RoboCup中型組機(jī)器人教練機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡宗琰　王晶　張山　吳彬　何文博

摘 要：足球機(jī)器人比賽中型組采用分布式通信方式[1]，參考實(shí)際足球比賽規(guī)則，對機(jī)器人的教練機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對所編寫通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出了該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信的正確行和可靠性。

關(guān)鍵詞：分布式；通信網(wǎng)絡(luò)；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

足球機(jī)器人比賽中型組采用分布式通信方式是人工智能技術(shù)的重要驗(yàn)證平臺(tái)，而其中通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是該比賽系統(tǒng)的重要支撐技術(shù)，也是整個(gè)足球機(jī)器人控制設(shè)計(jì)[2]中最基本的環(huán)節(jié)。因此，對通信網(wǎng)絡(luò)的研究，對于整個(gè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中有著重要意義。

1 機(jī)器人通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

依照足球機(jī)器人比賽規(guī)則，以及網(wǎng)絡(luò)通信的基本工作原理。通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

按照該通信的基本原理，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)OSI參考通信模型[3]，設(shè)計(jì)出比賽通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。其網(wǎng)絡(luò)OSI參考通信模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)通信中，數(shù)據(jù)傳輸過程為裁判盒將指令通過路由器傳給教練機(jī)。教練機(jī)再通過路由器傳給機(jī)器人，機(jī)器人將狀態(tài)信息通過路由器傳給教練機(jī)。教練機(jī)再將部分信息通過路由器轉(zhuǎn)給裁判盒完成通信過程。

2 教練機(jī)系統(tǒng)

2.1 教練機(jī)系統(tǒng)功能模型

在機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中教練機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分重要[4]，首先，該教練機(jī)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)可以接受裁判盒發(fā)送的指令信息，并顯示和發(fā)送該指令。其功能模型如圖3所示。

裁判盒發(fā)給教練機(jī)的指令信息為真實(shí)足球場上，所能遇到的所有可能出現(xiàn)的控制信息。其比賽指令如圖4所示。

裁判盒應(yīng)具有以上所有指令信息，連接網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及場上機(jī)器人的部分狀態(tài)信息。因此，裁判盒程序的操作界面如圖5所示。

2.2 教練機(jī)連接裁判盒功能的設(shè)計(jì)

教練機(jī)連接裁判盒的連接建立有著很重要的作用，是控制通信的基礎(chǔ)，通過網(wǎng)絡(luò)建立，裁判盒的選擇，通信用戶的加入，網(wǎng)絡(luò)的配置，端口的檢查，人機(jī)界面的教練機(jī)和裁判盒的狀態(tài)先顯示，來完成，教練機(jī)和裁判盒的連接建立。其流程圖如圖6所示。

2.3 教練機(jī)接收裁判盒信息函數(shù)的設(shè)計(jì)

教練機(jī)信息接收的設(shè)計(jì)要初始化網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，并進(jìn)行篩選出自己方的球隊(duì)，進(jìn)行球隊(duì)編碼，接收裁判盒指令并將該指令傳給場上的各個(gè)球員。信息流程圖如圖7所示。

2.4 教練機(jī)接收并顯示機(jī)器人發(fā)送的信息功能的設(shè)計(jì)

教練機(jī)接收場上機(jī)器人的信息并進(jìn)行控制功能實(shí)現(xiàn)，分為了與機(jī)器人通信[5]的建立和接收信息的處理與顯示。

2.4.1 與機(jī)器人通信的建立

先要?jiǎng)?chuàng)建網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行存儲(chǔ)接口設(shè)定，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信地址參數(shù)設(shè)定，加入通信用戶，存儲(chǔ)單元設(shè)定，網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境初始化。流程如圖8所示。

2.4.2 接收信息的處理與顯示

接收總的機(jī)器人的信息，進(jìn)行判斷己方機(jī)器人，進(jìn)行數(shù)據(jù)分類處理，分別顯示在人機(jī)交互界面上。其數(shù)據(jù)流程如圖9所示。

2.5 教練機(jī)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

教練機(jī)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)包括：球隊(duì)顏色分類設(shè)定[6]、球門方向設(shè)定；機(jī)器人在場上位置設(shè)置以及機(jī)器人角色設(shè)置；手動(dòng)控制球員，機(jī)器人發(fā)球類型設(shè)置，比賽開始與停止命令的發(fā)送功能，顯示裁判盒發(fā)送的指令功能和發(fā)送狀態(tài)，顯示教練機(jī)發(fā)送的指令功能和發(fā)送狀態(tài)，顯示場上機(jī)器人信息功能和運(yùn)行狀態(tài)。整體界面圖如圖10所示。

3 通信網(wǎng)絡(luò)程序檢測實(shí)驗(yàn)

所謂的通信網(wǎng)絡(luò)程序檢測試驗(yàn)，就是通過試驗(yàn)檢測所設(shè)計(jì)的程序是否可以滿足通信的功能并顯示機(jī)器人的，位置，狀態(tài)等信息。

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

試驗(yàn)設(shè)備：一臺(tái)電腦，兩臺(tái)機(jī)器人、一個(gè)無線路由器、一條網(wǎng)線等。

首先，將機(jī)器人和電腦分別和路由器相連。然后，運(yùn)行編寫好的教練機(jī)程序。操作教練機(jī)觀察并記錄運(yùn)行過程，以及顯示結(jié)果。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

教練發(fā)送指令后，機(jī)器人進(jìn)行執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作并上傳相應(yīng)狀態(tài)信息。教練機(jī)的接受該信息并顯示如圖11所示。

通信實(shí)驗(yàn)記錄如表1、表2所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到，機(jī)器人接受到指令概率為99%。準(zhǔn)確動(dòng)作概率為100%。這表明該教練機(jī)程序設(shè)計(jì)，是可以滿足通信要求的，但有數(shù)據(jù)丟失，應(yīng)當(dāng)在進(jìn)行改善設(shè)計(jì)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]孫迪生，王炎.機(jī)器人控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[2]李實(shí)，徐旭明，葉榛，等.國際機(jī)器人足球比賽及其相關(guān)技術(shù)[J].機(jī)器人，2000，22（5）：420-426.

[3]于新奇.OSI參考模型與TCP/IP模型的異同及關(guān)聯(lián)[J].中國西部科技，2009.

[4]Asada M.，Kitano H.，Noda I.，et al.RoboCup：Today and Tomorrow-What we have learned[J].Elsevier Science，1999.8，28.

[5]Santos F.，Almeida L.，Lopes L. S.，et al.Communicating among Robots in the RoboCup Middle-Size League[A].Goeble R.，Siekmann J.Wahlster W..RoboCup 2009：Robot Soccer World Cup XIII[C].Germany Springer-Verlag Berlin Heidelberg， 2010：320-331.

[6]Candea C.，Hu H.S.，Iocchi L.，et al.Coordination in multi-agent RoboCup teams[J].Robotics and Autonomous Systems，2001，36（2-3）：67-86.