倪天伟，方正，赵大暑

（1．信阳学院，河南信阳，464000；2皖江工学院，安徽马鞍山，243031；3.安徽省教育厅“无人机开发及数据应用”重点实验室，安徽马鞍山,243031）

关键字：双足机器人；进攻策略；RoboCup3D；世界模型

0 引言

RoboCup3D 仿真平台最早于2008年引入法国A ldebar an Robotics公司的NAO型仿人机器人基础模型而设计，是目前最接近现实中人类足球比赛的仿真系统，需要多个Agent 系统协同配合、世界模型设计、系统实时推理决策等才能解决复杂问题[1-2]。在RoboCup3D仿真系统中，决策系统是双足机器人的大脑，如果没有对机器人的行为加以策略的控制，机器人就无法在比赛过程中做出有效、准确的反应。球队的进攻和防守的好坏主要由机器人的决策系统决定，一个好的进攻策略可以给你创造更好的防守[3-4]。本文是结合笔者在RoboCup3D 仿真系统的开发和比赛项目的实践，深入研究前锋进攻策略，设计了一套较好的双足机器人进攻策略，其中大脚球进攻策略为反击争取更多的时间，最终可使我方更积极的掌握和控制比赛主导权。

1 世界模型结构的设计

世界模型（World Model）是机器人通过各种感知器获取的对球场上各对象状态的感知信息，通过对这些信息的存储与说明。World Model推出Agent在一个给定情况下最有可能的行动。在RoboCup3D仿真机器人程序中，需要描述的世界是一个虚拟的足球场，足球场中有静态对象（如场地信息、标志杆坐标等）和动态对象（如Agent的感知、Agent的动作等）。在 RoboCup3D仿真程序中，世界模型是仿真机器人对当前世界状态的存储和解释。世界模型把Agent通过各种感知器获取的对球场上状态的感知信息保存下来，从而为机器人进行决策，并推测出在给定情况下最优的动作。为了实现World Model在RoboCup3D仿真竞赛中可以实时的更新Agent对当期世界的感知外，还可以做出一定的预测，KylinSky3D仿真程序将World Model划分成两个部分：场地状态和Agent状态，如图1所示。

图1 我校KylinSky3D队 World Model 结构

其中，场地状态反映了整个球场场地的状态，由动态和静态的信息组成。静态信息用来存储场地大小、标志杆坐标、服务器说明等一些固定的值，动态信息存储的是每个服务器周期中更新的信息，如球的速率和位置、球员的位置等。Agent 状态描述的是Agent在当前环境下的状态，它同样也包括静态和动态的信息，Agent中的静态信息是组成机器人模型的各种参数，动态信息则是包括机器人关节角度、步行速率和当前策略。

2 双足机器人踢球动作设计

2.1 设计思想

Agent可以进行基本动作的实现，但这只是具备了比赛的基本条件，如果没有对机器人的行为加以策略的控制，机器人就无法在比赛过程中做出有效、准确的反应，这就需要高层策略的分析与设计。目前，主流的动作设计方法为选取关键帧插值。首先，确定动作规划中的关键点，关键点中各个关节角度的集合则为当前关键帧，最终，将相邻关键帧中插值获得完整动作[5]。我校KylinSky 3D机器人足球队采用了大脚开球、长传、带球和快踢等多种踢球动作。由于开球的角色是通过前锋完成的，所以，目前我队程序采取的开球策略是：首先判断当前比赛模式，当是我方开球时，会进行角色选择，当角色是前锋时，会再根据动作决策做出角色所需要进行的动作。本文主要针机器人开球动作进行研究并设计进攻策略，在比赛中应对具体情况。

2.2 现有的开球动作

在现有的足球机器人系统程序中，以单个机器人上场的状态为例，在比赛开始前，双足机器人站位正常，机器人与球之间还有一段距离，如图2所示。比赛开始后，图3是机器人走向球的过程，当走到球的跟前，机器人会进行位置上的微调、判断是否可以开球等一些行为，等所有动作完成好后，机器人开始开球。目前，假设我队前锋所采取的开球动作是带球方式（HandleBall），采用现有程序开球方式进攻阵型和开球情况如图4所示。

