足球機器人的防守策略設計與分析

1、第 36卷 第 7期 2004年 7月 哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學 學 報JOURNA L OF H ARBI N I NSTIT UTE OF TECH NO LOGYV ol 136N o 17July , 2004足球機器人的防守策略設計與分析劉春陽 , 柳長安 , 吳克河(華北電力大學 計算機科學與技術學院 , 北京 102206,E 2mial :ilksretang. com 摘 要 :分析了機器人足球比賽中傳統(tǒng)的守門員站位方法 , 提出了射門三角區(qū)的概念 , 并應用該概念分析了 垂足站位方法防守失敗的原因 , 根據(jù)分析結果提出了角平分線站位方法和中線站位方法兩種新的站位方式 ;

2、守門員防守底線的方法將多維問題線性化 , 并且對于各種站位方法進行了分析 , 給出了對于不同運動性能機 器人的應用條件以及能量角度的分析比較 .關鍵詞 :機器人足球 ; 決策子系統(tǒng) ; 防守策略 ; 站位方法 中圖分類號 :TP24216文獻標識碼 :A文章編號 :0367-6234(2004 07-0957-03G oaltender strategy in robot soccerLI U Chun 2yang , LI U Chang 2an , W U K e 2he(School of C omputer Science and T echnology , N orth China

3、E lectric P ower University , Beijing 102206,China , E 2mail :ilksr etang. com Abstract :This is a study on the frequent g oaltender locating method in robot s occer. Firstly , to find out the reas on of g oaltender s unsuccess ful defence against g oal using foot of a perpendicular locating method.

4、 The conception of g oal triangle is presented. And then the new locating methods 2angle bisector locating method and the midpoint locat 2ing method are presended on the foundation of result of the analysis. The method of g oaltender s defence line makes the problem linearization. Finally , applied

5、condition according as the m oving capability of different robots is ac 2quired , which comes from analyzing different locating methods and energy costs. K ey w ords :robot s occer ;decision 2making subsystem ;defence strategy ;locating method 收稿日期 :2004-05-01.基金項目 :華北電力大學博士科學基金資助項目 . 作者簡介 :劉春陽 (197

6、8- , 男 , 碩士研究生 . 在機器人足球比賽中 , 機器人會像人類球員 那樣進行如追球 、 搶球和選擇角度射門等動作 , 也 會進行傳接球的配合等一切技能 , 在球踢進球門 的時候守門員會將球踢走 . 這一切的實現(xiàn)除了機 器人運動的機械性能以外 , 還得歸功于足球機器 人的智能中樞 決策子系統(tǒng) 1,2.在足球機器人系統(tǒng)中 , 決策子系統(tǒng)的任務就 是根據(jù)當前場上的比賽形式做出部署 , 給隊員發(fā) 出指令 , 擔負起教練員的職責 , 顯然 , 這種思維過 程必然是千變萬化的 3,4. 本文主要研究足球機 器人決策子系統(tǒng)中的防守策略問題 .1 足球決策子系統(tǒng)足球機器人決策子系統(tǒng)屬于一類知識型系統(tǒng)

7、 . 在決策子系統(tǒng)中有態(tài)勢分析 , 攻防策略選擇 , 隊形確定和角色分配等高層決策 , 也有戰(zhàn)術配合 , 技術動作 , 基本動作等底層決策 . 決策系統(tǒng)最集中 地反映了人工智能技術各相關理論的應用 5,6. 決策子系統(tǒng)的結構如圖 1所示 .圖 1 決策系統(tǒng)結構圖 在機器人球員中 , 守門員的角色動作與其他 球員截然不同 , 主要是負責防守對方球員的進攻威脅 , 直接參與進攻比較少 . 當一個球員被賦予了守門員角色時 , 就會在門區(qū)附近進行防守 , 阻止對 方破門 , 直到角色賦予結束 . 所以 , 將守門員的防 守策略單獨考慮有利于角色任務的單純化 , 防止 角色動作定義冗余 . 本文重點針對

8、守門員的角色 動作 防守來進行討論分析 , 給出幾種不同的 防守策略 , 并進行比較 , 找出各自的適用范圍 . 防 守成功的定義將在后文給出 .2 球場解析化過程在討論問題之前 , 首先明確以下幾個假設 , 以 便討論建立在共同的基礎上 :1 對于任意給定的一條射線 (稱為射門線 路 , 對方球員可以推射 , 使球的運動軌跡與這條 射線重合 , 即在我方球門線上任選一點 , 對方球員 可以推射足球使球的運動軌跡經(jīng)過該點 , 且推射 任意一點的難度都是一樣的 , 其中使我方守門員 花費最多時間才能撲救到的射門線路稱為最難線 路 . (進攻假設 2 把球員和球看做質點 , 即考慮其幾何中心 坐標

