摘  要： 隨著仿真機(jī)器人在國內(nèi)國外迅速發(fā)展，對于仿真機(jī)器人的設(shè)計(jì)與提高也受到更多人的重視。提出了RoboCup機(jī)器人足球仿真中的關(guān)鍵性部分——基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)介紹了仿真機(jī)器人的系統(tǒng)環(huán)境、代理環(huán)境等。為了提高機(jī)器人的工作效率，著重討論了機(jī)器人對于足球的定位和控球問題。
　　關(guān)鍵詞： 機(jī)器人足球；類人機(jī)器人；定位
0 引言
　　RoboCup 3D類人仿真比賽[1]是一項(xiàng)類人機(jī)器人足球賽，需要極其逼近真實(shí)的比賽環(huán)境，并且仿真機(jī)器人能夠模擬人的動作。
　　參賽的機(jī)器人必須是參賽隊(duì)伍自主研制的、具有人的基本動作的機(jī)器人，其對外部信息的獲取只能通過頭部的攝像頭拍攝圖片，經(jīng)處理再傳給機(jī)器人。比賽的場地是450 cm×300 cm，雙方分為藍(lán)方（機(jī)器人和球門藍(lán)色）和橙方（機(jī)器人和球門橙色），標(biāo)準(zhǔn)的Nao機(jī)器人高57 cm，重4.5 kg，擁有22個(gè)自由度：每條腿6個(gè)，每條手臂4個(gè)，頸部2個(gè)，如圖1所示。

　　最新的賽制加入了異構(gòu)要求，需要使用三種不同類型的機(jī)器人，它們的區(qū)別在于手和腿的長短各不相同，并且出現(xiàn)了一種擁有腳趾的機(jī)器人，更加符合現(xiàn)實(shí)世界里的比賽情況，但也對機(jī)器人建模、行為模擬以及參數(shù)調(diào)整提出了更高的要求。
　　RoboCup類人組比賽是一項(xiàng)代表機(jī)器人發(fā)展最高水平的仿人機(jī)器人競技比賽。機(jī)器人對外部環(huán)境的感知只能通過位于機(jī)器人頭部的可見光波段下的視覺傳感器來進(jìn)行，因此，RoboCup類人組比賽是一項(xiàng)全自主的類人足球機(jī)器人比賽。
1 仿真系統(tǒng)描述
　　比賽要求在官方提供的模擬器SimSpark中進(jìn)行比賽和模擬，如圖2所示。

　　SimSpark使用的是一種能夠逼真模擬和檢測剛體運(yùn)動中碰撞和摩擦的開源動態(tài)引擎庫（ODE）。該庫在2010年添加了視覺遮擋和聲音傳感器。這個(gè)模擬器平臺在不需要機(jī)器人硬件成本投資的情況下促進(jìn)了在復(fù)雜的仿真環(huán)境中低級類人機(jī)器人和多智能體系統(tǒng)的仿真控制的研究，為智能體有效地在繁重的訓(xùn)練中學(xué)習(xí)基礎(chǔ)解決方案提供了可能。
　　SimSpark模擬器是仿真過程的服務(wù)主機(jī)，每個(gè)參賽隊(duì)的機(jī)器人通過TCP端口連接到主機(jī)。各隊(duì)伍的11個(gè)機(jī)器人進(jìn)程并行運(yùn)行并且除了通過一個(gè)有限的數(shù)據(jù)通道通信外不能隨意地相互通信。在模擬過程中，客戶機(jī)向服務(wù)器每隔20 ms發(fā)送一次力矩命令，但是每60 ms接受一次視頻信息。
　　在SimSpark中，客戶機(jī)不能夠看見其他的機(jī)器人、足球和在這20×30場地上的任何標(biāo)記。球場上有8個(gè)分布在球場邊角和球門上的機(jī)器人可辨識的標(biāo)記，它們的坐標(biāo)對用戶開放。
　　類人仿真系統(tǒng)[2]由Server、Monitor和Agent 3個(gè)主要部分組成[3]。
