丁成波，蔡家斌，劉 文

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

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一種改進(jìn)的多機(jī)器人角色變換方法研究*

丁成波，蔡家斌，劉 文

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

以多機(jī)器人足球比賽為研究背景，針對(duì)多機(jī)器人之間的通信和角色變換問(wèn)題，首先對(duì)多機(jī)器人之間的通信進(jìn)行研究，并通過(guò)廣播形式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人之間的信息共享；接著對(duì)機(jī)器人足球比賽時(shí)各種角色以及決策策略進(jìn)行了分析和研究，在實(shí)施決策過(guò)程中提出了一種計(jì)算主攻、助攻以及后衛(wèi)等角色分配的計(jì)算方法；最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該計(jì)算方法的正確性，并得出基于通信進(jìn)行角色變換的多機(jī)器人踢球效率優(yōu)于無(wú)通信進(jìn)行信息共享和角色變換的多機(jī)器人以及單個(gè)機(jī)器人踢球效率的結(jié)論。

機(jī)器人足球比賽；決策策略；角色分配方法；踢球效率

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)的研究也得到了相應(yīng)的發(fā)展并且取得了豐碩的成果，機(jī)器人成為了人類實(shí)際生活的一部分，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中單個(gè)機(jī)器人在完成較復(fù)雜任務(wù)時(shí)的效率往往無(wú)法滿足實(shí)際的需求[1-4]。因此，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者們通過(guò)研究多機(jī)器人協(xié)作來(lái)實(shí)現(xiàn)和完成單個(gè)機(jī)器人無(wú)法完成的工作，其應(yīng)用前景廣泛[5-6]。其中，機(jī)器人足球系統(tǒng)是一個(gè)比較典型的需要多個(gè)機(jī)器人協(xié)作進(jìn)行踢球的多機(jī)器人系統(tǒng)。

在機(jī)器人足球系統(tǒng)中，多機(jī)器人通信作為研究多機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的特別關(guān)注。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)對(duì)“多機(jī)器人通信”課題進(jìn)行大量的研究后，取得了不錯(cuò)的成果[7]。文獻(xiàn)[8]以機(jī)器人足球賽為研究背景，指出在機(jī)器人足球比賽過(guò)程中，數(shù)據(jù)的傳遞和信息的共享往往會(huì)存在一定的錯(cuò)誤和延時(shí)，這影響了通信的可靠性，從而影響球隊(duì)整體效率。從某種意義來(lái)講，一種優(yōu)秀的角色分配算法是評(píng)價(jià)足球機(jī)器人決策系統(tǒng)好壞的關(guān)鍵因素之一。所以這也引起了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的高度重視和大量的研究[9-10]。文獻(xiàn)[11]對(duì)傳統(tǒng)的基于市場(chǎng)機(jī)制算法進(jìn)行了研究，指出該算法的競(jìng)標(biāo)函數(shù)比較簡(jiǎn)化，影響到了最優(yōu)性的缺點(diǎn)，提出了一種具有分級(jí)競(jìng)標(biāo)策略的改進(jìn)市場(chǎng)機(jī)制動(dòng)態(tài)角色分配算法。文獻(xiàn)[12]指出在靜態(tài)角色分配過(guò)程中，當(dāng)任務(wù)或者環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，原來(lái)的機(jī)器人依舊按照原來(lái)的任務(wù)去執(zhí)行，多機(jī)器人之間的實(shí)時(shí)性受到了很大的影響，導(dǎo)致效率很低，從而提出了一種基于多影響因素的角色動(dòng)態(tài)分配機(jī)制，使得多機(jī)器人之間能夠合理地進(jìn)行任務(wù)分配。可見(jiàn)在足球機(jī)器人領(lǐng)域，多機(jī)器人之間可靠的通信和優(yōu)越的角色變化算法是決定球隊(duì)獲勝的關(guān)鍵因素。