图2 现有程序单个机器人上场站位

图3 机器人走位进行开球

图4 现有程序进攻阵型及开球

从以上实践结果分析可知，我队现有程序中，前锋上场站位离球有一段距离，开球之前需要先走到球前面，进行微调后才开始开球。开球力度不大，开球距离不远，并且前锋开球结束会出现摔倒等现象。针对这些情况，有必要对现有程序进行改进。

2.3 对现有开球方式的改进

我队现有程序中，前锋上场使用初始开球方式，使用Handle_Ball这种方式开球，力度不大，开球距离短，致使对反方造成的威胁有限，使得我方很容易失球。针对这种情况，究其原因，是我方前锋站位及开球方式的问题。下面就这两个问题进行进攻策略的重新设计。

（1）调整前锋站位。比赛之前，机器人会进行一系列信息的初始化工作，其中就包含初始化站位。程序会首先初始化站位，由于平台默认开球方在球场的左侧，所以当我方开球时，我方处于球场的左侧，要及时针对球员坐标进行初始化。再通过离线调试，将我队前锋上场坐标调整到较好位置，使得前锋可以开大脚球，程序流程图如图5所示。

图5 优化开球动作程序流程图

（2）优化开球方式。调整好前锋上场坐标后，需要改进前锋现有的开球方式。竞赛中，球员在完成好初始化工作后，会进行策略选择：首先，根据世界模型中获取的比赛模式选择哪方开球，确定我方开球后，再根据角色的不同选择不同的策略，改进的程序重写前锋函数，专门进行前锋的行为控制。在该函数中，不进行决策判断，直接将其赋值为大脚球方式（Shoot_Ball），由于前锋上场之前已经调整好开球的最佳角度，所以采用Shoot_Ball开球方式后，前锋可以直接开球，并且开球效果明显优于现有开球方式。

3 仿真及实验结果分析

本次实验采用 SimSpark仿真平台进行仿真实验，SimSpark仿真平台是RoboCup 3D的比赛环境。参加RoboCup 3D仿真比赛需要一台电脑当作服务器，比赛双方的二进制代码通过上传到服务器后，启动脚本程序运行[6]。通过RoboViz[7]作为Rcssserver3D监视器来观测双足机器人在球场中的运动情况。针对我队进攻时的开球方式， 结合本文中提出的设计思路， 改进了我队现有程序的开球方式。改进后单个机器人上场时的站位，如图6所示，从图中可以看出，机器人距离球的位置很近，这样使得机器人不需要再走到球的位置，而选择直接开始开球。改进后的单个机器人的开球，如图7所示。将单个机器人开球应用到进攻阵型中，改进现有程序进攻时开球方式，如图8所示。

图6 改进后的单个机器人站位

图7 改进后的单个机器人开球

图8 改进后的程序进攻阵型以及开球

针对程序改进前后各执行100次开球实验，实验对比结果，如表1所示。

表1 采用不同开球方式的平均开球距离比较（m/s）

由实验结果可以明显看出，程序改进后，我方开球距离增大了，采取的大脚开球可以直接打到对方防御阵型后方，极具攻击性，提高了我队整体的进攻力度。值得注意的是，在改进的程序中，前锋不进行开球方式的选择，而直接进行大脚球方式（Shoot_Ball）开球，会存在当我方二次开球时，前锋无法开球的情况，这时可以设计一个IsTimeOut 函数对开球时间进行控制，当超过这个时间，前锋需要走到球的位置，对球进行Handle_Ball开球方式处理。

4 结论

本文针对RoboCup3D仿真中双足机器人的踢球动作出现踢球力度不大、距离不远和摔倒等现象，提出了一种基于大脚开球的进攻策略。经仿真实验证明，采用此策略可以使传球距离超越整个半场，这是我方掌握和控制比赛主动权，取得胜利的一个有效手段，此时，我方明显占据优势。同时，改进后的程序也存在一些问题，在测试过程中，出现大脚开球开出的距离不稳定的情况，改进后的代码仍需要做进一步优化处理。