基于FIRA仿真的足球機(jī)器人預(yù)判圓弧射門算法設(shè)計(jì)

林金珠，袁 馳，倪天偉

(河海大學(xué)文天學(xué)院電氣信息工程系，安徽 馬鞍山 243031)

0 引言

在FIRA仿真足球機(jī)器人比賽中，策略的執(zhí)行、陣型的變換、路徑的規(guī)劃等都是比賽的關(guān)鍵，而射門則是終結(jié)比賽的重中之重，在整場比賽中射門動作至關(guān)重要，射門能力是決定一支球隊(duì)實(shí)力的關(guān)鍵因素[1-2]。文獻(xiàn)[3]引入基于中位線的傳球方法，將機(jī)器人的足球動作作為機(jī)器人的行為來設(shè)計(jì)，算法結(jié)構(gòu)簡單，通俗易懂，但是受足球機(jī)器人初始姿態(tài)的影響較大。文獻(xiàn)[4-5]提出了一種改進(jìn)的射門算法，機(jī)器人先沿直線運(yùn)動靠近球，然后沿曲線運(yùn)動去撞球射門，該算法優(yōu)化了射門路線，實(shí)用性強(qiáng)，但機(jī)器人在運(yùn)動到目標(biāo)點(diǎn)附近時(shí)調(diào)整左右輪轉(zhuǎn)速，踢球射門，容易被斷球或被守門員阻截，不利于提高進(jìn)攻效率，尤其在點(diǎn)球大戰(zhàn)中，射門算法易被對方看破，點(diǎn)球得分率低[6]。為此，本文提出了一種基于FIRA仿真的足球機(jī)器人預(yù)判圓弧射門算法，該算法利用預(yù)測球的運(yùn)動方向與無干擾情況下實(shí)時(shí)姿態(tài)的相對位置，規(guī)劃出圓弧射門軌跡，提前到達(dá)預(yù)定目標(biāo)點(diǎn)，調(diào)整并完成快速射門動作。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)證明，該算法加快了射門的節(jié)奏，有效提高了射門的成功率。

1 預(yù)判圓弧射門算法

1.1 算法思想

在FIRA仿真足球機(jī)器人比賽中，機(jī)器人行駛速度快從而攻防節(jié)奏快，使得分機(jī)會稍縱即逝，特別是突破后的射門和點(diǎn)球，是比賽中得分的關(guān)鍵。如何提高射門效率是一直以來的研究問題，其中，提高射門速度、精度和可變性是提高射門效率的關(guān)鍵。預(yù)判圓弧射門是指利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)先預(yù)判出球下一時(shí)刻到達(dá)的位置，或到達(dá)某一位置所需的時(shí)間，再計(jì)算出合適的射門點(diǎn)，此時(shí)，機(jī)器人以平滑的圓弧移動，邊行駛邊調(diào)整位姿，行至目標(biāo)點(diǎn)時(shí)剛好達(dá)到可射門狀態(tài)，立即射門。預(yù)判圓弧射門算法可以使機(jī)器人動作連貫，快速到達(dá)攻擊點(diǎn)，既可完成高質(zhì)量射門，又能利用預(yù)判的時(shí)間做出細(xì)微調(diào)整，改變射門角度，達(dá)到出其不意的變化效果。其中，弧形的路徑規(guī)劃可讓機(jī)器人最大限度地保持平穩(wěn)，無拐點(diǎn)，可減少調(diào)整時(shí)間，從而保持最大速度，使得射門能量最大化，保證射門的成功率。

1.2 預(yù)判的實(shí)現(xiàn)

在FIRA仿真平臺中，首先需要計(jì)算球在正常運(yùn)動時(shí)的加速度α，如式(1)所示，可認(rèn)為環(huán)境中摩擦因數(shù)alpha是不變的，所以，此時(shí)的α也是恒定的，F(xiàn)IRA仿真平臺中數(shù)據(jù)以60次/s的速度進(jìn)行交換，可由式(2)得到下一時(shí)刻球移動的距離d。

(1)

式中：Δv為速度的變化量；Δt為發(fā)生這一變化所用時(shí)間。

d=(α*t*t)/2，

(2)

式中t為時(shí)間。假定，小球的t1和t2時(shí)刻的坐標(biāo)分別為：(x1，y1)，(x2，y2)，則計(jì)算小球的位移Δx=x1-x2和Δy=y1-y2。