因此，本文以機(jī)器人足球比賽為研究背景，在研究多NAO機(jī)器人通信的基礎(chǔ)上，提出了機(jī)器人踢球時(shí)的策略和一種場(chǎng)上各種角色分配的計(jì)算方法，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的正確性，同時(shí)驗(yàn)證了多機(jī)器人基于通信情況下運(yùn)用策略進(jìn)行踢球的效率優(yōu)于無(wú)通信協(xié)作的多機(jī)器人踢球和單個(gè)機(jī)器人踢球的效率。

1 多機(jī)器人的通信

在進(jìn)程間通信、調(diào)試通信以及團(tuán)隊(duì)間通信三種通信方式中，團(tuán)隊(duì)通信是多NAO 機(jī)器人間通信的實(shí)現(xiàn)，它是通過(guò)UDP 的方式實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)機(jī)器人間的信息交流與共享。

隊(duì)間通信是把消息通過(guò)UDP(User Datagram Protocol)包[13]的方式向場(chǎng)上廣播，接收到的機(jī)器人根據(jù)隊(duì)號(hào)以及機(jī)器人的編號(hào)來(lái)處理接收到的UDP包，UDP包格式如圖1所示。所以，UDP包中的首條消息被設(shè)計(jì)為發(fā)送消息的機(jī)器人的序號(hào)(idRobot)。這樣，接收到UDP包的機(jī)器人就可以很容易地分辨接收到的包是否來(lái)自隊(duì)友或來(lái)自哪個(gè)隊(duì)友。本文是用TeamDataProvier用來(lái)接收和解析收到的包，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)和傳遞時(shí)間戳來(lái)把接收到的包中的時(shí)間轉(zhuǎn)換為本地時(shí)間。

圖1 UDP數(shù)據(jù)報(bào)格式

2 多機(jī)器人的角色及決策策略

2.1 各角色介紹

在機(jī)器人足球比賽時(shí)，每個(gè)隊(duì)員都有自己的角色和任務(wù)，在多個(gè)機(jī)器人進(jìn)行站位和協(xié)作前，每個(gè)機(jī)器人都會(huì)分配到角色和任務(wù)。另外，根據(jù)比賽的進(jìn)展和環(huán)境的變化，機(jī)器人要?jiǎng)討B(tài)切換角色來(lái)進(jìn)行協(xié)作配合，使比賽取得更好的結(jié)果。在角色的分配方面，本文為場(chǎng)上的機(jī)器人設(shè)置了五個(gè)角色，即：前鋒(主攻、助攻、機(jī)會(huì)主義者)、后衛(wèi)和守門員。

2.1.1 前鋒

前鋒主要有三個(gè)角色：主攻、助攻和機(jī)會(huì)主義者。兩個(gè)前鋒在前場(chǎng)進(jìn)攻的時(shí)候，先會(huì)判斷自己與球的距離，通過(guò)通信，離球近的分配為主攻，另一個(gè)為助攻。主攻是機(jī)器人比賽的中堅(jiān)力量。其角色任務(wù)的重心在于跟球并將球攻入對(duì)方球門。擔(dān)任主攻角色的機(jī)器人發(fā)現(xiàn)球時(shí)直接走向球，然后根據(jù)不同的區(qū)域范圍以及當(dāng)前對(duì)手的位置選擇接下來(lái)的動(dòng)作。比賽場(chǎng)地劃分為三個(gè)主要區(qū)域：進(jìn)攻區(qū)、中間區(qū)和防守區(qū)，橙色虛線為各區(qū)域分界線，如圖2所示。針對(duì)不同區(qū)域，主攻機(jī)器人分別采取不同的行為方式來(lái)踢球，如圖3所示。

圖2 場(chǎng)地區(qū)域劃分圖

(a)繞到球后 (b)側(cè)面接近球 (c)側(cè)踢避障圖3 主攻的不同行為圖例

機(jī)會(huì)主義者，通常等待在對(duì)方禁區(qū)附近，在對(duì)方半場(chǎng)一條虛擬的直線上，且與球所在位置相對(duì)的一邊，如圖4所示。