9、位置 . 這樣 , 后面提到的成功撲救就是指在球 心經(jīng)過場上某點之前 , 守門員幾何中心已經(jīng)到達 這一點 . (精準假設 3 不考慮對方球員推球旋轉的情況 , 球離開 隊員必然是減速直線運動 . 即在無碰撞情況下雙 方可以準確判斷球的運動軌跡 , 其軌跡必為平面 上某一條直線 ; 在碰撞情況下 , 其軌跡是一條折 線 , 不會出現(xiàn)某段圓弧 . (直線假設 為討論方便 , 將球場解析化 :設左側為我方場 地 , 以我方場地左下角為原點 , 以水平向右 (我方 進攻方向 和垂直向上為正方向建立如圖 2所示 的平面直角坐標系 . 首先考慮當守門員獨立防守 時的站位方案 , 這個時候 , 由于沒有隊友

10、協(xié)防 , 守 門員面對的只有對方進攻球員 , 防守難度最大. 圖 2 球場解析化 為了便于分析 , 定義機器人足球場上射門三 角區(qū)的概念 :在勻速直線運動狀態(tài)下 , 從足球出 發(fā) , 到球門為止 , 所有能使球進入球門的軌跡包絡 成的平面區(qū)域稱為射門三角區(qū) ; 以足球幾何中心 所在點為頂點的角稱為三角區(qū)的頂角 ; 以門柱所 在點為頂點的兩個角稱為底角 ; 如果兩個底角的 角度不同 , 其中角度比較小的角稱為遠角 , 角度比 較大角的稱為近角 . 在攻防策略轉換中可以根據(jù) 雙方的球門 , 分成我方射門三角區(qū)和對方射門三 角區(qū) .守門員的站位方式與一般球員有很大區(qū)別 , 其縱向的運動 (在縱坐標正

11、負方向上的運動 可 以看做是封堵角度 , 橫向的運動 (在橫坐標正負方 向上的運動 可以看做是否出擊 , 二者運動的合 成作為守門員的實際運動 , 所以 , 將守門員的站位 的橫 、 縱坐標分別考慮比較直觀 , 也方便控制 . 對 于橫坐標 , 可以預制函數(shù) x =f (t 來決定是否出 擊和出擊范圍 , 在某一時刻 , 稱與橫坐標垂直的直 線 x =f (t 0 為守門員的防守底線 , 守門員的位置 只能在其上某點 , 當確定了防守底線以后 , 只需要 確定機器人守門員應該在這條線段上哪一點就可 以 .守門員站位有多種方法 , 每種方法都盡量為 守門員選擇一個更容易得到球的位置 , 垂足站位

12、 方法是一種應用比較廣泛的站位方式 , 將球在守 門員的防守底線上的射影作為守門員的位置 , 即 從球向防守底線作垂線 , 其垂足作為守門員目標 位置 . 這種方法簡潔易行 , 得到廣泛應用 . 在守門 員速度足夠快的情況下 , 這種守門方式從理論上 說可以守住所有的射門 , 但實際應用中并非如此 .3 x =f (t 0 守門員防守失敗分析 通過比賽可以看到 , 由于比賽場地相對來說 比較小 , 中路球員比較集中 , 而且中路不像兩側有 球場內壁反彈 , 所以 , 正面的防守比較容易 . 尤其 是當兩個球隊實力相差無幾時 , 多數(shù)進球都是通 過兩側進攻 , 斜方向射門 . 這是由于機器人足球

13、不 同于人類守門員需要反應時間較長 , 計算機的計 算時間極短 , 足以使機器人守門員在極短的時間 里反應并做出撲救動作 . 但仍然有一些球撲救不 及 , 這是因為根據(jù)動量守恒定律 , 機器人的質量顯 著大于球的質量 , 碰撞后球的運動速度顯著大于 機器人球員的速度 , 當球員以最大速度撞擊球時 , 球的初始速度明顯大于機器人球員的速度 . 如果 這時守門員離球的位置稍遠時 , 很可能來不及撲 救 (精準假設 , 所以 , 在對方球員射門前選擇合理的站位至關重要 . 這個時候 , 不能知道對方球員的 射門軌跡 , 但是可以做出對方球員的射門三角區(qū) . 射門三角區(qū)囊括了所有可能的射門角度 , 對

14、這些 角度要有一個統(tǒng)籌的防守計劃 , 選擇一個綜合所 有的射門線路的方法 , 而垂足站位方法顯然不具 有這種功能 . 現(xiàn)在通過射門三角區(qū)方法來考察傳統(tǒng)的垂足 站位方法的優(yōu)劣 . 在傳統(tǒng)的垂足站位方法中 , 守門 員站位的縱坐標選用當前球的位置在縱軸上的投 影 . 在如圖 3所示的情況下 , 如果對方推射遠角 , 守門員要奔跑幾乎整個門線的距離 (圖中加黑的 部分 . 這顯然不是最優(yōu)站位方式 , 因為即使守門 員沒有在近角門線附近封堵 , 也沒有理由會使機 器人推射近角的概率更大 (根據(jù)進攻假設 , 何況 現(xiàn)在近角有人封堵 , 智能高的機器人必然會推射 遠角 . 為了防守所有可能的射門角度 ,

