曾遠偉+范光宇+黃達+周輝

摘要：機器人足球（FIRA）是現(xiàn)在機器人和人工智能領域的研究熱點之一，當真實的機器人在球場上運動時，機器人是有特定的動作的，離不開運動學和動力學的范疇，所以我們通過仿真的方式，抽象機器人小車的物理模型，運動學模型和動力學模型，完成機器人動作空間到輪速空間的映射，從而集中精力在策略開發(fā)的層面上。

關鍵詞：系統(tǒng)設計；策略開發(fā)；防守戰(zhàn)術

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）02-0156-02

機器人足球是現(xiàn)在機器人和人工智能領域的研究熱點，很多研究機構已經著手于真實的機器人足球開發(fā)，并且已經取得了一定的成果，他們的開發(fā)重點是如何用軟件驅動硬件，如何讓機器人按照指令做出準確的動作，如何實現(xiàn)機器人的動作細節(jié)，而仿真的重點工作是戰(zhàn)術策略的開發(fā)。本文主要提出了戰(zhàn)術策略中的防守戰(zhàn)術。我們是基于3D Robot Soccer Simulator仿真系統(tǒng)來進行足球機器人系統(tǒng)的設計與開發(fā)，此仿真系統(tǒng)是是由澳大利亞的格里菲斯大學信息技術學院 RSS 開發(fā)小組開發(fā)，是一個5vs5的足球機器人比賽系統(tǒng)，此平臺提供一些簡單的函數，我們可以在這些函數原型上進行代碼的修改與完善，讓機器人按照我們的算法方式運動。

5vs5 具體有四層架構，第一層：設置機器人小車的輪速，到二層：讓小車到達某一指定位置。第三層：每個機器人具體的角色實現(xiàn)。第四層：角色組合起來的決策實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)設計

1.1 設置機器人的輪速

首先我們要知道基于這個仿真平臺，設計者已經給我們提供了一些可執(zhí)行代，包括一些簡單的函數原型。我們可以在里面修改代碼，讓機器人按照我們的算法運動。

其函數原型如下：void Velocity （ Robot *robot， intvl， intvr ）；

機器人運動模型構建（如圖1所示）：假設vl和vr為機器人左右的輪速，當vr>vl時，機器人向左轉，做弧線運動，設其瞬時圓周運動半徑為R，O為瞬時旋轉圓心，L為機器人的邊長，機器人是遵守剛體運動的運動規(guī)律的。所以有如下公式：

[V=vr+vl2] （1）

[ω=vr-vlL] （2）

V是機器人中心的線速度，[ω]是小車自轉瞬時角速度。機器人的狀態(tài)變量可用位置和角度表示為（[θ]，y，x），可用vl，vr來表示：

[dxdt=Vcosθ]

[dydt=Vsinθ]

[dθdt=180πω]

將（1），（2）式子帶入并寫成矩陣形式得到運動學微分方程：

[10001000πL360dxdtdydtdθdt=12 cosθ sinθ -1cosθsinθ1vlvr]

在這層架構中，我們可以利用高數的知識，如泰勒公式，拉格朗日方程等來實現(xiàn)我們對輪速的控制，這要求有豐富的高數知識和編寫c++代碼的能力。將我們修改后的代碼放入函數Velocity中機器人就可以動起來了。

1.2 讓機器人到達指定位置

要讓機器人到達指定的位置需要找出該位置的坐標并且了解機器人當前的位置信息（當前坐標和角度），然后就可以運用以下兩個函數來調整位置和角度了。

void Angle （ Robot *robot， intdesired_angle）；

void Position （ Robot *robot， double x， double y）；

1.3 機器人的角色

看過足球比賽的我們都知道每個球員在球場上都有自己的位置，球員在球場上各司其職，分工合作，團結一致才能將球踢進對方的球門。在我們5vs5的系統(tǒng)中，我指定了一名守門員，2名防守球員和2名進攻球員。角色如何設定還是要根據具體的戰(zhàn)術決定，像我指定這個陣型就是1：2 ： 2陣型，你也可以采用1： 3：1的陣型，當然導致的結果就是進攻效率不足，但防守一定是很強的，所以根據球在自己手上還是對方手上來選擇陣型是相當重要的。

在平臺運行的過程中，系統(tǒng)會反饋給我們一組數據結構，其中包括哪個隊伍持球，敵我兩方機器人的速度和位置等很多信息，當球在我們手上和在對方手上時執(zhí)行的策略是不一樣的，所以機器人的角色也在進攻和防守中不斷切換。