圖4 機(jī)會(huì)主義者等待位置圖

機(jī)會(huì)主義者總是等待著球從對(duì)面球場(chǎng)折回的機(jī)會(huì)，這個(gè)時(shí)候它離球最近，從而迅速轉(zhuǎn)換為主攻角色，追球并逐步掌握控球權(quán)，從而發(fā)起進(jìn)攻。

2.1.2 后衛(wèi)

后衛(wèi)的活動(dòng)范圍安排在后場(chǎng)的禁區(qū)前一定區(qū)域，它隨時(shí)觀察著球的位置并做出恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，如果它判斷球處于前場(chǎng)，它會(huì)再次調(diào)整自己的位置保證自己處于球與球門之間以阻擋對(duì)方球員可能的射門；如果它判斷球處于后場(chǎng)，它會(huì)與回防的前鋒通信，離球較近時(shí)，后衛(wèi)會(huì)主動(dòng)搶球，并將球往前場(chǎng)方向踢出去，離球較遠(yuǎn)的則調(diào)整自己處于球與球門之間。如果某個(gè)機(jī)器人沒(méi)有發(fā)現(xiàn)球，則會(huì)按照定位信息和場(chǎng)上的狀況，回到它的指定位置等待。

2.1.3 守門員

守門員在角色分配時(shí)是獨(dú)立于其他角色的，由于守門員的活動(dòng)范圍限制在我方球門附近，最好不要離開(kāi)我方禁區(qū)太遠(yuǎn)，否則在對(duì)方進(jìn)攻時(shí)將由于太遠(yuǎn)而措手不及，因此守門員只接受前方球的信息，不參與角色分配。

2.2 決策策略

多NAO機(jī)器人決策系統(tǒng)框架是采用黑板結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。所謂的黑板結(jié)構(gòu)是針對(duì)同一個(gè)問(wèn)題或者同一個(gè)問(wèn)題的分支問(wèn)題，將所有的專家聚集在一起進(jìn)行討論，討論過(guò)程中，每一位專家根據(jù)自己的特長(zhǎng)和經(jīng)驗(yàn)將自己的看法寫(xiě)在黑板上，讓其他專家也可以共同分享大家的想法，最后提出一個(gè)解決問(wèn)題的統(tǒng)一方案。如圖5所示。

圖5 黑板結(jié)構(gòu)

在黑板結(jié)構(gòu)中，每一位專家類似于每一個(gè)模塊都相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的知識(shí)源knowledge source(KS),它們通過(guò)黑板進(jìn)行通訊共享自己的信息，最終共同求解問(wèn)題的解[14]。在本文中是通過(guò)設(shè)計(jì)REQUIRES宏底層模塊將其數(shù)據(jù)和信息放到黑板系統(tǒng)中，而其它模塊需要這些數(shù)據(jù)和信息時(shí)，只需要通過(guò)REQUIRES宏將底層數(shù)據(jù)和信息從黑板中取出即可以使用。同時(shí)，當(dāng)決策系統(tǒng)需要發(fā)送動(dòng)作命令傳給動(dòng)作模塊時(shí)，只需將待發(fā)送的命令通過(guò)PROVIDES傳送到消息隊(duì)列中去，動(dòng)作模塊便會(huì)收到指令信息。如此系統(tǒng)便完成了各模塊之間信息的共享，這些信息由知識(shí)源產(chǎn)生，且被其他知識(shí)源利用。知識(shí)源使用黑板上的數(shù)據(jù)進(jìn)行互相交互，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)模塊的協(xié)作與獨(dú)立。

