機(jī)器人足球賽為機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制、人工智能、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等提供了一個(gè)良好的研究與試驗(yàn)平臺(tái)，已成為一個(gè)熱門(mén)研究課題。微型機(jī)器人足球賽是機(jī)器人足球賽中最基本的一種，它由視覺(jué)子系統(tǒng)、無(wú)線通信子系統(tǒng)、策略子系統(tǒng)以及足球機(jī)器人子系統(tǒng)組成。比賽是在策略子系統(tǒng)指揮下自主進(jìn)行的，每秒鐘要處理25或30幀圖像。當(dāng)擁有了良好的硬件設(shè)備后，整個(gè)球隊(duì)水平主要決定于策略子系統(tǒng)的水平。其主要任務(wù)包括：場(chǎng)上攻防態(tài)勢(shì)判斷、球隊(duì)中每個(gè)機(jī)器人角色劃分及任務(wù)分配、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、機(jī)器人間相互配合等。由于場(chǎng)上形勢(shì)千變?nèi)f化，決策時(shí)間又相當(dāng)短暫，所以如何構(gòu)建一個(gè)良好的策略子系統(tǒng)成為研究的重點(diǎn)。文獻(xiàn)^[5]采用實(shí)時(shí)自組織模糊決策樹(shù)進(jìn)行決策，將球所在區(qū)域以及雙方控球狀態(tài)劃分成12種情況，針對(duì)每種情況提出了相應(yīng)的策略。由于判斷條件比較復(fù)雜，實(shí)施起來(lái)難以達(dá)到滿意的效果。文獻(xiàn)^[6]列出了常見(jiàn)的反應(yīng)行為，并給出了有利目標(biāo)點(diǎn)的計(jì)算方法。其缺點(diǎn)是沒(méi)有給出一種合適的行為觸發(fā)機(jī)制。本文分析了機(jī)器人應(yīng)有的幾種反應(yīng)行為，確定了策略研究" title="策略研究">策略研究重點(diǎn)，提出了一種新的隊(duì)員角色分配策略，可以根據(jù)不同的情況產(chǎn)生不同的行為并動(dòng)態(tài)地分配給相應(yīng)的機(jī)器人；設(shè)計(jì)了一套行為觸發(fā)機(jī)制，能及時(shí)合理地觸發(fā)反應(yīng)行為，從而保證場(chǎng)上每個(gè)機(jī)器人隨時(shí)都有明確的目標(biāo)和行為。
1 場(chǎng)地的劃分
　　根據(jù)比賽過(guò)程分析，將球場(chǎng)劃分成如圖1所示幾個(gè)區(qū)域。區(qū)域1、2、3、4為角區(qū)，5、6為邊界區(qū)域，區(qū)域7為防守區(qū)，區(qū)域8為進(jìn)攻區(qū)，區(qū)域9、10分別為我方禁區(qū)和對(duì)方禁區(qū)。
2 行為標(biāo)志及有利目標(biāo)點(diǎn)的確定
2.1 足球機(jī)器人應(yīng)有的反應(yīng)行為及其條件
　　下面分析攻/防隊(duì)員的基本行為。守門(mén)員的動(dòng)作行為比較特殊，可參見(jiàn)文獻(xiàn)^[7]。綜合分析足球機(jī)器人的場(chǎng)上行為，可劃分為如下幾類(lèi)：
　　(1)射門(mén)
　　當(dāng)機(jī)" title="當(dāng)機(jī)">當(dāng)機(jī)器人離球較近且處于較有利的位姿時(shí)，如圖2所示，應(yīng)毫不猶豫地進(jìn)行射門(mén)以破門(mén)得分。射門(mén)行為的觸發(fā)條件為：
　　①機(jī)器人與球的距離d小于某個(gè)臨界值d₀，在實(shí)驗(yàn)中取d₀=30cm；
　　②機(jī)器人的朝向與機(jī)器人和球連線方向的夾角△θ小于某個(gè)臨界值θ₀，在實(shí)驗(yàn)中取θ₀=30°；
　　③機(jī)器人和球連線方向應(yīng)大致朝向?qū)Ψ角蜷T(mén)，即規(guī)定其方向在對(duì)方禁區(qū)兩端和機(jī)器人連線范圍內(nèi)，如圖2中兩虛線包圍的范圍。
　　(2)旋轉(zhuǎn)踢球
　　當(dāng)球位于邊界區(qū)或者角區(qū)，且機(jī)器人又沒(méi)有很好的踢球位姿時(shí)，可以采用旋轉(zhuǎn)的辦法將球踢出邊界區(qū)或者角區(qū)。
　　(3)觸界后退
　　當(dāng)機(jī)器人碰到場(chǎng)地邊界時(shí)，應(yīng)停止前進(jìn)并快速后退。
　　(4)追球(或帶球" title="帶球">帶球前進(jìn))
