接 口 层 为 机 器 人 提 供 底 层 控 制 它 的 特 征 是 具 有 紧 密 的 感 知 一 动 作 循 环, 它 的 决 策 循 环 是 最 快 的, 每 个 周 期 都 会 执 行 系 统 底 层 在 接 口 层 和 决 策 层 之 间 起 黏 合 剂 的 作 用 它 接 收 由 决

江 南 大 学 阿 福 队 (RoboCup3D) 队 伍 描 述 RoboCup 是 一 项 研 究 分 布 式 人 工 智 能 智 能 机 器 人 技 术 及 其 相 关 领 域 的 研 究 大 型 比 赛 和 学 术 活 动, 他 已 成 为 检 验 各 种 不 同 的 AI 技 术 的 一 个 良 好 的 平 台 要 建 立 出 一 支 完 整 的 具 有 竞 争 力 的 球 队, 需 要 完 成 许 多 工 作, 首 先 必 须 完 善 球 队 底 层, 要 有 良 好 的 底 层 框 架 以 方 便 后 续 开 发, 进 而 建 立 机 器 人 世 界 模 型, 实 现 走 路 踢 球 等 各 种 动 作 以 及 使 机 器 人 进 行 自 主 的 决 策 江 南 大 学 阿 福 RoboCup3D 仿 真 足 球 队 (JNafu3D) 作 为 RoboCup 的 新 成 员, 成 立 于 2008 年 7 月, 在 2008 RoboCup 中 国 机 器 人 大 赛 中, 获 得 二 等 奖 在 过 去 的 一 年 时 间 里, 我 们 不 断 完 善 和 改 进 自 己 的 球 队, 使 球 队 更 加 具 有 竞 争 力 今 年 的 比 赛 环 境 和 比 赛 规 则 都 有 所 的 改 变, 经 过 我 们 不 懈 的 努 力, 不 仅 使 球 队 在 新 的 比 赛 环 境 中 也 能 够 发 挥 出 正 常 水 平, 还 在 一 些 新 的 领 域 中 进 行 了 切 实 可 行 的 探 索 一 程 序 框 架 在 RoboCup 这 样 一 个 动 态 实 时 的 系 统 中, 场 上 的 情 况 瞬 息 万 变, 机 器 人 面 对 的 是 一 个 动 态 的 环 境, 不 仅 需 要 保 持 对 紧 急 情 况 的 及 时 处 理, 还 要 能 进 行 复 杂 的 决 策 思 考 为 了 能 满 足 RoboCup 的 比 赛 要 求, 我 们 运 用 层 结 构 的 方 式 将 整 个 机 器 人 体 系 分 为 三 层, 即 决 策 层, 底 层 系 统, 和 接 口 层 从 而 使 机 器 人 作 为 一 个 球 队 的 球 员, 能 够 独 立 完 成 接 受 感 知 信 息, 进 行 决 策, 决 定 动 作, 并 发 出 命 令 球 员 系 统 结 构 如 下 图 1 图 1 Agent 结 构 图

接 口 层 为 机 器 人 提 供 底 层 控 制 它 的 特 征 是 具 有 紧 密 的 感 知 一 动 作 循 环, 它 的 决 策 循 环 是 最 快 的, 每 个 周 期 都 会 执 行 系 统 底 层 在 接 口 层 和 决 策 层 之 间 起 黏 合 剂 的 作 用 它 接 收 由 决 策 层 发 出 的 指 令, 序 列 化 之 后 送 给 接 口 层 例 如, 系 统 底 层 会 处 理 由 决 策 层 生 成 的 命 令, 并 做 出 采 取 那 种 反 应 行 为 的 决 策 系 统 底 层 的 决 策 循 环 通 常 慢 于 接 口 层 系 统 底 层 还 负 责 将 传 感 器 的 信 息 整 合 到 一 个 内 部 状 态 表 示 中, 也 就 是 更 新 自 己 的 世 界 模 型 1 系 统 核 心 模 块 JNafu3D 仿 真 足 球 机 器 人 程 序 的 设 计 和 实 现 充 分 利 用 了 面 向 对 象 和 设 计 模 式 结 构 因 为 面 向 对 象 为 概 念 和 代 码 提 供 了 直 接 映 像,Agent 模 块 结 构 如 图 2 所 示 程 序 主 要 有 以 下 几 个 