如圖6所示，決策系統(tǒng)采用一個(gè)分層的結(jié)構(gòu)，類似于一棵決策樹(shù)，在決策樹(shù)的最高層包含幾個(gè)策略，例如當(dāng)前機(jī)器人的角色是前鋒角色還是后衛(wèi)角色，是全力進(jìn)攻還是回縮防守。每個(gè)策略又有它自身的底層決策分支，用來(lái)決定一些低層次的行為，如前鋒角色中是判斷機(jī)器人是身體靜止而頭部找球還是邊走邊頭部掃球，是走向球還是射門。再細(xì)分下去還需要判斷如找球這個(gè)基本動(dòng)作是向左還是向右，是轉(zhuǎn)身向后還是繼續(xù)向前找球等問(wèn)題。根據(jù)場(chǎng)上不同情況，將會(huì)采用不同的策略。

圖6 決策系統(tǒng)框架

3 角色分配計(jì)算方法及仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 角色分配計(jì)算

角色的動(dòng)態(tài)分配使用投標(biāo)算法來(lái)進(jìn)行，首先確定主攻，其次確定助攻，再次確定后衛(wèi)，最后確定機(jī)會(huì)主義者角色，守門員角色不參與角色分配，如圖7所示。通過(guò)這種順序來(lái)分配機(jī)器人角色，能夠有效降低多機(jī)器人重復(fù)分配的可能性，增強(qiáng)多機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性。且若比賽中有機(jī)器人因犯規(guī)被罰下場(chǎng)，剩下的機(jī)器人仍能夠繼續(xù)完成比賽。

圖7 角色分配順序

團(tuán)隊(duì)中所有機(jī)器人都使用相同的角色投標(biāo)公式以及相同數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算對(duì)不同角色的適合程度。主攻角色投標(biāo)公式的設(shè)計(jì)主要考慮機(jī)器人與球的距離，機(jī)器人朝向以及機(jī)器人-球-對(duì)方球門的夾角。助攻角色投標(biāo)公式的設(shè)計(jì)主要考慮自身與主攻的距離。后衛(wèi)角色的投標(biāo)公式的設(shè)計(jì)主要考慮自身和己方底線間的距離。這些公式通過(guò)收集到的場(chǎng)上信息計(jì)算得到機(jī)器人擔(dān)任某一角色的適合程度。

對(duì)于機(jī)器人足球比賽，機(jī)器人所處的環(huán)境是動(dòng)態(tài)的，要讓機(jī)器人感知并認(rèn)識(shí)周圍的環(huán)境，包括球的位置，隊(duì)友機(jī)器人位置以及對(duì)手機(jī)器人位置等環(huán)境信息，機(jī)器人需要建立世界模型。機(jī)器人首先用個(gè)人世界模型中的自身位置信息和統(tǒng)一世界模型中的球的信息得到對(duì)某一角色的適合程度，然后再用相同的公式計(jì)算得到隊(duì)友機(jī)器人對(duì)該角色的適合程度。需要注意的是，在計(jì)算隊(duì)友機(jī)器人對(duì)某一角色的適合程度時(shí)，只能使用相應(yīng)隊(duì)友機(jī)器人所共享的位置信息以及統(tǒng)一世界模型中的球的信息，而不能使用自身傳感器獲得的信息。如果機(jī)器人使用自己所獲得的信息來(lái)計(jì)算其他隊(duì)友機(jī)器人對(duì)角色的適合程度，很可能會(huì)得到與該機(jī)器人實(shí)際情況不符的計(jì)算結(jié)果，從而引起整個(gè)團(tuán)隊(duì)角色分配的混亂。比如，機(jī)器人在計(jì)算另一個(gè)隊(duì)友機(jī)器人對(duì)主攻角色的適合程度時(shí)，機(jī)器人看到隊(duì)友機(jī)器人離球很近，但實(shí)際上隊(duì)友機(jī)器人并沒(méi)有看到球(可能此時(shí)球在它的身后或被擋住)。由于沒(méi)有看到球，這個(gè)機(jī)器人對(duì)球的位置并不確定，所以會(huì)為自己對(duì)主攻角色的適合度賦一個(gè)較低的值，因而看到球在其附近的機(jī)器人不能為這個(gè)機(jī)器人賦高于其自身計(jì)算所得值。而且，這個(gè)沒(méi)有看到球的機(jī)器人也不能使用隊(duì)友的共享信息為自己對(duì)某一角色賦一個(gè)較高的合適度。