　　追球是機(jī)器人應(yīng)具有的最基本的行為之一。何時(shí)產(chǎn)生這種行為以及由哪個(gè)隊(duì)員來(lái)完成該行為將在后面防守區(qū)和進(jìn)攻區(qū)的行為規(guī)劃中加以確定。
　　(5)到目標(biāo)點(diǎn)
　　當(dāng)一個(gè)機(jī)器人帶球進(jìn)攻時(shí)，另一個(gè)機(jī)器人需要跑到協(xié)攻位置；在進(jìn)行防守時(shí)也需要搶先占據(jù)有利位置，這就是機(jī)器人的跑位問(wèn)題。從當(dāng)前位置跑向目標(biāo)位置是機(jī)器人另一種最基本的行為。
　　策略研究的重點(diǎn)應(yīng)放在射門(mén)、追球、到目標(biāo)點(diǎn)三種行為機(jī)制上。

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2.2 球位于防守區(qū)時(shí)的行為規(guī)劃
　　當(dāng)球位于防守區(qū)7時(shí)，場(chǎng)上隊(duì)員的主要任務(wù)是進(jìn)行防守和攔截；當(dāng)條件具備時(shí)，又要不失時(shí)機(jī)地搶球" title="搶球">搶球進(jìn)行反攻，變被動(dòng)為主動(dòng)。
　　分三種情況討論：
　　(1)如圖3，兩機(jī)器人均位于球的后方。這種情況比較危險(xiǎn)，兩機(jī)器人均不適合搶球。此時(shí)兩機(jī)器人應(yīng)迅速回退到有利的防守點(diǎn)，例如圖3中的1、2兩點(diǎn)。上方的機(jī)器人目標(biāo)點(diǎn)可選為點(diǎn)1，下方的機(jī)器人目標(biāo)點(diǎn)為點(diǎn)2。

　　(2)兩機(jī)器人均位于球的前方。這是一種比較有利的防守態(tài)勢(shì)，既能占據(jù)有利的防守位置，也可在條件允許時(shí)斷球反攻。策略子系統(tǒng)的任務(wù)有三個(gè)：其一是確定主防守隊(duì)員，一般情況下，對(duì)方從哪一側(cè)進(jìn)攻，就由相應(yīng)一側(cè)隊(duì)員作為主防守隊(duì)員；其二是進(jìn)行防守運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，在固守的前提下破壞掉對(duì)方的進(jìn)攻；其三是確定斷球時(shí)機(jī)，由防守轉(zhuǎn)為進(jìn)攻，應(yīng)該判斷兩機(jī)器人是否適合搶球或者干擾對(duì)方進(jìn)攻。兩個(gè)有利的防守點(diǎn)依然是圖3中的點(diǎn)1和點(diǎn)2。可直接根據(jù)兩機(jī)器人的y坐標(biāo)動(dòng)態(tài)分配有利防守點(diǎn)：y坐標(biāo)大的機(jī)器人其目標(biāo)點(diǎn)為點(diǎn)1，小的則為點(diǎn)2。當(dāng)只有一個(gè)防守隊(duì)員適合去斷球時(shí)，另一機(jī)器人要退守到最有利的防守點(diǎn)，如圖4中點(diǎn)1。如果兩個(gè)機(jī)器人均適合搶球，則應(yīng)選擇更有利于搶球者，另一機(jī)器人則退守到有利的防守點(diǎn)。

　　不能只根據(jù)機(jī)器人與球的距離確定斷球機(jī)器人。如圖5所示，雖然機(jī)器人1離球很近，但當(dāng)機(jī)器人的朝向與機(jī)器人和球的連線之夾角過(guò)大時(shí)，機(jī)器人很難向?qū)Ψ桨雸?chǎng)踢球。此時(shí)機(jī)器人1應(yīng)向點(diǎn)1退守，由機(jī)器人2去搶球。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)同時(shí)滿足下面條件時(shí)不利于機(jī)器人追球：
　　①機(jī)器人與球的距離d＜10cm；
　　②機(jī)器人的朝向與機(jī)器人和球的連線夾角△θ＞20°。
　　如果經(jīng)過(guò)上述判斷，兩機(jī)器人均適合搶球，此時(shí)應(yīng)進(jìn)一步判斷哪個(gè)機(jī)器人更適合去搶球。為此，定義搶球能力：
　　
　　式中，k₁、k₂、d、△θ分別為距離加權(quán)因子、角度加權(quán)因子、機(jī)器人到球的距離(cm)、機(jī)器人朝向與機(jī)器人和球連線之間的夾角(rad)。實(shí)驗(yàn)中k₁取0.05、k₂取1.2時(shí)效果較好，如圖6所示。

　　在機(jī)器人適合追球的情況下同時(shí)判斷機(jī)器人是否適合射門(mén)。如果適合射門(mén)，則應(yīng)置相應(yīng)機(jī)器人行為標(biāo)志為射門(mén)標(biāo)志。
