足球機(jī)器人的防守策略設(shè)計(jì)與分析

1、第 36卷 第 7期 2004年 7月 哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)JOURNA L OF H ARBI N I NSTIT UTE OF TECH NO LOGYV ol 136N o 17July , 2004足球機(jī)器人的防守策略設(shè)計(jì)與分析劉春陽(yáng) , 柳長(zhǎng)安 , 吳克河(華北電力大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 , 北京 102206,E 2mial :ilksretang. com 摘 要 :分析了機(jī)器人足球比賽中傳統(tǒng)的守門(mén)員站位方法 , 提出了射門(mén)三角區(qū)的概念 , 并應(yīng)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(jié)果提出了角平分線(xiàn)站位方法和中線(xiàn)站位方法兩種新的站位方式 ;

2、守門(mén)員防守底線(xiàn)的方法將多維問(wèn)題線(xiàn)性化 , 并且對(duì)于各種站位方法進(jìn)行了分析 , 給出了對(duì)于不同運(yùn)動(dòng)性能機(jī) 器人的應(yīng)用條件以及能量角度的分析比較 .關(guān)鍵詞 :機(jī)器人足球 ; 決策子系統(tǒng) ; 防守策略 ; 站位方法 中圖分類(lèi)號(hào) :TP24216文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A文章編號(hào) :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(xiàng)目 :華北電力大學(xué)博士科學(xué)基金資助項(xiàng)目 . 作者簡(jiǎn)介 :劉春陽(yáng) (197

6、8- , 男 , 碩士研究生 . 在機(jī)器人足球比賽中 , 機(jī)器人會(huì)像人類(lèi)球員 那樣進(jìn)行如追球 、 搶球和選擇角度射門(mén)等動(dòng)作 , 也 會(huì)進(jìn)行傳接球的配合等一切技能 , 在球踢進(jìn)球門(mén) 的時(shí)候守門(mén)員會(huì)將球踢走 . 這一切的實(shí)現(xiàn)除了機(jī) 器人運(yùn)動(dòng)的機(jī)械性能以外 , 還得歸功于足球機(jī)器 人的智能中樞 決策子系統(tǒng) 1,2.在足球機(jī)器人系統(tǒng)中 , 決策子系統(tǒng)的任務(wù)就 是根據(jù)當(dāng)前場(chǎng)上的比賽形式做出部署 , 給隊(duì)員發(fā) 出指令 , 擔(dān)負(fù)起教練員的職責(zé) , 顯然 , 這種思維過(guò) 程必然是千變?nèi)f化的 3,4. 本文主要研究足球機(jī) 器人決策子系統(tǒng)中的防守策略問(wèn)題 .1 足球決策子系統(tǒng)足球機(jī)器人決策子系統(tǒng)屬于一類(lèi)知識(shí)型系統(tǒng)

7、 . 在決策子系統(tǒng)中有態(tài)勢(shì)分析 , 攻防策略選擇 , 隊(duì)形確定和角色分配等高層決策 , 也有戰(zhàn)術(shù)配合 , 技術(shù)動(dòng)作 , 基本動(dòng)作等底層決策 . 決策系統(tǒng)最集中 地反映了人工智能技術(shù)各相關(guān)理論的應(yīng)用 5,6. 決策子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 1所示 .圖 1 決策系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 在機(jī)器人球員中 , 守門(mén)員的角色動(dòng)作與其他 球員截然不同 , 主要是負(fù)責(zé)防守對(duì)方球員的進(jìn)攻威脅 , 直接參與進(jìn)攻比較少 . 當(dāng)一個(gè)球員被賦予了守門(mén)員角色時(shí) , 就會(huì)在門(mén)區(qū)附近進(jìn)行防守 , 阻止對(duì) 方破門(mén) , 直到角色賦予結(jié)束 . 所以 , 將守門(mén)員的防 守策略單獨(dú)考慮有利于角色任務(wù)的單純化 , 防止 角色動(dòng)作定義冗余 . 本文重點(diǎn)針對(duì)

8、守門(mén)員的角色 動(dòng)作 防守來(lái)進(jìn)行討論分析 , 給出幾種不同的 防守策略 , 并進(jìn)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(chǎng)解析化過(guò)程在討論問(wèn)題之前 , 首先明確以下幾個(gè)假設(shè) , 以 便討論建立在共同的基礎(chǔ)上 :1 對(duì)于任意給定的一條射線(xiàn) (稱(chēng)為射門(mén)線(xiàn) 路 , 對(duì)方球員可以推射 , 使球的運(yùn)動(dòng)軌跡與這條 射線(xiàn)重合 , 即在我方球門(mén)線(xiàn)上任選一點(diǎn) , 對(duì)方球員 可以推射足球使球的運(yùn)動(dòng)軌跡經(jīng)過(guò)該點(diǎn) , 且推射 任意一點(diǎn)的難度都是一樣的 , 其中使我方守門(mén)員 花費(fèi)最多時(shí)間才能撲救到的射門(mén)線(xiàn)路稱(chēng)為最難線(xiàn) 路 . (進(jìn)攻假設(shè) 2 把球員和球看做質(zhì)點(diǎn) , 即考慮其幾何中心 坐標(biāo)