當(dāng)機(jī)器人計(jì)算出自己以及隊(duì)友機(jī)器人對(duì)某一角色的合適度后，把它們進(jìn)行比較，若自己對(duì)角色的適合度最高，則擔(dān)任此角色任務(wù)并把自己的角色信息共享給隊(duì)友；否則，由合適程度最高的機(jī)器人擔(dān)任該角色，而自己繼續(xù)計(jì)算對(duì)下一角色的適合度。已分配角色的機(jī)器人將不再參與其它角色的選擇比較。理論上，所有機(jī)器人使用相同的共享信息執(zhí)行相同的計(jì)算，應(yīng)該得到相同的計(jì)算結(jié)果。但實(shí)際上，由于存在著網(wǎng)絡(luò)延遲和傳輸錯(cuò)誤等原因，計(jì)算無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全同步，故每個(gè)機(jī)器人很可能得到不同的計(jì)算結(jié)果。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可在多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)的角色分配過(guò)程中加入滯后環(huán)節(jié)延遲，也就是說(shuō)，一旦機(jī)器人擔(dān)任了某一角色，因?yàn)闄C(jī)器人執(zhí)行了該角色的任務(wù)提高了機(jī)器人對(duì)該角色的適應(yīng)性，故機(jī)器人短時(shí)間內(nèi)不會(huì)放棄執(zhí)行該角色的任務(wù)。

3.2 主攻角色分配

本文在計(jì)算機(jī)器人對(duì)主攻角色適合度時(shí)參考的是卡耐基梅隆大學(xué)提出的主攻角色投標(biāo)公式，在機(jī)器人離球很近并且在朝向上易于將球踢入對(duì)方球門時(shí)獲得較高的投標(biāo)值[15]，如公式(1)所示：

(1)

其中，θgoal是球到機(jī)器人所成直線和球到對(duì)方球門中心所成直線間的夾角。當(dāng)θgoal等于π時(shí)，機(jī)器人恰好與球及對(duì)方球門在一條直線上，并且面向?qū)Ψ角蜷T，此時(shí)容易將球踢入對(duì)方球門。參數(shù)dball是機(jī)器人到球的距離，單位為m。公式1中，取1m和dball兩者中的較小值。機(jī)器人在離球很近且在朝向上易于將球踢入對(duì)方球門時(shí)獲得高投標(biāo)值。

參考上述主攻角色投標(biāo)公式的設(shè)計(jì)思路，根據(jù)比賽的環(huán)境和機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)行情況等多方面考慮，本文采用公式(2)所示的計(jì)算方法。根據(jù)自身到球的距離、當(dāng)前朝向與球連線的夾角和自身與球和球到對(duì)方球門中心連線的夾角，利用公式(2)計(jì)算得出機(jī)器人到達(dá)球并調(diào)整到恰當(dāng)位置所需要的時(shí)間作為投標(biāo)值，投標(biāo)值BidST越小，則越適合主攻的角色：

(2)

對(duì)公式(2)的解釋可以參照?qǐng)D8。

圖8 主攻角色投標(biāo)值計(jì)算圖解

其中Dball為機(jī)器人到球的距離，機(jī)器人場(chǎng)上的平均速度約為250mm/s，機(jī)器人的自旋速度約為35°/s，Dball為機(jī)器人當(dāng)前朝向到機(jī)器人和球的連線所形成的夾角；θb-goal為機(jī)器人到球所成射線及球到對(duì)方球門中心所成射線間的夾角，如圖8所示，當(dāng)θb-goal為0時(shí)，球恰好處于機(jī)器人到球門中點(diǎn)的連線上；Locvalid為自身定位信息的可信度，取值為0到1，取1時(shí)可信度最高，經(jīng)過(guò)比較，系數(shù)為10時(shí)投標(biāo)效果比較好。

