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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410605801.0 (22)申请日 2014.11.03 G05D 1/02(2006.01) (71)申请人 沈阳化工大学 地址 110142 辽宁省沈阳市经济技术开发区 11 号 (72)发明人 刘欢 王健 王庆辉 李金凤 郭烁 张琳琳 (74)专利代理机构 沈阳技联专利代理有限公司 21205 代理人 张志刚 (54) 发明名称 一种提高足球机器人射门效率的方法 (57) 摘要 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 。
2、, 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。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利。
3、申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104460668 A (43)申请公布日 2015.03.25 CN 104460668 A 1/1 页 2 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。
4、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。 权 利 要 求 书 CN 104460668 A 2 1/5 页 3 一种提高足球机器人射门效率的方法 技术领域 0001 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 0002 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。 0003 在目前所用。
5、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。 0004 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。
6、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。 0005 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。
7、(x)-x ； 软件配置摄像头驱动程序、 机器人小车跟踪足球程序。 0006 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。 0007 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。
8、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。 0008 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 说 明 书 CN 104460668 A 3 2/5 页 4 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 0009 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。
9、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。 0010 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。 0011 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。 0012 实施例 ： 机器人足球是一。
10、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。 0013 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。 0014 硬件配置 ： BASLER 1394 数字摄像头 2 个 ,1394 传输线 2 根 , 镜头 2 只 ,1。
11、394 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。 0015 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 说 明 书 CN 104460668 A 4 3/5 页 5 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。 0016 步骤 (2)。
12、 ： 机器人 R 运动到射门点 A。 0017 步骤 (3) ： 调整机器人 R 的射门角度。 0018 步骤 (4) ： 机器人 R 踢球射门。 0019 步骤 (5) ： 如果射门成功 , 则结束 , 否则 , 转步骤 (1)。 0020 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。 0021 (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” 。 0022 (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。
13、门时间， 会出现贻误战机的情况。 0023 步骤 (4) ： 机器人 R 踢球射门。 0024 步骤 (5) ： 如果射门成功 , 则结束 , 否则 , 转步骤 (1)。 0025 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。 0026 (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” 。 0027 (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。 0028 3 改进的射门算法。
14、 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。 0029 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。
15、。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 说 明 书 CN 104460668 A 5 4/5 页 6 F(x)。 0030 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。
16、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 ： 说 明 书 CN 104460668 A 6 5/5。
17、 页 7 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。 0031 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。 说 明 书 CN 104460668 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 图 3 图 4 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 104460668 A 8 2/2 页 9 图 7 图 8 图 9 图 10 说 明 书 附 图 CN 104460668 A 9 。