9、位置 . 這樣 , 后面提到的成功撲救就是指在球 心經(jīng)過(guò)場(chǎng)上某點(diǎn)之前 , 守門(mén)員幾何中心已經(jīng)到達(dá) 這一點(diǎn) . (精準(zhǔn)假設(shè) 3 不考慮對(duì)方球員推球旋轉(zhuǎn)的情況 , 球離開(kāi) 隊(duì)員必然是減速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng) . 即在無(wú)碰撞情況下雙 方可以準(zhǔn)確判斷球的運(yùn)動(dòng)軌跡 , 其軌跡必為平面 上某一條直線(xiàn) ; 在碰撞情況下 , 其軌跡是一條折 線(xiàn) , 不會(huì)出現(xiàn)某段圓弧 . (直線(xiàn)假設(shè) 為討論方便 , 將球場(chǎng)解析化 :設(shè)左側(cè)為我方場(chǎng) 地 , 以我方場(chǎng)地左下角為原點(diǎn) , 以水平向右 (我方 進(jìn)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(biāo)系 . 首先考慮當(dāng)守門(mén)員獨(dú)立防守 時(shí)的站位方案 , 這個(gè)時(shí)候 , 由于沒(méi)有隊(duì)友

10、協(xié)防 , 守 門(mén)員面對(duì)的只有對(duì)方進(jìn)攻球員 , 防守難度最大. 圖 2 球場(chǎng)解析化 為了便于分析 , 定義機(jī)器人足球場(chǎng)上射門(mén)三 角區(qū)的概念 :在勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下 , 從足球出 發(fā) , 到球門(mén)為止 , 所有能使球進(jìn)入球門(mén)的軌跡包絡(luò) 成的平面區(qū)域稱(chēng)為射門(mén)三角區(qū) ; 以足球幾何中心 所在點(diǎn)為頂點(diǎn)的角稱(chēng)為三角區(qū)的頂角 ; 以門(mén)柱所 在點(diǎn)為頂點(diǎn)的兩個(gè)角稱(chēng)為底角 ; 如果兩個(gè)底角的 角度不同 , 其中角度比較小的角稱(chēng)為遠(yuǎn)角 , 角度比 較大角的稱(chēng)為近角 . 在攻防策略轉(zhuǎn)換中可以根據(jù) 雙方的球門(mén) , 分成我方射門(mén)三角區(qū)和對(duì)方射門(mén)三 角區(qū) .守門(mén)員的站位方式與一般球員有很大區(qū)別 , 其縱向的運(yùn)動(dòng) (在縱坐標(biāo)正

11、負(fù)方向上的運(yùn)動(dòng) 可 以看做是封堵角度 , 橫向的運(yùn)動(dòng) (在橫坐標(biāo)正負(fù)方 向上的運(yùn)動(dòng) 可以看做是否出擊 , 二者運(yùn)動(dòng)的合 成作為守門(mén)員的實(shí)際運(yùn)動(dòng) , 所以 , 將守門(mén)員的站位 的橫 、 縱坐標(biāo)分別考慮比較直觀 , 也方便控制 . 對(duì) 于橫坐標(biāo) , 可以預(yù)制函數(shù) x =f (t 來(lái)決定是否出 擊和出擊范圍 , 在某一時(shí)刻 , 稱(chēng)與橫坐標(biāo)垂直的直 線(xiàn) x =f (t 0 為守門(mén)員的防守底線(xiàn) , 守門(mén)員的位置 只能在其上某點(diǎn) , 當(dāng)確定了防守底線(xiàn)以后 , 只需要 確定機(jī)器人守門(mén)員應(yīng)該在這條線(xiàn)段上哪一點(diǎn)就可 以 .守門(mén)員站位有多種方法 , 每種方法都盡量為 守門(mén)員選擇一個(gè)更容易得到球的位置 , 垂足站位