得出小球的偏轉(zhuǎn)角theta，即小球運(yùn)動方向，如式(3)所示。

theta=(int)(180.0/PI*atan2((double)dy，(double)dx))，

(3)

通過得到的運(yùn)動方向與距離，可以預(yù)判出球在無干擾的情況下下一時(shí)刻所達(dá)到的位置，通過這些計(jì)算出小球到達(dá)某點(diǎn)的運(yùn)動時(shí)間，得出周圍最佳射門機(jī)器人與應(yīng)到達(dá)的射門點(diǎn)，從而做出提前跑位動作和提前調(diào)整的技術(shù)動作。

2 算法實(shí)現(xiàn)

圖1為小車圓弧射門模型機(jī)器人，小車的運(yùn)動、轉(zhuǎn)向、旋轉(zhuǎn)都由小車左右輪速控制，當(dāng)通過小球的速度方向等信息反饋得到范圍內(nèi)最適宜動作的小車后，由于小車的速度在-127～127內(nèi)，可計(jì)算出最佳射門點(diǎn)與位姿，得出射門點(diǎn)到達(dá)的時(shí)間t，從而有左右輪速使小車按照圓弧軌跡運(yùn)動，到達(dá)射門點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人小車的運(yùn)動角度與期望射門角度剛好一致，擊球完成射門。

圖1 機(jī)器人小車圓弧射門模型

其中，弧線部分為機(jī)器人小車運(yùn)動軌跡，是以車、球的撞擊點(diǎn)為端點(diǎn)，以射門目標(biāo)方向?yàn)榍芯€的圓弧，射門目標(biāo)軌跡如粗線部分。因?yàn)樽笥逸喚嘁阎獮镈，兩輪行駛路徑為同心圓弧，兩圓弧半徑已知為R1、R2，則可由此得到左右輪速差V。算法執(zhí)行流程如圖2所示。

3 仿真結(jié)果與分析

文本通過FIRA SimuroSot 5vs5仿真平臺進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，該平臺中的賽場尺寸為1 130像素×788像素，移動機(jī)器人為10像素×10像素的正方形，用高爾夫球作比賽用球，直徑為5像素。通過仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M球臨近大禁區(qū)附近時(shí)，移動機(jī)器人采取適當(dāng)應(yīng)對機(jī)制，發(fā)生射門動作。在正常的進(jìn)攻中，未采用預(yù)判圓弧射門算法的射門動作效果如圖3所示，采用預(yù)判圓弧射門算法的射門動作效果如圖4所示。

圖2 算法執(zhí)行流程圖

圖3 傳統(tǒng)的射門動作效果

圖4 采用預(yù)判圓弧射門算法的射門動作效果

兩種射門動作從任務(wù)車啟動至射門的完成時(shí)間(s)與進(jìn)球數(shù)對比見表1。在點(diǎn)球動作中，傳統(tǒng)點(diǎn)球和輕推小球到達(dá)一定角度再應(yīng)用預(yù)判圓弧射門算法，設(shè)每種情況踢10次的進(jìn)球數(shù)量與得分率的對比數(shù)據(jù)見表2。

由此可見，基于FIRA仿真足球機(jī)器人的預(yù)判圓弧射門算法在一定程度上提高了射門速度，超前于小球進(jìn)行跑位，從而有更多的時(shí)間用于運(yùn)算和調(diào)整位姿，提升了實(shí)戰(zhàn)中的預(yù)判能力，大大提高了射門的成功率。

表1 兩種射門算法的完成時(shí)間(s)與進(jìn)球數(shù)對比

表2 兩種射門算法在點(diǎn)球中進(jìn)球數(shù)量和得分率的對比

4 結(jié)語

本文提出了一種基于FIRA仿真足球機(jī)器人的預(yù)判圓弧射門算法，不僅考慮了機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)，也能計(jì)算到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的速度和方向，預(yù)判下一狀態(tài)，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動角度與期望射門角度一致時(shí)，機(jī)器人立即擊球完成射門。該算法能很好地提高進(jìn)攻端的

進(jìn)攻效率，適合對已有攻防體系做出優(yōu)化，提升空間大，本文給出的一些思路和代碼適合借鑒，預(yù)判思想也適合用在防守和路徑規(guī)劃等方面。