　　Server是能使不同的球隊(duì)進(jìn)行足球比賽的系統(tǒng)，比賽以C/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行，要求球隊(duì)的開發(fā)工具支持UDP/TCP連接（目前僅使用TCP協(xié)議），對實(shí)現(xiàn)沒有任何限制。客戶端每個(gè)Agent都是獨(dú)立的進(jìn)程，通過給定的端口與Server連接。服務(wù)器啟動及比賽流程如圖3所示。

　　Monitor是一個(gè)可視化的工具，顯示虛擬場地及比賽過程。
　　RoboCup 3D類人仿真比賽[4]采用的是11V11的模式。當(dāng)Agent和Server通過給定的端口連接后，所有的信息都通過該端口傳遞，各Agent從Server接收感知信息，感知信息包括其他球員、場地標(biāo)志等的相對位置以及其他比賽狀態(tài)信息，球員對收到的信息進(jìn)行分析處理并做出下一個(gè)動作，將該動作的請求發(fā)送給Server，Server接收到這些消息后執(zhí)行請求并相應(yīng)地更新環(huán)境，然后將感知信息發(fā)回每個(gè)Agent，如此反復(fù)，直到比賽結(jié)束。
2 代理體系結(jié)構(gòu)
　　代理客戶端運(yùn)行的“感覺”、“思考”和“行為”在同一個(gè)模擬周期序列。在“感覺”階段，代理從SimSpark服務(wù)器接收傳感器信息，對自身和其他物體進(jìn)行定位，構(gòu)建世界模型。同時(shí)，它能根據(jù)受力感知器讀數(shù)，決定如果落下或者檢測到任何跌倒，它立即執(zhí)行“起身”行為。否則，代理去“思考”的階段?！八伎肌彪A段，對機(jī)器人進(jìn)行環(huán)境分析，并決定做什么。在本戰(zhàn)術(shù)中，玩家的角色（除了守門員是固定的球員之一）是動態(tài)定位和分配角色的。這一階段也決定了高層次的行為，如在哪個(gè)方向，阻止或踢球，并在移動或運(yùn)球。
　　“行為”階段執(zhí)行兩種類型的行動：簡單的行為和行走。簡單的動作，如正從地上爬起來、守門員擋球踢，由關(guān)節(jié)角度序列進(jìn)行代理設(shè)置。一個(gè)有限自動機(jī)的目的是監(jiān)測行動和處理異常，使用PID控制器來計(jì)算各關(guān)節(jié)所需要的扭矩?；谠诰€模式所描述的行走軌跡，按照步長和轉(zhuǎn)角的腳步規(guī)劃計(jì)算，然后使用逆運(yùn)動學(xué)獲得相應(yīng)的關(guān)節(jié)角度。
3 定位
　　3.1 參數(shù)要求
　　SimSpark服務(wù)器的簡化視覺系統(tǒng)提供的相機(jī)和物體之間的相對位置在球坐標(biāo)系如圖4所示，因此不需要圖像處理。然而，機(jī)器人只能看到120°范圍內(nèi)的事物，所以需要處理與視覺的限制方法來實(shí)例化。
　　仿人機(jī)器人自定位方法估計(jì)和局部坐標(biāo)方向的位置v相對于世界坐標(biāo)系的w（參見圖4）[5]。這個(gè)問題涉及至少6個(gè)配置參數(shù)，很難用有限的里程計(jì)和傳感器的運(yùn)動模型建立的關(guān)系。同時(shí)，大多數(shù)時(shí)候，機(jī)器人實(shí)際上定位的要求是當(dāng)它直立行走在平坦的表面和髖關(guān)節(jié)被限制在一個(gè)水平面，因此，（高度、滾動和俯仰）是在一個(gè)小范圍的界。所以，在總體上機(jī)器人只需要預(yù)測二維位置（x，y）。

　　3.2 3D倒立擺