12、 方法是一種應(yīng)用比較廣泛的站位方式 , 將球在守 門(mén)員的防守底線(xiàn)上的射影作為守門(mén)員的位置 , 即 從球向防守底線(xiàn)作垂線(xiàn) , 其垂足作為守門(mén)員目標(biāo) 位置 . 這種方法簡(jiǎn)潔易行 , 得到廣泛應(yīng)用 . 在守門(mén) 員速度足夠快的情況下 , 這種守門(mén)方式從理論上 說(shuō)可以守住所有的射門(mén) , 但實(shí)際應(yīng)用中并非如此 .3 x =f (t 0 守門(mén)員防守失敗分析 通過(guò)比賽可以看到 , 由于比賽場(chǎng)地相對(duì)來(lái)說(shuō) 比較小 , 中路球員比較集中 , 而且中路不像兩側(cè)有 球場(chǎng)內(nèi)壁反彈 , 所以 , 正面的防守比較容易 . 尤其 是當(dāng)兩個(gè)球隊(duì)實(shí)力相差無(wú)幾時(shí) , 多數(shù)進(jìn)球都是通 過(guò)兩側(cè)進(jìn)攻 , 斜方向射門(mén) . 這是由于機(jī)器人足球

13、不 同于人類(lèi)守門(mén)員需要反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng) , 計(jì)算機(jī)的計(jì) 算時(shí)間極短 , 足以使機(jī)器人守門(mén)員在極短的時(shí)間 里反應(yīng)并做出撲救動(dòng)作 . 但仍然有一些球撲救不 及 , 這是因?yàn)楦鶕?jù)動(dòng)量守恒定律 , 機(jī)器人的質(zhì)量顯 著大于球的質(zhì)量 , 碰撞后球的運(yùn)動(dòng)速度顯著大于 機(jī)器人球員的速度 , 當(dāng)球員以最大速度撞擊球時(shí) , 球的初始速度明顯大于機(jī)器人球員的速度 . 如果 這時(shí)守門(mén)員離球的位置稍遠(yuǎn)時(shí) , 很可能來(lái)不及撲 救 (精準(zhǔn)假設(shè) , 所以 , 在對(duì)方球員射門(mén)前選擇合理的站位至關(guān)重要 . 這個(gè)時(shí)候 , 不能知道對(duì)方球員的 射門(mén)軌跡 , 但是可以做出對(duì)方球員的射門(mén)三角區(qū) . 射門(mén)三角區(qū)囊括了所有可能的射門(mén)角度 , 對(duì)

14、這些 角度要有一個(gè)統(tǒng)籌的防守計(jì)劃 , 選擇一個(gè)綜合所 有的射門(mén)線(xiàn)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(guò)射門(mén)三角區(qū)方法來(lái)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(mén) 員站位的縱坐標(biāo)選用當(dāng)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(duì)方推射遠(yuǎn)角 , 守門(mén)員要奔跑幾乎整個(gè)門(mén)線(xiàn)的距離 (圖中加黑的 部分 . 這顯然不是最優(yōu)站位方式 , 因?yàn)榧词故亻T(mén) 員沒(méi)有在近角門(mén)線(xiàn)附近封堵 , 也沒(méi)有理由會(huì)使機(jī) 器人推射近角的概率更大 (根據(jù)進(jìn)攻假設(shè) , 何況 現(xiàn)在近角有人封堵 , 智能高的機(jī)器人必然會(huì)推射 遠(yuǎn)角 . 為了防守所有可能的射門(mén)角度 ,

15、就應(yīng)該比現(xiàn) 在的射影點(diǎn)向遠(yuǎn)角方向偏一些 . 關(guān)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(mén)員更快得到球 , 就要選擇相對(duì)短 的路線(xiàn) , 由守門(mén)員當(dāng)前位置到射門(mén)線(xiàn)路的垂線(xiàn)是 最短的線(xiàn)路 , 因此 , 提出了在門(mén)線(xiàn)附近的射門(mén)區(qū)內(nèi)選擇射門(mén)三角區(qū)的頂角平分線(xiàn)站位方法 (如圖 4所示 . 這種方法的主要步驟為 :先做出當(dāng)前的射 門(mén)三角區(qū) , 然后做出射門(mén)三角區(qū)的頂角平分線(xiàn) , 與 守門(mén)員防守底線(xiàn)相交 , 將這個(gè)交點(diǎn)作為守門(mén)員的 目標(biāo)位置坐標(biāo) . 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是 :為守門(mén)員選擇了防守射 門(mén)三角區(qū)最優(yōu)線(xiàn)路的最短路線(xiàn) , 有利于對(duì)機(jī)器人 的控制 , 并

