CN104460668A

CN104460668A - 一种提高足球机器人射门效率的方法

Info

Publication number: CN104460668A
Application number: CN201410605801.0A
Authority: CN
Inventors: 刘欢; 王健; 王庆辉; 李金凤; 郭烁; 张琳琳
Original assignee: Shenyang University of Chemical Technology
Current assignee: Shenyang University of Chemical Technology
Priority date: 2014-11-03
Filing date: 2014-11-03
Publication date: 2015-03-25

Abstract

一种提高足球机器人射门效率的方法，涉及一种机器人的控制方法，所述方法包括射门算法的路径规划,机器人沿着平滑轨迹将位姿调整到射门状态,从对方门线的坐标点中选择射门目标点,以圆弧路径完成射门过程；机器人足球比赛系统选用集控式微型机器人足球系统；配置数字摄像头、传输线、镜头、数字接口卡、机器人小车、无线发射装置、比赛用球、充电器；射门过程基本射门算法采用球运动轨迹的物理模型；根据射门模型建立方程，根据物理模型建立关于时间的射门方程：F(x)=G(x)-x；软件配置摄像头驱动程序、机器人小车跟踪足球程序。通过实验演示结果与仿真分析，验证了算法的正确和优越性，有效地提高了射门效率。

Description

一种提高足球机器人射门效率的方法

技术领域

本发明涉及一种机器人的控制方法，特别是涉及一种提高足球机器人射门效率的方法。

背景技术

机器人足球是一个新兴的人工智能研究领域,它融合了实时视觉系统、机器人控制、无线通讯、多机器人控制等多个领域的技术, 国内外的机器人足球比赛实践表明,射门能力是决定一支球队赢得胜利的关键因素之一。

在目前所用的射门算法中,大多数算法较少考虑到运动控制算法对射门路径规划的影响,而且射门路径限于足球场的局部区域, 同时机器人射门轨迹平滑性不好，采用的算法也较为复杂，运行时间较长。针对上述射门算法的不足之处,对文献的射门算法进行了改进,实现机器人射门路径的全局路径规划。在此基础上合理规划机器人射门路径上的轨迹点,最后确定机器人的射门目标点,以保证动态射门效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高足球机器人射门效率的方法，通过路径规划,使得机器人沿着平滑的轨迹将位姿调整到射门状态,从对方门线的坐标点中选择射门目标点,以圆弧路径完成射门过程。通过实验演示结果与仿真分析，验证了算法的正确和优越性，有效地提高了射门效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种提高足球机器人射门效率的方法，所述方法包括射门算法的路径规划,机器人沿着平滑轨迹将位姿调整到射门状态,从对方门线的坐标点中选择射门目标点,以圆弧路径完成射门过程；机器人足球比赛系统选用集控式微型机器人足球系统；配置数字摄像头、传输线、镜头、数字接口卡、机器人小车、无线发射装置、比赛用球、充电器；射门过程基本射门算法采用球运动轨迹的物理模型；根据射门模型建立方程，根据物理模型建立关于时间的射门方程：F(x)=G(x)-x ；软件配置摄像头驱动程序、机器人小车跟踪足球程序。

本发明的优点与效果是：

1.本发明通过路径规划,使得机器人沿着平滑的轨迹将位姿调整到射门状态,从对方门线的坐标点中选择射门目标点,以圆弧路径完成射门过程。通过实验演示结果与仿真分析，验证了算法的正确和优越性，有效地提高了射门效率。

2.本发明通过路径规划,使得机器人沿着平滑的轨迹将位姿调整到射门状态,从对方门线的坐标点中选择射门目标点,以圆弧路径完成射门过程。通过实验演示结果与仿真分析，验证了算法的正确和优越性，有效地提高了射门效率。同时该改进的射门算法已经在机器人足球比赛中得到了较为成功的应用，使机器人足球队在全国机器人足球锦标赛中获得好成绩。

3.本发明通过路径规划,使得机器人沿着平滑的轨迹将位姿调整到射门状态,从对方门线的坐标点中选择射门目标点。通过实验演示结果与仿真分析，验证了算法的正确和优越性，有效地提高了射门效率。同时本发明提出的改进射门算法已经在机器人足球比赛中得到了较为成功的应用，使机器人足球队在全国机器人足球锦标赛中获得前三名的好成绩。

附图说明

图1机器人足球比赛系统；

图2机器人子系统的外型图；

图3　射门示意图；

图4射门场景；

图5射门坐标；

图6球射出角度15度；

图7球射出角度15度；

图8球射出角度60度；

图9球射出角度60度；

图10足球机器人跟踪目标演示。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例，对本发明作进一步详述。

为了提高足球机器人射门的成功率，本发明提出了一种改进的射门算法。通过路径规划,使得机器人沿着平滑的轨迹将位姿调整到射门状态,从对方门线的坐标点中选择射门目标点,以圆弧路径完成射门过程。通过实验演示结果与仿真分析，验证了算法的正确和优越性，有效地提高了射门效率。

