 B2 L1 K3 Z1 X 图3.7 角平分线站位法

Fig.3.7 Angle-halving Strategy

图3.8 路线站位及前锋-球站位

Fig.3.8 Route and Vanguard-goal strategy

B1 K1 R2 K2 L3 R1 L2 L 24

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