16、且規(guī)劃的是一條直線(xiàn) , 也防止了機(jī)器人 體力 (能量 的浪費(fèi) . 對(duì)于行動(dòng)靈活的守門(mén)員來(lái)說(shuō) ,這種方法的反應(yīng)速度要快得多 , 兼顧了所有可能 的射門(mén)線(xiàn)路 . 但這種方法也有一定的缺點(diǎn) :雖然可 以兼顧所有的射門(mén)線(xiàn)路 , 但是對(duì)不同的射門(mén)線(xiàn)路 需要選擇不同的運(yùn)動(dòng)方向 , 需要機(jī)器人轉(zhuǎn)不同的 角度 , 對(duì)于行動(dòng)靈活性相對(duì)差一些的機(jī)器人來(lái)說(shuō) , 尤其是對(duì)于轉(zhuǎn)身性能相對(duì)差一些 , 比較擅長(zhǎng)高速 直線(xiàn)跑動(dòng)的機(jī)器人來(lái)說(shuō)這種站位方式就有些不太 合適 , 頻繁地轉(zhuǎn)向?qū)δ芰恳笠脖容^高.圖 4 角平分線(xiàn)站位方法 針對(duì)有些機(jī)器人轉(zhuǎn)角速度相對(duì)較慢而直行速度相對(duì)較快的特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn) , 提出了中點(diǎn)站位法 . 對(duì)當(dāng)前狀態(tài)

17、 , 同樣是先做出射門(mén)三角區(qū) , 將射門(mén)三 角區(qū)的兩邊 (即兩條最優(yōu)線(xiàn)路 與守門(mén)員的防守線(xiàn) 相交得到 2個(gè)交點(diǎn) , 這 2個(gè)交點(diǎn)的中點(diǎn)作為守門(mén) 員的目標(biāo)位置 , 如圖 5所示 . 這種方法雖然犧牲了 最短路線(xiàn)的選擇 , 但由于目標(biāo)位置必在當(dāng)前的 防守底線(xiàn)上 ,使機(jī)器人不需要轉(zhuǎn)身就可以直線(xiàn)運(yùn)圖 5 中線(xiàn)站位方法(下轉(zhuǎn)第 968頁(yè) 313 黑板的基本功能這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)很多功能 , 比如提供求助警報(bào)及響應(yīng)求助警報(bào) , 分配角色及讀取別人的角 色 , 讀取一些場(chǎng)上的狀態(tài)等等 , 如圖 1所示. 圖 1 黑板結(jié)構(gòu) 1 角色分配與再分配 . 黑板有一塊數(shù)據(jù)區(qū)用來(lái)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(kāi)始分配角色 . 每分配一個(gè)角色策略就把角色寫(xiě)到黑板中去 , 然 后再讀取下一個(gè)角色 , 再根據(jù)現(xiàn)分配好的角色決 定把這個(gè)角色分配給哪個(gè)機(jī)器人 .當(dāng)有隊(duì)員認(rèn)為自己不適合繼續(xù)擔(dān)當(dāng)現(xiàn)分配的 角色時(shí) , 會(huì)提出申請(qǐng)寫(xiě)到黑板中去 . 這樣 , 策略當(dāng) 讀黑板時(shí)就會(huì)讀到這個(gè)申請(qǐng) , 并重新分配角色 .2 機(jī)器人之間的協(xié)作 . 許多情況下 , 機(jī)器人 之間可以通過(guò)讀取黑板中的信息進(jìn)行協(xié)作 . 例如 , 進(jìn)攻時(shí) , 自由人可以響應(yīng)進(jìn)攻隊(duì)員發(fā)出的求助警 報(bào)幫助進(jìn)攻隊(duì)員向前場(chǎng)推進(jìn) 5.4 結(jié) 論傳統(tǒng)的單一模式的策略系統(tǒng)難以滿(mǎn)足對(duì)場(chǎng)上 復(fù)雜形式的判斷和把握 , 而通過(guò)對(duì)多種理

19、論的融 合和發(fā)展 , 使改進(jìn)后的策略系統(tǒng)能更靈活 、 準(zhǔn)確地 對(duì)比賽采取控制 . 除在大策略方面的改進(jìn)外 , 角色 之間的相互協(xié)調(diào)和借助黑板的通信以及對(duì)自適應(yīng) 的判斷也加強(qiáng)了整體的配合效果 , 達(dá)到更滿(mǎn)意的 場(chǎng)上效果 .參考文獻(xiàn) :1程慧霞 . 用 C +建造專(zhuān)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(shù)青 . 多智能體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) J.控制理論與應(yīng)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(yè) 動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn) , 對(duì)于兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人小車(chē)比較合適 .5 結(jié) 語(yǔ)通過(guò)多個(gè)平臺(tái)上的多場(chǎng)實(shí)戰(zhàn)證明 :與垂足站 位方法相比 , 新的站位方法撲救更加準(zhǔn)確 , 對(duì)來(lái)球 有很強(qiáng)的預(yù)測(cè)性 , 封堵角度科學(xué) , 大大提升守門(mén)員 防守能力 , 尤其是獨(dú)自面對(duì)對(duì)方球員進(jìn)攻的防守 能力 ; 同時(shí)防守底線(xiàn)概念的引入也使問(wèn)題更加簡(jiǎn) 單 ,