实施例：

1实验环境

本课题使用如图1所示的机器人足球比赛系统:集控式微型机器人足球系统。中间是一块的木制比赛场地，在场地上划有白色的中线、中圈、禁区和门区等，这些都与绿茵场上的足球比赛类似。实验的机器人是一个大小的机器人小车。目标是一个橘红色的高尔夫球。

硬件配置：BASLER 1394 数字摄像头2个,1394 传输线2根,镜头2只,1394 数字接口卡2块,机器人小车1只,无线发射装置1套,比赛用球1个,十二路充电器一台

软件配置：摄像头驱动程序,机器人小车跟踪足球程序,本次实验所用的足球机器人是如图2所示机器人子系统的外型图。

2基本射门算法

射门过程如图3所示,基本射门算法可描述如下：

步骤(1)：计算机器人R的射门点A，其公式为

式中：为对方球门中心坐标；为球的坐标；为射门点A的坐标，K为常数，其值应当大于或等于机器人半径与球半径之和。

步骤(2)：机器人R运动到射门点A。

步骤(3)：调整机器人R的射门角度。

步骤(4)：机器人R踢球射门。

步骤(5)：如果射门成功,则结束,否则,转步骤(1)。

基本射门算法存在的不足之处：

(1)机器人到达射门点后要调整角度，考虑到精度问题，机器人转角时速度较慢，从而很有可能错过射门时机。

(2)机器人处于球和对方球门之间时，为了到达射门点可能会碰到球，导致重新规划，甚至可能出现“乌龙球”。

(3)机器人在各点之间的运动要经历加速和减速2个过程，无疑增加了射门时间，会出现贻误战机的情况。

步骤(4)：机器人R踢球射门。

步骤(5)：如果射门成功,则结束,否则,转步骤(1)。

基本射门算法存在的不足之处：

3改进的射门算法

3.1球运动轨迹的物理模型

要想获得更高射门的成功率需要解决的就是对球运动的判断从而做出正确的射门决策，即把射门问题归纳成图4的一个简单的场景。左边黑色小圆代表球，右边的圆代表球员，dist为球员到球的距离。a为球到球员之间的连线和球运动方向的夹角，speed为球的即时的运动速率它随球不断运动而衰减每周期衰减系数，spped为球的即时值，它不断随球的运动而不断衰减，每周期的衰减系数decay，b为球员截球角度。

在RoboCup仿真环境中时间被离散为周期所以运动也是离散的每周期100ms，球员在这100ms内感知环境并做出决策。仿真环境中的射门问题等价于解一个上面公式确定的球的运动轨迹和球员运动轨迹的交点。为此我们提出一个关于球员截球的时间方程F(x)。

3.2根据射门模型建立方程

根据物理模型建立关于时间的射门方程：

F(x)=G(x)-x

其物理意义解释如下：设球一开始的位置为o点。从o点以角度a，最大速率Vb0射出。经过x个周期后球到达M点，g(x)为球员从初试位置P跑到M点所需时间。如果方程存在解说明两者跑到M点所需时间相等，机器人就能最短距离截到球，射门成功。为简化方程建立如下坐标系以球为中心球与球员之间连线为x轴设球员位置为(x1,y1)其中y1 = 0 ,M位置为了(x2,y2),球位置为(0,0),见图5,设球与M距离为球员与M距离为d。因为球的速率每个周期都会下降，下降系数为decay。则经过x个周期，速度大小为，不难求出经过x个周期后，球经过的距离为：

M坐标为：

球员到M点距离：

假设机器人以最大速度vp0截球，则球员跑到M所需时间为：

所以可得f(x)方程为：

用Matlab求解如下所示：

令得出如图6所示：

令得出如图7所示：

令得出如图8所示：

令得出如图9所示：

从图6，图7，图8，图9求解情况看，当方程有解，值为0～1之间的值，也就是最短距离射门成功。当时没有解，也就是射门失败。在射门过程中，存在一个盲区，当时，足球机器人截不到球，即射门失败。

4实验结果

为了验证本发明算法的有效性，本实验是在FIRA小型机器人5对5比赛平台上进行的。球与射门机器人的初始位置如图10所示，两种方法的初始位置相同。将本发明的算法与文献的算法进行比较。实验时，足球放到赛场上的任意位置，机器人从不同的位置奔向足球完成射门过程，实验结果如下：本发明算法的射门总数260次，失球数50次，进球数210次，成功率百分之80.8。算法射门总数260次，失球数75次，进球数185次，成功率百分之71.2。

Claims

1. 一种提高足球机器人射门效率的方法，其特征在于，所述方法包括射门算法的路径规划,机器人沿着平滑轨迹将位姿调整到射门状态,从对方门线的坐标点中选择射门目标点,以圆弧路径完成射门过程；机器人足球比赛系统选用集控式微型机器人足球系统；配置数字摄像头、传输线、镜头、数字接口卡、机器人小车、无线发射装置、比赛用球、充电器；射门过程基本射门算法采用球运动轨迹的物理模型；根据射门模型建立方程，根据物理模型建立关于时间的射门方程：F(x)=G(x)-x ；软件配置摄像头驱动程序、机器人小车跟踪足球程序。