　　如圖5所示，把踝關(guān)節(jié)作為基準(zhǔn)坐標(biāo)P0=（x0，y0，z0），腳關(guān)節(jié)到腳邊緣距離為La、Lb、Lc和Ld。質(zhì)心位置為Pcog=[xcog，ycog，zcog]T，ZMP為Pzmp=[xzmp，yzmp，zzmp]T。根據(jù)ZMP的定義，當(dāng)只考慮單腿支撐，ZMP是在腳的中心，所以機(jī)器人的穩(wěn)定性是最好的。在獲取ZMP的位置之后[5]，通過行走參數(shù)和相應(yīng)的COG位置，得到計(jì)算單位。然后在腰部承擔(dān)相對質(zhì)心的位置不變，并直接獲得腰位置。最后，通過把整個(gè)腿關(guān)節(jié)角度的運(yùn)動學(xué)逆解，得到腳和腰部的位置，進(jìn)而計(jì)算腳的軌跡，使其準(zhǔn)時(shí)到達(dá)所需位置。
4 控球決策
　　機(jī)器人足球的數(shù)目從2010年的6個(gè)變?yōu)?011年的9個(gè)，現(xiàn)在是11個(gè)，這加重了團(tuán)隊(duì)合作的重要性。盡管增加了機(jī)器人的數(shù)目，但是控球的機(jī)器人只有一個(gè)。到目前為止，機(jī)器人之間的遠(yuǎn)距離傳球?qū)Υ蠖鄶?shù)隊(duì)來說還是不現(xiàn)實(shí)的，帶球者對球的控制才是贏球的關(guān)鍵。
　　在模型中，運(yùn)球前進(jìn)的人是被稱為英雄的角色，在競賽中承擔(dān)著最重的負(fù)擔(dān)。在策略中，代理首先根據(jù)球來選擇一個(gè)編隊(duì)，然后選擇一個(gè)英雄。代理的視角是受限制的，每個(gè)代理感知自我和其他球員的位置存在一定的偏差，多個(gè)英雄可能會出現(xiàn)在同一時(shí)間，造成混亂的碰撞球，這給控球帶來了負(fù)面影響。為了解決這個(gè)問題，采用投票的方法選擇最好的英雄，使用通信系統(tǒng)同步每個(gè)代理的選擇（因?yàn)樗袝r(shí)間延遲）。在通信系統(tǒng)中，代理不能100%確定自己的選擇，給每個(gè)投票一個(gè)權(quán)重來描述一個(gè)概率值（0，1）。
　　當(dāng)英雄在運(yùn)球時(shí)，確保其他球員保持優(yōu)勢地位，協(xié)助攻擊。每個(gè)角色的分配（或位置）根據(jù)機(jī)器人的位置形成相應(yīng)的編隊(duì)。與此同時(shí)，也有其他同步角色在待定中，以保持攻擊的順序，來防止?jié)撛诘呐鲎驳娘L(fēng)險(xiǎn)[6]。
　　在這里，使用以下標(biāo)準(zhǔn)選擇英雄：（1）球員是否下降；（2）球是否可見的球員；（3）球員與球的距離；（4）球員在球的前面還是后面（球員在球前通常需要額外的時(shí)間轉(zhuǎn)身）；（5）球員是否是守門員（競爭規(guī)則規(guī)定守門員必須第一）；（6）這一位運(yùn)動員在過去的周期是否是英雄。
5 結(jié)論
　　建立類人機(jī)器人，從底層控制優(yōu)化和學(xué)習(xí)問題到高層決策都涉及廣泛的知識。同時(shí)，在競賽中隨著模擬實(shí)時(shí)性要求越來越高，必須限制算法的計(jì)算復(fù)雜度。在高動態(tài)環(huán)境噪聲環(huán)境下，使用概率方法準(zhǔn)確定位機(jī)器人。設(shè)計(jì)一個(gè)動態(tài)腳步跟隨消耗少量計(jì)算能力和層次決策機(jī)制來實(shí)現(xiàn)球員之間的有效合作。
　　機(jī)器人個(gè)體的行為，尤其是行走技能，仍將是引導(dǎo)Robocup3D的主要因素。以后的工作重點(diǎn)是著重提高機(jī)器人行動的控制和行走的穩(wěn)定性，同時(shí)充分利用異構(gòu)機(jī)器人的優(yōu)勢。
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