15、就應該比現(xiàn) 在的射影點向遠角方向偏一些 . 關于具體的偏移 量如何獲得 , 本文提出了新的方法. 圖 3 垂足站位方法 4 新的站位方法為了讓守門員更快得到球 , 就要選擇相對短 的路線 , 由守門員當前位置到射門線路的垂線是 最短的線路 , 因此 , 提出了在門線附近的射門區(qū)內選擇射門三角區(qū)的頂角平分線站位方法 (如圖 4所示 . 這種方法的主要步驟為 :先做出當前的射 門三角區(qū) , 然后做出射門三角區(qū)的頂角平分線 , 與 守門員防守底線相交 , 將這個交點作為守門員的 目標位置坐標 . 這種方法的優(yōu)點是 :為守門員選擇了防守射 門三角區(qū)最優(yōu)線路的最短路線 , 有利于對機器人 的控制 , 并

16、且規(guī)劃的是一條直線 , 也防止了機器人 體力 (能量 的浪費 . 對于行動靈活的守門員來說 ,這種方法的反應速度要快得多 , 兼顧了所有可能 的射門線路 . 但這種方法也有一定的缺點 :雖然可 以兼顧所有的射門線路 , 但是對不同的射門線路 需要選擇不同的運動方向 , 需要機器人轉不同的 角度 , 對于行動靈活性相對差一些的機器人來說 , 尤其是對于轉身性能相對差一些 , 比較擅長高速 直線跑動的機器人來說這種站位方式就有些不太 合適 , 頻繁地轉向對能量要求也比較高.圖 4 角平分線站位方法 針對有些機器人轉角速度相對較慢而直行速度相對較快的特點進行改進 , 提出了中點站位法 . 對當前狀態(tài)

17、 , 同樣是先做出射門三角區(qū) , 將射門三 角區(qū)的兩邊 (即兩條最優(yōu)線路 與守門員的防守線 相交得到 2個交點 , 這 2個交點的中點作為守門 員的目標位置 , 如圖 5所示 . 這種方法雖然犧牲了 最短路線的選擇 , 但由于目標位置必在當前的 防守底線上 ,使機器人不需要轉身就可以直線運圖 5 中線站位方法(下轉第 968頁 313 黑板的基本功能這種結構可以實現(xiàn)很多功能 , 比如提供求助警報及響應求助警報 , 分配角色及讀取別人的角 色 , 讀取一些場上的狀態(tài)等等 , 如圖 1所示. 圖 1 黑板結構 1 角色分配與再分配 . 黑板有一塊數(shù)據(jù)區(qū)用來存放已分配的角色 , 幫助策略分配角色 .

18、 策略遵 循前面介紹的方法選擇好策略后開始分配角色 . 每分配一個角色策略就把角色寫到黑板中去 , 然 后再讀取下一個角色 , 再根據(jù)現(xiàn)分配好的角色決 定把這個角色分配給哪個機器人 .當有隊員認為自己不適合繼續(xù)擔當現(xiàn)分配的 角色時 , 會提出申請寫到黑板中去 . 這樣 , 策略當 讀黑板時就會讀到這個申請 , 并重新分配角色 .2 機器人之間的協(xié)作 . 許多情況下 , 機器人 之間可以通過讀取黑板中的信息進行協(xié)作 . 例如 , 進攻時 , 自由人可以響應進攻隊員發(fā)出的求助警 報幫助進攻隊員向前場推進 5.4 結 論傳統(tǒng)的單一模式的策略系統(tǒng)難以滿足對場上 復雜形式的判斷和把握 , 而通過對多種理

19、論的融 合和發(fā)展 , 使改進后的策略系統(tǒng)能更靈活 、 準確地 對比賽采取控制 . 除在大策略方面的改進外 , 角色 之間的相互協(xié)調和借助黑板的通信以及對自適應 的判斷也加強了整體的配合效果 , 達到更滿意的 場上效果 .參考文獻 :1程慧霞 . 用 C +建造專家系統(tǒng) M.北京 :電子工業(yè)出版社 , 1996.2JE NNI NG S N. C ooperation in industrial multi -agent systemsA.W orld Scientific in C omputer ScienceC.S ingapore :s. n. , 1994. 1-77.3GE ORGE

20、 F L. Artificial Intelligence :S tructures and S trate 2gies for C omplex Problem S olvingM.England :Peason Ed 2ucation Limited , 2004.4劉金錕 , 王樹青 . 多智能體控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) J.控制理論與應用 , 1999,16(4 :580-583.5MORE NO A , VA LLS A , M ARI N M. Multi 2agent simulation of w ork teamsA.Multi 2agent Systems and Applications III C.Heidelberg :s. n. , 2003.(編輯 王小唯 , 劉 彤 (上接第 959頁 動到目標點 , 對于兩輪獨立驅動的機器人小車比較合適 .5 結 語通過多個平臺上的多場實戰(zhàn)證明 :與垂足站 位方法相比 , 新的站位方法撲救更加準確 , 對來球 有很強的預測性 , 封堵角度科學 , 大大提升守門員 防守能力 , 尤其是獨自面對對方球員進攻的防守 能力 ; 同時防守底線概念的引入也使問題更加簡 單 ,