3.3 助攻和后衛(wèi)角色分配

同樣，助攻的角色匹配可以利用公式(3)計(jì)算：

(3)

式中，Dstriker為到主攻機(jī)器人的距離，因?yàn)橹C(jī)器人只需要與主攻機(jī)器人保持一定的距離即可，因此旋轉(zhuǎn)角度可以不予考慮。

后衛(wèi)在比賽中主要待在己方門前區(qū)域防守，因此考慮不同機(jī)器人距離己方底線的距離即可。另外，后衛(wèi)一般位于己方球門前，主要防范對(duì)手對(duì)我們球門的攻擊，不參與進(jìn)攻，所以額外的信息不需要考慮。在場(chǎng)地坐標(biāo)系中，中間點(diǎn)為原點(diǎn)，己方半場(chǎng)x坐標(biāo)為負(fù)值。公式(4)中X為機(jī)器人x坐標(biāo)位置，-4000為己方底線的位置。

(4)

分配完主攻，助攻和后衛(wèi)的角色后，若還有未分配的角色，則擔(dān)任機(jī)會(huì)主義者，在前場(chǎng)尋找機(jī)會(huì)。如果出現(xiàn)機(jī)器人被罰下的情況，機(jī)會(huì)主義者可以暫時(shí)頂替空缺，也能保持場(chǎng)上機(jī)器人整體陣型的完整性。守門員角色固定，不參與角色動(dòng)態(tài)分配。

3.4 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于通信的多個(gè)機(jī)器人配合相對(duì)無(wú)通信協(xié)作多機(jī)器人和單一機(jī)器人的優(yōu)越性，本文在SimRobot中進(jìn)行了多次點(diǎn)球?qū)嶒?yàn)。所謂點(diǎn)球?qū)嶒?yàn)，即在沒(méi)有對(duì)方球員干擾下進(jìn)行踢球并完成射門，保證了周圍環(huán)境不會(huì)對(duì)比較帶來(lái)影響。本文將比賽場(chǎng)地劃分為9個(gè)區(qū)域，如圖9所示。

對(duì)于每個(gè)區(qū)域，基于通信協(xié)作多機(jī)器人、無(wú)協(xié)作多機(jī)器人及單個(gè)機(jī)器人各放5次球，記錄從開(kāi)始到踢到球所花的時(shí)間，另外，無(wú)協(xié)作多機(jī)器人和基于通信協(xié)作多機(jī)器人初始站位相同，如圖10所示。

圖9 點(diǎn)球?qū)嶒?yàn)分區(qū)

圖10 單個(gè)機(jī)器人(左側(cè))和多機(jī)器人(右側(cè))初始站位

最后把每塊區(qū)域機(jī)器人踢到球的時(shí)間取一個(gè)平均值。得到三種情況數(shù)據(jù)表(如表1)和曲線(如圖11)。

表1 點(diǎn)球?qū)嶒?yàn)結(jié)果

圖11 點(diǎn)球時(shí)間曲線

根據(jù)表中進(jìn)球時(shí)間的平均值可以看出，單一的NAO機(jī)器人進(jìn)行踢球時(shí)平均時(shí)間最長(zhǎng)，無(wú)協(xié)作多機(jī)器人次之，基于通信進(jìn)行協(xié)作的多NAO 機(jī)器人進(jìn)球所花的平均時(shí)間最少。因此，可以粗略地看出基于通信的協(xié)作多NAO機(jī)器人系統(tǒng)整體上比沒(méi)有協(xié)作的多NAO機(jī)器人系統(tǒng)和單一NAO機(jī)器人的進(jìn)球效率要高。

