2D机器人踢足球策略仿真平台搭建-1
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RoboCup机器人足球队2D仿真组高层策略的设计.pdf74页
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RoboCup机器人足球队 2D仿真组高层策
本论文介绍了 RoboCup机器人足球队 2D仿真组的设计和实现,完成了
一个完整的符合 RoboCup2D仿真组比赛要求的机器人足球队。首先介绍了
RoboCup和其仿真组比赛的背景,接着介绍了仿真组比赛的环境。从第三章
开始介绍了智能体agent的基本结构和球队设计的思想,并重点阐述如何设
计队员的各种场上能力,各球员间的配合策略,以及守门员的防守策略。此
外还完成了阵形的实现和转换,以及基本的场上教练的设计。最后通过比赛
对所完成的球队和使用的策略进行了分析和评估。
关键词 RoboC仿真组;智能体;配合策略
iHigh-level Strategy Design of RoboCup 2D
Simulation Soccer Team
In this thesis the design and implementation of a RoboCup 2D simulation
soccer team is introduced and the aim to design an integrated soccer team which is
qualified for the standard RoboCup 2D simulation competition is fulfilled. First,
the background of RoboCup and its simulation league is presented
followed by the
introduction of the competition environment of simulation league. In chapter three,
the basic structure of an agent and the framework of the team are described. Then
how to design the skills of a soccer player and cooperation strategy between
players in the field and the goalie strategy are particularly presentedSimultaneously, the team formations and transformation between different
formations in a match are implemented. Besides, a rudimentary on-line coach is
designed. In the last chapter the analysis and evaluation of the strategy used in
current team are carried out through actual matchesKeywords: RoboCup, Simulation League, Agent, Cooperation strategy
1.1 RoboCup简介.1
1.2 仿真组比赛简介1
2球队程序的开发环境和基本结构.3
2.1开发环境3
2.2球队的基本结构4
2.3球队启动的 shell脚本5
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育项目它通过提供一个标准问题来促进人工智能和智能机器人研究的发展为了这个目的RoboCup 组委会选择了足球比赛作为基本的领域并组织了机器人足球世界杯及学术会议要让一个机器人球队真正能够进行足球比赛必须集成各种技术包括自治智能体的设计准则多智能体合作策略获取实时推理机器人学以及传感器信息融合等对一个由多个快速运动的机器人组成的球队来说RoboCup 是一项在动态环境下的项目在RoboCup 的软件方面RoboCup 组委会还提供了软件平台以便于研究。RoboCup 的最终目标是到21 世纪中叶一支完全自治的人形机器人足球队能在遵循国际足联正式规则的比赛中战胜人类世界杯冠军队。RoboCup 足球比赛由实物组和仿真组2 部分组成，RoboCup 仿真组比赛是各种比赛中参赛队数目最多的一种仿真相对于实际有其优点也有其缺点其优点是可以在不需要很多资金的投入便可实现机器人足球赛缺点是软件相对于真实情况有较大的出入由于仿真环境与人类足球比赛的环境相似比赛队员的仿真模型与实际队员也很接近故其对于分布式人工智能理论的研究具有重要意义。2 仿真环境&& & & &2004 年以前，RoboCup 仿真比赛均为2D，是对二维世界的仿真，没有真实的物理模型，所维护的只是一些虚拟的运动模型。RoboCup 仿真比赛提供了一个完全分布式控制、实时异步多智能体的环境，通过这个平台，测试各种理论、算法和Agent 体系结构，在实时异步、与声的对抗环境下，研究多智能体间的合作和对抗问题。