模 块 :Agent 与 rcssserver3d 的 通 信 模 块, 解 析 服 务 器 消 息 模 块, 建 立 机 器 人 世 界 模 型 模 块, 决 策 生 成 模 块, 机 器 人 的 个 体 动 作 模 块 等 几 个 模 块 构 成 具 体 实 现 的 功 能 为 : (1) 通 讯 模 块 (AgentConnection), 机 器 人 通 过 此 模 块 与 环 境 进 行 交 互, 即 发 送 和 接 受 信 息 (2) 解 析 消 息 模 块 (MsgParser), 该 模 块 主 要 是 用 来 解 析 S-expressions 数 据 格 式 (3) 世 界 模 型 模 块 (WorldModel), 是 机 器 人 对 当 前 和 过 去 的 环 境 状 态 的 描 述, 为 规 划 和 控 制 提 供 信 息 (4) 决 策 模 块 (Decisions), 决 策 函 数 的 具 体 实 现, 使 得 机 器 人 能 够 对 于 不 同 的 比 赛 状 态 做 出 不 同 的 反 应 为 (5) 动 作 技 能 模 块 (Skills), 主 要 用 来 实 现 了 机 器 人 进 行 比 赛 的 基 本 行 图 2 Agent 的 模 块 结 构

2 系 统 辅 助 模 块 除 了 上 述 的 各 个 模 块 以 外, 我 们 还 需 要 一 些 辅 助 模 块 来 辅 助 开 发, 增 加 机 器 人 的 功 能, 下 面 介 绍 是 一 些 辅 助 模 块 的 功 能 和 实 现 (1)Logger 模 块 : 日 志 模 块, 记 录 机 器 人 运 行 时 的 一 些 数 据, 实 现 分 对 象, 分 层 次, 可 视 化 的 数 据 记 录, 为 调 试 工 作 带 来 了 方 便 (2)Geometry 模 块 : 几 何 模 块, 提 供 了 角 度, 矩 阵, 几 何 多 边 形, 二 维, 三 维 数 据 的 计 算 方 法 (3)ServerInfo 模 块 :Server 信 息 模 块, 对 Server 的 固 定 参 数 进 行 了 设 置, 包 括 球 场 参 数, 机 器 人 参 数, 比 赛 参 数 (4)Controller 模 块 : 机 器 人 关 节 控 制 模 块, 对 机 器 人 的 关 节 控 制 提 供 了 相 关 的 算 法, 方 便 程 序 对 关 节 的 控 制 (5)CmdOption 模 块 : 解 析 程 序 启 动 参 数 模 块, 主 要 用 来 解 析 球 员 号 码, 队 伍 名 等 参 数 3 程 序 主 循 环 的 实 现 程 序 主 循 环 的 实 现 是 依 照 感 知 分 析 决 策 循 环, 从 而 可 以 实 现 机 器 人 程 序 与 rcssserver3d 的 交 互, 完 成 仿 真 本 文 根 据 三 个 功 能 层 次 的 设 计 思 想, 将 每 个 层 次 实 现 为 一 个 单 独 的 线 程, 线 程 之 间 是 异 步 通 讯 的 感 知 层 线 程 中 完 成 最 底 层 的 通 讯 和 关 节 控 制 任 务, 所 以 该 线 程 的 计 算 量 很 小, 能 够 保 证 机 器 人 执 行 动 作 的 实 时 性, 并 且 根 据 收 到 感 知 信 息 的 时 刻 决 定 发 送 动 作 命 令 的 最 佳 时 刻 分 析 层 线 程 负 责 维 护 世 界 模 型, 并 且 根 据 上 层 决 策 的 目 标 来 产 生 动 作 序 列 决 策 层 根 据 世 界 模 型 决 策 出 当 前 的 目 标, 一 般 进 行 比 较 复 杂 但 实 时 性 要 求 不 高 的 运 算 这 样, 将 三 个 层 次 分 别 实 现 为 三 个 线 程, 满 足 了 反 应 与 慎 思 相 结 合 的 要 求 二 世 界 模 型 的 建 立 世 界 模 型 是 球 员 对 球 场 上 状 态 感 知 的 信 息 的 