結(jié)合曲線圖可知，在1、2、3號(hào)區(qū)域有協(xié)作的機(jī)器人時(shí)間相比其他兩組明顯更短，因?yàn)榛谕ㄐ诺膮f(xié)作多機(jī)器人在隊(duì)間信息共享的基礎(chǔ)上能夠快速找到球，并且?guī)讉€(gè)機(jī)器人互相配合，合理進(jìn)行角色變換，所以能夠快速將球踢到前場(chǎng)。而此時(shí)，無(wú)通信協(xié)作的機(jī)器人相對(duì)于單個(gè)機(jī)器人而言所用時(shí)間同樣也比較長(zhǎng)，多機(jī)器人在沒(méi)有通信配合情況下，極容易出現(xiàn)我方多個(gè)機(jī)器人同時(shí)去踢球，三個(gè)機(jī)器人簇?fù)碓谝黄?，?dǎo)致碰撞致使定位準(zhǔn)確度下降等。另外，單個(gè)機(jī)器人因?yàn)樽陨頂z像頭觀察角度有限，使得觀察的視線范圍有限。因此要通過(guò)自旋才能夠找到球并從中間走向球，沒(méi)有隊(duì)友幫助，這大大延長(zhǎng)了找球時(shí)間。

然而，在區(qū)域5和區(qū)域8，三種情形進(jìn)球時(shí)間基本上相同，因?yàn)樵谶@兩個(gè)區(qū)域，都是在位于中間的機(jī)器人去踢球，在這兩個(gè)區(qū)域，射門角度很好，沒(méi)有障礙物可以直接射門，并且機(jī)器人很容易靠近球，基本不會(huì)出現(xiàn)要大范圍找球和搶球情況，因此三種情況差別不大。

進(jìn)一步地，對(duì)在區(qū)域4、6、7、9分析可知，基于通信協(xié)作的多機(jī)器人開(kāi)始體現(xiàn)它們有統(tǒng)一的世界模型、視覺(jué)察覺(jué)范圍寬、密切協(xié)作配合的優(yōu)勢(shì)，團(tuán)隊(duì)中機(jī)器人有自己的角色，各司其職，時(shí)間較單個(gè)機(jī)器人而言更短，雖然在區(qū)域4、7、9，兩種多機(jī)器人系統(tǒng)所用進(jìn)球時(shí)間很接近，但是在區(qū)域6，無(wú)通信協(xié)作的多機(jī)器人進(jìn)球時(shí)間甚至比單個(gè)機(jī)器人進(jìn)球時(shí)間更長(zhǎng)，因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)域出現(xiàn)了多個(gè)機(jī)器人去搶球并且場(chǎng)上的機(jī)器人只是把其他機(jī)器人當(dāng)作障礙物，機(jī)器人試圖避開(kāi)障礙物但是不成功就會(huì)發(fā)生擁擠摔倒，并且搶球時(shí)機(jī)器人的踢球方式也會(huì)發(fā)生改變，比如機(jī)器人檢測(cè)到正前方有障礙物，它就會(huì)用側(cè)踢的方式，來(lái)調(diào)整自身和球的位置，自然時(shí)間花費(fèi)更長(zhǎng)。

通過(guò)對(duì)上面數(shù)據(jù)的分析，都可以得出基于通信的多NAO機(jī)器人協(xié)作完成任務(wù)時(shí)有明顯優(yōu)勢(shì)的結(jié)論。所以，考慮到單個(gè)機(jī)器人找球的效率低，而無(wú)協(xié)作多機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)常有多個(gè)機(jī)器人搶球并且會(huì)發(fā)生多次碰撞導(dǎo)致定位精度變低的情況，通過(guò)隊(duì)間通信使得多NAO機(jī)器人的信息能夠共享并有角色分配的協(xié)作多機(jī)器人系統(tǒng)能大大提高比賽效率。

4 結(jié)論

文章以機(jī)器人足球比賽為研究背景，在研究多機(jī)器人通信的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)單介紹了機(jī)器人在踢球時(shí)的各種角色，最后提出了機(jī)器人踢球時(shí)的策略和一種場(chǎng)上各種角色分配的計(jì)算方法，主要結(jié)論如下：