2D 仿真比赛在一个标准的计算机环境内进行，采用Client/Server 方式，由RoboCup 联合会提供Server 系统rcsoccersim，参赛队编写各自的客户端程序，模拟实际足球队员进行比赛。Rcsoccersim 通过提供一个虚拟场地，对比赛全部球员和足球的移动进行仿真，以离散的方式控制比赛的进程。仿真模型引入了真实世界的很多复杂特，诸如物体移动的随机、感知信息和执行机构的不确定、个人能力的物理有限以及通讯量的受限。Client 程序则表现为多个Agent(球员)为了共同的赢球目标进行多智能体间的合作规划，因此，我们需要进行以下设计：多线程的程序结构，client 和server 间的同步策略，根据有限信息重构足球场上所有对象图景，Agent 的底层动作设计，Agent 的高层决策智能算法。Rcsoccersim 通过UDP/IP协议和client 进行通信，并没有对client 的开发和运行环境提出任何其他限制，只要支持UDP/IP 协议即可，因此在开发环境和使用语言上可以有多种选择。由于rcsoccersim 运行在Linux/Unix 系统下，而Linux 遵循之GPL3 许可和RoboCup 开放源码、共享资源的思路有极大的相通之处，因此国际上一般都是选择Linux 系统作为开发平台。同时因为windows 系列平台的易用性，也有极少数参赛队选择，如清华大学TsinghuAeolus。考虑到有大量基于Linux 系统的文档资料，而且Linux 系统具有高性能的网络特性和实时处理能力，在 Linux 下同样拥有强大功能的编辑、编译、调试、源码控制程序，如vim, gcc, gdb, cvs 以及程序开发集成环境KDevelop，丝毫不比Win 平台逊色，所以本文选择了Linux 操作系统作为仿真开发平台。仿真开发环境一般需要有三台计算机组成局域网，其中一台运行rcsoccersim，另外两台分别运行两个参赛队的程序，三台机器连到同一个Hub。&& & & & Soccer Server 包含2 个程序：Server 和Monitor。Server 的工作是仿真足球和队员的移动、与Client 进行通信、按照一定的规则控制比赛的进程。Monitor 则负责利用X window（或windows）系统在Server 中显示虚拟场地。Server可以同时与多个Monitor 相连，因此，可以在多个显示器上同时显示比赛的情况。Client 与Server 之间通过UDP/IP 协议进行信息交互，Client 发送指令去控制相应的队员，同时从Server 端接收队员的传感器传回的信息。每个Client 模块只允许控制一名球员。故竞赛者必须同时运行与比赛球员数目相等的Client。Client 之间的通讯必须通过Soccer Server 来进行。Soccer Server 的一个目标就是对多智能体系统进行评价，而智能体之间的通讯效率是一个重要标准。竞赛者必须在此要求下实现对多个智能体的控制。RoboCup 仿真机器人系统的整体结构如图1 所示。从图1可知Soccer Server 由球场仿真模块、裁判模块和消息板模块3 部分组成。球场仿真模块计算球场上对象的运动，检测他们之间的碰撞；裁判模块根据规则来控制比赛的进程；而消息板模块负责Client 之间的通讯，每个Client 程序通过UDP的Socket 来连接Server ，同样，通过Socket、Client可以发送命令来控制球员，也可以接收球员的传感信息，但是每个Client只能控制一个球员。3 程序框架RoboCup 仿真是11VS11 的比赛，每支参赛队启动11个Agent(每个球员就是一个Agent)进程，每一个进程则由两个线程组成。一个是IO 处理线程，一旦网络上有rcsoccersim 发送的数据包，就被触发运行；另外一个则是决策线程，选择一个适当的时机，利用rcsoccersim给出的有限信息进行处理决策，最后选择一个合适的基本动作发送至rcsoccersim。由于两个线程都会利用/更新足球场上对象的信息，所以还需要增加一个互斥量，对该信息库进行加锁操作。球员体系结构如下图所示，从图中可以看出，决策线程是关键，每个Agent 内部都维护着一个世界模型，作为对真实世界的知识表述，由感知信息的处理结果和外部行为模块所选择动作的预测结果来共同更新。外部行为根据高层决策发送基本动作指令。基本动作作用于真实世界，从而改变Agent 将来的感知。还需要解决client 和server 间的同步问题，维护和更新世界模型，Agent高层决策算法以及为实现高层决策的底层动作（图示为外部行为）。3.1 信息交互Agent只可以和Soccer Server 交换信息。所以Agent 首先应该具备的功能就是交流信息的能力，也就是接收/发送信息的功能。因为Agent 通讯使用的是UDP/IP 协议传送过来的字符流，称之为原始信息，是不能直接拿来用的，所以Agent 必须有分析字符流数据的能力，能在里面提取有用的信息。获得信息以后，分析当前的环境，做出决策，以进行比赛，所以就要有决策功能。得到决策以后，把行动的结果发送到 Soccer Server。考虑到Soccer Server只认识规定格式的字符流，所以在发送之前，还需要一个信息格式生成功能才行。Agent 与Server的数据接口的基本的结构如图2所示。3.2 世界模型的维护Agent 仅能得到视野角度范围内的有限感知信息，而且有限的信息也带有噪声，而在Agent 内部维护一个较为准确的全局世界模型，是接下去所有决策的前提条件，具有重要意义。结合Agent 获取的感知信息以及对执行动作的预测结果去更新Agent的世界模型，首先更新Agent 本身的位置、速度等值，然后更新球和其他球员。