存 储 和 解 释, 这 些 信 息 必 须 保 存 起 来 以 供 球 员 决 策 使 用, 因 此 保 持 描 述 当 前 的 世 界 模 型 的 准 确 和 不 断 更 新 非 常 重 要 我 将 世 界 模 型 的 建 立 分 为 对 世 界 的 描 述 和 对 自 身 的 描 述 来 适 应 比 赛 的 需 要, 并 在 抗 干 扰 和 延 迟 的 方 面 做 了 优 化 1 世 界 描 述 我 们 在 世 界 模 型 中 建 立 一 个 全 局 坐 标 系, 球 场 的 中 心 是 坐 标 系 的 原 点,X 轴 与 球 场 边 线 平 行,Y 轴 与 球 场 底 线 平 行,Z 轴 方 向 为 竖 直 向 上, 并 且 X 轴 正 方 向 指 向 对 方 球 门 球 场 上 一 共 有 8 个 标 志 位, 这 样 通 过 各 个 标 志 位 的 坐 标 值 可 以 描 述 其 他 队 员 的 状 态

2 自 身 描 述 由 于 机 器 人 无 法 直 接 得 到 自 身 的 全 局 位 置 和 姿 态, 因 此 需 要 通 过 综 合 场 地 周 围 放 置 的 标 志 杆 的 全 局 位 置 和 视 觉 信 息, 以 确 定 自 己 视 觉 的 全 局 位 置 和 姿 态, 这 就 是 机 器 人 的 自 身 定 位 问 题 JNafu 通 过 三 个 标 志 杆 来 实 现 机 器 人 的 自 身 定 位, 这 样 在 没 有 随 机 噪 声 的 情 况 下, 可 以 计 算 得 到 很 精 确 的 位 置 和 姿 态 3 卡 尔 曼 滤 波 在 最 新 版 本 的 rcssserver3d 中, 加 入 了 环 境 的 噪 声 与 干 扰, 这 增 加 了 Agent 世 界 模 型 建 立 的 难 度 在 许 多 工 程 领 域, 卡 尔 曼 滤 波 以 其 广 泛 的 适 用 性 和 递 推 算 法 获 得 了 极 大 的 成 功 对 于 随 机 线 性 系 统, 当 模 型 准 确 且 系 统 过 程 噪 声 和 观 测 噪 声 为 高 斯 白 噪 声 序 列, 方 差 已 知 时, 卡 尔 曼 滤 波 有 近 似 完 美 的 效 果 所 以 JNafu 将 卡 尔 曼 滤 波 的 方 法 应 用 到 agent 定 位 中, 采 用 时 域 上 的 递 推 算 法 进 行 数 据 滤 波 处 理 三 仿 真 机 器 人 的 步 态 规 划 类 人 机 器 人 进 行 比 赛, 必 须 能 够 实 现 机 器 人 的 各 种 动 作, 如 双 足 步 行, 踢 球, 跌 倒 后 的 起 身 动 作 等 1 步 态 设 计 我 们 对 机 器 人 进 行 近 似 化, 将 行 走 理 解 为 为 大 腿 与 小 腿 的 前 后 运 动, 将 上 半 身 身 体 保 持 为 与 地 面 垂 直 状 态 迈 出 每 步 都 是 改 变 大 腿 与 上 半 身 的 角 度 与 改 变 大 腿 与 小 腿 之 间 的 角 度, 从 而 抽 象 出 行 走 的 本 质 为 了 保 证 机 器 人 行 进 的 稳 定 性, 我 们 运 用 动 力 学 过 滤 和 躯 干 轨 迹 补 偿 算 法 我 们 通 过 这 些 控 制 方 法 来 稳 定 误 差, 由 此 可 产 生 稳 定 的 步 态 2 路 径 规 划 我 们 必 须 保 证 机 器 人 运 动 的 平 稳 性, 并 且 有 良 好 的 避 障 及 路 径 规 划 能 力 JNafu 运 用 中 垂 线 法 和 基 于 人 工 势 场 的 方 法 方 法 来 进 行 路 径 的 规 划, 可 以 简 单 有 效 的 规 划 机 器 人 的 路 径, 并 使 其 保 持 有 利 的 姿 态 图 3 使 用 中 垂 线 法 计 算 出 路 径