　　(3)兩個(gè)機(jī)器人分別位于球的前方和后方，如圖7。此時(shí)，應(yīng)該讓位于前方的機(jī)器人快速退守到有利防守點(diǎn)1。如果位于球后方的機(jī)器人有較好的搶球或者干擾對(duì)方機(jī)器人的機(jī)會(huì)，則應(yīng)該讓該機(jī)器人去搶球；如果該機(jī)器人不適合搶球，則應(yīng)該快速退守到有利的防守點(diǎn)2，待穩(wěn)固防守后再伺機(jī)反攻。

2.3 球位于進(jìn)攻區(qū)時(shí)的行為規(guī)劃
　　當(dāng)球位于進(jìn)攻區(qū)8時(shí)，我方隊(duì)員要把握好機(jī)會(huì)努力突破對(duì)方防線并爭(zhēng)取破門(mén)得分，同時(shí)，也要注意隨時(shí)轉(zhuǎn)入防守。考慮到進(jìn)攻得手的關(guān)鍵是突破對(duì)方防線，為此，采用一前一后、左右適當(dāng)錯(cuò)開(kāi)的“雙機(jī)器人并進(jìn)”進(jìn)攻方式。一旦主攻機(jī)器人受阻，助攻機(jī)器人可以馬上接球繼續(xù)進(jìn)攻。如果丟球，助攻機(jī)器人也可以立即爭(zhēng)搶或者盡快堵截，以爭(zhēng)取時(shí)間讓另一個(gè)機(jī)器人回防。助攻機(jī)器人一般占據(jù)滿足下述要求的有利目標(biāo)點(diǎn)：其x坐標(biāo)比球的x坐標(biāo)減2個(gè)車(chē)長(zhǎng)，y坐標(biāo)比球的y坐標(biāo)減1個(gè)半車(chē)長(zhǎng)(左路進(jìn)攻)或加1個(gè)半車(chē)長(zhǎng)(右路進(jìn)攻)。
2.4 球位于角區(qū)及邊界區(qū)的行為規(guī)劃
　　當(dāng)球位于角區(qū)時(shí)，離球較近的機(jī)器人去追球，另一機(jī)器人則占據(jù)有利位置。追球的機(jī)器人追到球時(shí)，一般采用旋轉(zhuǎn)踢球方式將球踢出角區(qū)。當(dāng)小球位于邊界區(qū)時(shí)，采取的策略與在防守區(qū)及進(jìn)攻區(qū)時(shí)相似，此外還要進(jìn)行是否進(jìn)行旋轉(zhuǎn)踢球的判斷。若需要旋轉(zhuǎn)踢球，則進(jìn)一步判斷是順時(shí)針還是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
2.5 控球機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃
　　當(dāng)機(jī)器人追到球后，毫無(wú)疑問(wèn)，它應(yīng)該向?qū)Ψ角蜷T(mén)方向運(yùn)動(dòng)，所以將控球機(jī)器人的目標(biāo)點(diǎn)定為對(duì)方球門(mén)中點(diǎn)比較合適。此時(shí)機(jī)器人會(huì)帶球向?qū)Ψ角蜷T(mén)方向運(yùn)動(dòng)。在此過(guò)程中會(huì)判斷是否適合射門(mén)，如果滿足射門(mén)條件則啟動(dòng)射門(mén)行為。
3 角色分配及行為觸發(fā)方式
　　角色分配就是將任務(wù)分配給場(chǎng)上的機(jī)器人，也就是設(shè)置機(jī)器人的行為標(biāo)志，并給出某些行為需要的目標(biāo)點(diǎn)。以上是以3對(duì)3比賽為例說(shuō)明的，守門(mén)員固定，角色分配只需將兩個(gè)任務(wù)分配給兩個(gè)機(jī)器人。在5對(duì)5或11對(duì)11比賽中，有多個(gè)角色需要分配，下面給出一種通用的角色分配方法。該方法保證每個(gè)機(jī)器人都能分配到任務(wù)，而且每個(gè)機(jī)器人的任務(wù)是惟一的，分配過(guò)程如下：
　　(1)為每個(gè)機(jī)器人設(shè)置一個(gè)已分配標(biāo)志，并初始化為未分配狀態(tài)(未分配狀態(tài)為0，已分配狀態(tài)為1)。
　　(2)找出最重要的待分配的任務(wù)。
　　(3)進(jìn)入分配循環(huán)，依次查找各機(jī)器人的已分配標(biāo)志，若該機(jī)器人已分配任務(wù)，則檢查下一個(gè)機(jī)器人的該標(biāo)志；若該機(jī)器人未分配任務(wù)，則按一定的規(guī)則計(jì)算出該機(jī)器人針對(duì)該任務(wù)的性能指標(biāo)，并在循環(huán)中比較各個(gè)未分配任務(wù)的機(jī)器人的該指標(biāo)。找出該指標(biāo)最優(yōu)的機(jī)器人，將該任務(wù)分配給它，即將其行為標(biāo)志置成相應(yīng)值，并給出可能需要的目標(biāo)點(diǎn)，并將其已分配標(biāo)志置為1。