Agent 本身由于视觉信息是以相对坐标表示的，那么首先要确定对应视觉信息时刻的Agent 本身的绝对坐标。以视觉信息为主，再考虑自身感知信息以及动作预测结果来补充更新Agent本身信息。
足球在决策过程中，足球的位置和速度对动作的选择是一个相当关键的因素。因此，要尽可能及时获得关于足球的精确信息。主要利用视觉信息中的相对值来更新足球对象的位置和速度。当决定是否要截球、是否要踢球时，球的速度是非常重要的，而在视觉信息中通常不给出球的速度，因此当需要得到足球速度值时，可以通过原来的位置和当前的位置来计算球的速度。
其他球员由于经常会因为距离原因不能看到所有球员的号码及所属队名，甚至有些球员将不在视野范围内，因此很难跟踪每个球员的位置。我们需要建立尽可能准确的世界模型，包括场上所有对象信息。通常情况下，球员位置和速度的确定和球所采用的方法一样。所额外增加的是视觉信息中所提供的球员的面向。在不能获知球员的全部信息时，可用该球员的原先位置来消除这种不确定性。由于已知一个球员在一个周期内所能够移动的最大距离，因此当所得到的一个球员信息没有标识时，可以通过原来球员的位置来确定它的标识。3.3 底层动作介绍当一个良好的算法被设计后，同样需要完善的底层动作分解实现之，底层动作主要包括跑位、传球、截球、带球、断球、射门等个人技术。这些技术动作是最基本的，是实现高层的复杂策略所必不可少的，每个都是复合动作，实现都需要多个周期，由多个基本命令（dash,kick,turn）组成。 跑位：在决策出跑位点后，在跑位过程我们需要考虑世界模型的准确与完备，即视线不能老是对着跑位点，适当时候还应该转身扫描获取场上对象情况。 传球：扫描传球路线，确定传球力量。保证足球不会被对方球员所截获。 截球：已知足球速度方向，分析各球员的得球能力。 带球：不需要保证足球每个周期都在可踢范围内，只要保证自己能最早截球即可，可调用截球模块来重新获得足球控制权。 断球：当双方近距离争抢足球时，如何断球，夺取足球的控制权。 射门：可以参考传球模块，需要增加对对方守门员的额外考虑。底层动作的实现可采用几何的方法对运动模型进行解析计算，也可采用神经网络的方法进行场景训练，使用监督学习的方式，通过对多层前馈神经元网络的训练，实现如带球，传球，射门等基本技术。基于神经网络的学习在机器人足球领域已经有所研究，该文提出的方法也适用于仿真领域。3.4 高层算法简介高层决策研究——多智能体的合作与对抗——是RoboCup 仿真项目的最终研究目标。在机器人足球系统的开发中 ,近年来迅速发展的先进智能算法被充分利用，并取得了很好的效果。Peter Stone12使用层学习技术来设计机器人的基本动作和顶层决策。Kostas Kostiadis13利用再励学习方法实现多机器人系统中的合作行为。Endo Kazuaki et al.14运用遗传算法来优化系统的参数。层学习技术综合了慎思结构和反应式结构，有很成功的应用。RoboCup 仿真比赛的2001 世界冠军清华大学队15设计了层结构作为机器人的系统结构，使用神经元网络实现全队的基本队形，然后按照智能水平从低到高的顺序，建立整个机器人足球比赛系统，并应用于实践中。
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历史上的今天
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　　（一）RoboCup足球机器人比赛
　　（二）RoboCup救援组比赛
　　（四）RoboCup Junior
　　　　1、机器人足球赛（Soccer @ RoboCup Junior）
　　　　　　有名额国际标准项目：
　　　　　　
　　　　　　
　　　　　　
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　　　　2、机器人救援赛（Rescue @ RoboCup Junior）
　　　　　　有名额国际标准项目：
　　　　　　
　　　　　　
　　　　　　
　　　　　　RCJ 中国设置入门级项目：
　　　　　　
　　　　　　
　　　　　　
　　　　　　
　　　　　　
　　　　3、机器人舞蹈赛（OnStage @ RoboCup Junior）
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　　　　4、CoSpace项目
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　　　　5、标准平台组（RCJ-F180中学）（RCJ 中国设置项目）
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　　　　6、太空机器人之战（StarWar）
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相关链接：
中国自动化学会
中国人工智能学会
中科院自动化所
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