具體的角色有：點球角色、門球角色、爭球角色、任意球角色等，這些屬于特殊情況下的角色。還有就是能完成特定踢球任務的角色，例如 ： 中路射門角色，邊路射門角色，前場邊界球處理角色，后場邊界球處理角色，中路補射角色，邊路傳中角色等。擁有了這些角色我們就可以完成進攻和防守的策略。

2 決策開發(fā)

我們將整個足球場劃分為三大部分，分別分為前場，中場，后場，開始時，5名球員進行對應的放置為：守門員一個（5號球員），中場兩個（3，4號），后場（2號）以及前場（1號）各一個。

情況一：對手進攻，球在對方的后場，就是等于說，此刻相對于來說，情況比較樂觀，采取的方案：主要以搶斷以及防守為主，這個時候每個球員都可以是防守球員，下面是對場上球的位置進行分析。從球向我方球門推進的過程中，我們可以將防守分成下面五步：

第一步：如果此時球在對方的守門員的手中的時候，就要進行阻斷對方的守門員進行發(fā)球，主要方式就是用1號球員進行對方的守門員以及其他的球員之間的傳球線路的阻斷。如果此時球不在對方的守門員手中，同樣以搶斷為主，我方的守門員（5號球員）要時刻將自己，球，以及對方控球的球員形成一條直線，以便快速形成最佳防守。

第二步：處于中場位置的3號球員此刻的主要任務就是搶斷，3號球員的任務就是始終進行往對方控球的人員以及球的中心位置運動，以阻止對方的控球，干擾對方的傳球路線。endprint

第三步：同樣位于中場的4號球員的任務是直接朝著球的運動的方向進行運動，進行直接搶斷。

第四步：位于我方后場的2號球員的任務是阻止對方的控球人員進行傳球，采取的方案就是判斷離開球員比較近以及空間范圍比較空的球員進行球員與該球之間的阻斷。

第五步：作為守門員的5號球員，無論球在球場的哪個位置，都不能離開我方的球門，因為場上的局勢瞬息萬變，如果對方攻勢足夠強，我方球員就會退防不及時而損失不必要的進球。

情況二：對手進攻，球在中場，采取的方案應該是注重防守，而不是搶斷，主要防止對手將球踢到前場，一旦球進入中場，搶斷的行為就應該有所減少，更加注重防守，爭取將球防守回后場，或者說，在防守中使得對手失誤，以達到搶斷的任務，轉換為進攻。具體實現(xiàn)步驟也可分為如下幾步：

第一步：2號以及3號兩名球員進行控球人員的防守，具體防守方式為一名球員進行中間強斷，由于球一直處于運動狀態(tài)，那么一名球員進行球的延長線阻斷，以形成防守，由兩名球員去包夾防守，成功率會有所提高。

第二步：4號球員與1號球員這兩個球員阻止對方的控球人員進行傳球，采取的方案就同情況一的四步一樣，都是判斷離開球員比較近以及空間范圍比較空的球員進行球員與該球之間的阻斷，所以要能在代碼中實現(xiàn)這一功能顯得十分重要。

第三步：我方的守門員要時刻將自己，球，以及對方控球的球員形成一條直線，以便快速形成最佳防守，防止球被直接射入球門。

情況三：對手進攻，球在對方的前場，就是等于說，此刻相對于來說，情況比較糟糕，可以說成是消極防守（這里不是說態(tài)度消極，而是指情況不容樂觀，屬于劣勢情況下的防守）。

采取的方案：加大對球門的防守，主要是進行守門員的協(xié)防工作，避免失球。2號球員以及4號球員進行協(xié)助守門員防守，防守的策略是進行加大防守面積，以及加大防守強度，2號與4號球員與守門員形成一個防守的三角形，并且始終根據對方的球的運動進行調整位置，另外的兩名球員進行控球人員地傳球阻斷。

3 總結

以上內容主要描述機器人輪速的控制，如何利用系統(tǒng)反饋的信息使機器人到達指定的位置，機器人角色的變化和防守策略決策系統(tǒng)。待解決的問題是在傳球過程中預測到敵人會阻礙我們傳球時應該做出什么樣的反應，這就涉及人工智能的知識了。在我們的防守策略中，我們綜合所有可能大概率出現(xiàn)的情況并且采取了相應的解決辦法，這樣的嚴防死守對手是很難進攻成功的。

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