(1)通過(guò)對(duì)多機(jī)器人踢球策略的研究基礎(chǔ)上，提出了一種計(jì)算主攻、助攻以及后衛(wèi)等角色分配的計(jì)算方法。這將為研究多機(jī)器人動(dòng)態(tài)角色分配提供一種新的理論依據(jù)和計(jì)算方法。

(2)通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的各種角色分配計(jì)算方法的正確性，同時(shí)得出如下結(jié)論：基于通信進(jìn)行角色變換的多機(jī)器人踢球效率優(yōu)于無(wú)通信進(jìn)行信息共享和角色變換的多機(jī)器人以及單個(gè)機(jī)器人踢球的效率。

[1] 陳琳,戴駿,馮俊杰.基于OpenGL 的多機(jī)器人仿真環(huán)境[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2014(9):10-13.

[2] 計(jì)時(shí)鳴,黃希歡.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用綜述[J].機(jī)電工程,2015,32(1):1-12.

[3] 焦平平.多機(jī)器人通信與編隊(duì)問(wèn)題研究[D].北京:北京交通大學(xué),2008.

[4] 馬光,申桂英.工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2002(3) : 49-51.

[5] 王建國(guó).多移動(dòng)機(jī)器人的無(wú)線通信的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2010.

[6] A Study towards Reliability-and Delay-Critical Wireless Communication for RoboCup Robotic Soccer Application. IEEE, 2007: 633-636.

[7] 張崳,劉淑華.多機(jī)器人任務(wù)分配的研究與進(jìn)展[J].智能系統(tǒng)學(xué)報(bào),2008,3(2):115-120.

[8] 黎萍,楊宜民.多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配的研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2008,44(17):201-205.

[9] 程立英,趙姝穎,潘峰,等.足球機(jī)器人動(dòng)態(tài)角色分配策略仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2013, 30(5):383-412.

[10] 陳鵬慧,蔡瓊.多機(jī)器人協(xié)作中角色動(dòng)態(tài)分配機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].河南科技,2015(14):22-24.

[11] 謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].5版.北京：電子工業(yè)出版社,2013.

[12] 于存貴,李自勇,馬志文.基于黑板模型的多屬性決策模式[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2000,24(4):334-337.

[13] Douglas Vail, Manuela Veloso. Multi-Robot Dynamic Role Assignment and Coordination Through Shared Potential Fields[R].2002.

(編輯 李秀敏)

Research on an Improved Method of Multi Robot Role Transformation

DING Cheng-bo，CAI Jia-bin，LIU Wen

(College of Mechanical Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025,China)

Taking the multi robot soccer match as the research background, and aiming at the problem of communication and role transformation between multi robots, first of all for communication among the robots research, and integrated share of information between the robot through the radio; then carries on the analysis and research of robot soccer match a variety of roles and decision-making strategy, in the implementation of the decision-making process in the role assignment is a main attack calculation, assists and back calculation method. Finally, the correctness of the calculation method is verified by simulation experiments, and come to the conclusion that the role transform of multi robot based on communication efficiency is superior to play without communication of information sharing and role transformation of multi robot and single robot playing efficiency.

robot soccer game; decision making strategy; role assignment method; playing efficiency

1001-2265(2017)07-0009-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.07.003

2016-09-18；

2016-10-21

貴州大學(xué)創(chuàng)新基金(研理工2016029)；面向智能裝備領(lǐng)域的“技術(shù)眾籌”研究生創(chuàng)新基地(貴大研CXJD[2015]003)

丁成波(1991—)，男，貴州大方縣人，貴州大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程，(E-mail)2954006698@qq.com； 通訊作者：蔡家斌(1974—)，男，貴陽(yáng)人，貴州大學(xué)副教授，研究方向?yàn)槟Σ翆W(xué)與表面工程，(E-mail)734512130@qq.com。

TH165;TG659

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