　　(4)對(duì)下一個(gè)待分配的任務(wù)重復(fù)步驟3，直到場(chǎng)上活動(dòng)的機(jī)器人均有確定的任務(wù)。
　　當(dāng)設(shè)置好行為標(biāo)志以及可能用到的目標(biāo)點(diǎn)后，就可以根據(jù)行為標(biāo)志觸發(fā)各個(gè)機(jī)器人的行為。策略的實(shí)施用到以下兩個(gè)主要函數(shù)：
　　(1)SetActionFlag( )用于設(shè)置各個(gè)機(jī)器人行為標(biāo)志及可能用到的目標(biāo)點(diǎn)。算法描述如下：
　　①判斷球所在區(qū)域，計(jì)算每個(gè)機(jī)器人到球的距離dist[i]以及機(jī)器人朝向與機(jī)器人和球連線的夾角delta_theta[i]；
　　②根據(jù)球所在的區(qū)域進(jìn)入相應(yīng)的策略。根據(jù)機(jī)器人與球的位置關(guān)系(前方或后方)，確定總體任務(wù)(即待分配的各個(gè)任務(wù))，根據(jù)上面的方法進(jìn)行角色分配，即設(shè)置各個(gè)機(jī)器人的行為標(biāo)志ActionFlag[i]及給出可能需要的目標(biāo)點(diǎn)target[i]；
　　③檢驗(yàn)各個(gè)機(jī)器人是否需要特殊反應(yīng)行為(如碰邊界后退)，如需要，則將行為標(biāo)志值置成相應(yīng)值。函數(shù)返回。
　　(2)RobotAction( )用來(lái)根據(jù)各個(gè)機(jī)器人的行為標(biāo)志ActionFlag[i]及可能用到的target[i]，調(diào)用相應(yīng)的底層動(dòng)作函數(shù)。RobotAction( )描述如下：
　　判斷各行為標(biāo)志，若為1，則后退；為 2，右旋；為3，左旋；為4，射門(mén)；為5，追球；為6則到目標(biāo)點(diǎn)。帶球前進(jìn)可以看作追球的一種特殊情況。因此其行為標(biāo)志與追球相同。決策系統(tǒng)根據(jù)該行為標(biāo)志調(diào)用底層動(dòng)作函數(shù)，其內(nèi)部會(huì)根據(jù)該機(jī)器人與球的距離判斷是否已接觸球，若已接觸球，則為帶球前進(jìn)，此時(shí)該機(jī)器人要采取一定的避障措施。關(guān)于避障及路徑規(guī)劃算法在文獻(xiàn)^[6]和文獻(xiàn)^[8]中均有介紹，不再討論。
　　通過(guò)上述的角色分配及行為觸發(fā)方式，可保證機(jī)器人各種反應(yīng)行為能及時(shí)地觸發(fā)。這樣，每個(gè)調(diào)用周期均能讓各個(gè)機(jī)器人產(chǎn)生合理的行為。
　　本文分析了機(jī)器人在場(chǎng)上的基本行為，確定了不同情況下的有利目標(biāo)點(diǎn)及各機(jī)器人應(yīng)有的行為，建立了機(jī)器人的角色分配和行為觸發(fā)機(jī)制。該行為產(chǎn)生方法能夠動(dòng)態(tài)分配角色，使場(chǎng)上每個(gè)機(jī)器人隨時(shí)都有明確的目標(biāo)和行為。該行為產(chǎn)生機(jī)制層次分明，實(shí)時(shí)性好，便于擴(kuò)充和升級(jí)。實(shí)驗(yàn)及比賽結(jié)果表明，球隊(duì)的攻防效果均得到了明顯的改善。對(duì)行為規(guī)劃部分稍加改進(jìn)，該行為產(chǎn)生方法即可用于5對(duì)5及11對(duì)11比賽中。在現(xiàn)實(shí)中，該行為產(chǎn)生方法可應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域。例如在軍事領(lǐng)域，該方法中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、角色分配及行為觸發(fā)機(jī)制可用于無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)群的協(xié)作控制，如無(wú)人駕駛飛機(jī)群的編隊(duì)控制及與敵方的輔助攻防對(duì)抗、海軍艦隊(duì)的編隊(duì)與輔助協(xié)同作戰(zhàn)以及未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上機(jī)器人部隊(duì)的組成等。
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