图 3 是 本 队 使 用 中 垂 线 法 计 算 出 路 径 的 示 意 图 作 目 标 点 与 期 望 方 向 上 一 点 的 连 线 BT, 目 标 点 与 Agent 的 连 线, 在 作 目 标 点 和 Agent 之 间 线 段 的 中 垂 线 交 于 BT 与 A, 使 Agent 向 该 点 运 动, 在 下 一 周 期 在 作 一 条 新 的 中 垂 线, 交 BT 于 新 的 一 点, 使 Agent 再 向 着 新 的 一 点 运 动, 以 此 类 推, 最 终 Agent 将 趋 向 目 标 点, 同 时 保 证 其 姿 态 为 期 望 的 方 向 人 工 势 场 中 的 目 标 点 产 生 引 力 场, 障 碍 物 则 产 生 旋 转 场 或 斥 力 场 我 们 人 工 势 场 法 将 这 些 作 用 向 量 直 接 作 用 在 本 方 的 机 器 人 上, 是 它 们 随 着 这 些 向 量 运 动 它 作 用 的 范 围 更 广, 而 且 在 回 防 和 进 攻 的 链 接 上 更 加 流 畅, 算 法 直 观, 参 数 的 物 理 意 义 很 明 确, 并 容 易 调 整 3 跌 倒 站 立 在 比 赛 中, 起 身 动 作 的 好 坏 直 接 影 响 到 一 个 仿 真 球 队 的 整 体 水 平, 因 此, 起 身 动 作 也 是 我 们 工 作 中 的 一 个 重 点 JNafu 的 起 身 策 略 为 当 检 测 到 当 前 的 状 态 为 倒 地 状 态, 先 将 躯 体 恢 复 到 平 直 状 态, 接 着 用 手 臂 迅 速 撑 起 身 体, 再 用 腿 部 关 节 平 稳 身 躯, 然 后 在 身 体 渐 渐 直 立 起 来 的 过 程 中 将 支 撑 点 由 膝 关 节 转 移 到 脚 部 直 到 平 稳 站 起 我 们 通 过 巧 妙 的 算 法 实 现 了 如 上 功 能, 使 我 们 的 起 身 动 作 在 符 合 server 对 关 节 弯 曲 的 角 度 要 求 下 能 实 现 快 速 站 立, 并 且 起 身 后 偏 离 目 标 位 置 较 小 四 总 结 JNafu3D 仿 真 球 队 具 有 以 下 的 特 点 : 1 精 确 的 世 界 模 型 系 统 : 从 视 觉 感 知 信 息 确 定 机 器 人 自 身 的 全 局 位 置, 描 述 了 仿 真 足 球 比 赛 环 境 和 机 器 人 的 自 身 状 态 ; 精 确 高 效 的 内 部 状 态 更 新 算 法, 使 用 正 运 动 学 计 算 机 器 人 全 身 的 位 姿 ; 通 过 卡 尔 曼 滤 波 器 去 除 噪 声 精 确 数 据, 使 仿 真 环 境 的 噪 声 对 机 器 人 的 干 扰 降 到 最 低, 从 而 满 足 机 器 人 对 实 时 性 的 要 求 ; 2 灵 活 与 方 便 扩 展 的 框 架 结 构 : 对 程 序 进 行 合 理 的 分 层, 通 过 不 同 功 能 细 分 为 接 口 层, 决 策 层 和 底 层 系 统 层 按 照 响 应 速 度 再 将 程 序 分 成 三 个 线 程, 感 知 线 程 分 析 线 程 和 决 策 线 程, 加 快 了 程 序 的 思 考 速 度, 减 少 反 应 时 间, 使 程 序 在 比 赛 过 程 中 可 以 迅 速 的 做 出 反 应 ; 3 高 效 稳 定 的 机 器 人 行 为 动 作 : 简 化 机 器 人 的 走 路 动 作 为 抬 腿 移 动 落 脚 三 个 阶 段, 并 对 如 何 保 持 身 体 平 衡 做 了 系 统 的 分 析 ; 通 过 动 力 学 过 滤 器 和 躯 干 轨 迹 补 偿 算 法 来 减 少 误 差, 从 而 来 稳 定 步 态 ; 分 析 了 机 器 人 进 攻 时 路 径 的 规 划, 力 争 在 确 保 稳 定 性 的 情 况 下, 提 高 处 理 的 速 度, 使 得 机 器 人 保 持 有 利 的 姿 态 ; 高 效 快 速 的 起 身 动 作, 考 虑 更 多 的 摔 倒 情 况, 分 别 设 计 起 身 方 案 和 起 身 动 作, 增 强 机 器 人 的 对 抗 能 力