基于博弈论的足球机器人对抗策略与协调合作

西安科技大学硕士学位论文基于博弈论的足球机器人对抗策略与协调合作姓名：史晓茹申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：侯媛彬2011论文题目：基于博弈论的足球机器人对抗策略与协调合作专业：控制理论与控制工程硕士生：史晓茹(签名)指导教师：侯媛彬(签名)摘要足球机器人的研究是个多学科交叉的研究领域，它涵盖了机器人学、数据融合、智能控制、图像处理、通信和机电一体化等科技领域，并且已成为研究多智能体和人工智能的理想实验平台。机器人比赛时，如何在复杂多变的动态环境下选择合适的策略及多机器人之间的协调合作都是足球机器人决策系统的关键。本文正是从足球机器人决策系统的两个关键问题出发，根据决策系统对智能性和准确性的要求，结合博弈论算法研究了足球机器人决策系统的对抗策略选择和多机器人之间的协调与合作。本文依托西安科技大学学科群机器人实验室平台，对足球机器人决策系统和博弈论算法进行分析和研究。从机器人对抗的角度出发，提出了一种基于不完全信息博弈的机器人对抗决策方法。其次，从机器人合作的角度出发，探讨了联盟博弈应用于多机器人之间协调与合作的问题，并对两种博弈模型进行了分析和求解。通过仿真结果可以看出：基于不完全信息博弈的机器人对抗策略方法可以大大缩小机器人策略选择的范围；联盟博弈理论在多机器人合作中的应用可以使得机器人角色随着赛场态势的转变而动态变化。针对我们的四轮机器人持球不稳的问题，对足球机器人的硬件——持球装置进行了改进，在足球机器人全景摄像头的下方增加了以两个功率为12W的直流电机为核心的辅助装置，从而提高了机器人持球的稳定性，增加了比赛获胜的机率。最后，在实际的足球机器人系统实验平台上，实践证明了论文的研究方法对于球队整体竞技水平的提高有明显的帮助，并改善了机器人的持球机率和机器人之间相互配合的协调性。关键词：足球机器人；博弈论；对抗策略；多机器人研究类型：应用研究Subject:TheConfrontationStrategyandMulti-robotCooperationofRobotSoccerBasedonGameTheorySpecialty:ControlTheoryandControlEngineeringName:ShiXiaoru(Signature)Instructor:HouYuanbin(Signature)ABSTRACTSoccerrobotsystemisacross-fieldsscience,whichcoversrobotics,datafusion,intelligentcontrol,imageprocessing,communication,mechanical-electricalintegrationetc.Meanwhile,soccerrobotsystemprovidesastandardtest-bedfortheresearchofmulti-agentsystems(MAS)andartificialintelligent.Inrobot-soccergame,howtochoosetherightstrategyandthemutualcoordinationamongrobotsinthecomplexanddynamicenvironmentisthekeytothedecision-makingsystemofrobot.Fromthetwokeyproblemsofthedecision-makingsystem,theconfrontationstrategyandthecooperationamongrobotsareresearchedaccordingtotherequestsofintelligenceandaccuracyofthedecision-makingsystemandcombiningthegametheoryinthispaper.Thedecision-makingsystemofrobotandthealgorithmofgametheoryareanalyzedandstudiedrelyingonthesoccerrobotplatformwhichisprovidedbythedisciplinegroupsofxi’anuniversityofscienceandtechnology.Fromtheangleofopposability,theconfrontationstrategybasedonincompleteinformationgameisproposed.Then,fromtheangleofcooperation,thecooperativegameusedincoordinationandcooperationamongrobotsisdiscussed.Finally,thetwogamemodelsareanalyzedandsolved.Throughthesimulationresults,itcanbeseethattheincompleteinformationgamealgorithmcanreduceconsiderablytheeffectivestrategyscope,andthecooperativegamealgorithmusedincoordinationandcooperationamongcanmaketherobottaketurnswiththechangeofsituationdynamically.Owingtotheinstabilityofholdingdeviceoffour-wheelrobot,theholdingdeviceofsoccerrobotisimproved.Theauxiliarydeviceswithacoreoftwodirectcurrentmotorswhosepoweris12Wareaddedtoenhancethestabilityofholdingballandincreasedtheprobabilityofwinningthegame.Lastly,itisverifiedthattheabove-mentionedmethodsboostedobviouslythecompetitivelevelofthewholerobotteam,aswellasimprovedtheholdingprobabilityandthemutualcooperationamongrobots.Keywords：SoccerrobotGametheoryConfrontationstrategyMulti-robotsThesis：ApplicationResearch1绪论11绪论足球机器人比赛，是近年来在国际上迅速开展起来的高技术对抗活动，它是体育与高科技相结合的产物，比赛融入了机器人学、机电一体化、通讯与计算机技术、机器人视觉与传感器融合技术、决策与对策、智能控制等多学科高新技术。为研究图像处理与智能控制提供了很好的平台。1.1足球机器人的研究背景足球机器人踢球比赛采用人工智能学原理，完全模仿人类比赛。首先用机器视觉识别场地环境并确定对手位置和球的位置等信息，然后决策系统来判断环境的动态变化及态势，进而选取策略，最后执行传球或射门等动作。由于中型组足球机器人比赛要求机器人完全自主，即视觉和其他传感器以及带有决策程序的主机全部携带在机器人身上，所以其挑战性也是Robocup公开赛中最强的。它的开展和研究涉及了图像处理与模式识别、路径规划、对抗决策、防碰撞、多机器人合作协调等众多学科的前沿研究，是人工智能和机器人学的标准问题之一[1]。在世界上比较有影响的足球机器人赛事主要有两项：一个是由国际足球机器人联合会FIRA(FederationofInternationalRobotSoccerAssociation)组织的微机器人世界杯Mirosot比赛；另一个是由国际人工智能协会组织的机器人世界杯Robocup(RobotWorldCup)比赛。Robocup比赛通过提供一个标准的比赛平台来检验各种智能机器人技术[2]。(a)赛场一角(b)本校机器人调试现场图1.1中型自主足球机器人比赛现场Robocup比赛的分类[3]：仿真机器人比赛(SimulationLeague)，这种比赛是以Client∕Server的方式进行的，没有实际的机器人硬件，仿真组比赛为实物机器人比赛的研究提供了很好的实验平台；小型足球机器人比赛(Small-sizeLeague)，以实物机器人的形式进行比赛，场地信息的获取通过场地上方安装的摄像头获取，无论从规模还是大小上来说，都相对较小；中型自主足球机器人比赛(Middle-sizeLeague)，以实物机器人进西安科技大学硕士学位论文2行，规模较大，机器人也是完全自主的，如图1.1所示，(a)图为中型组机器人比赛时的一角，(b)图为本校机器人于2010年Robocup中国公开赛的现场调试一角；其次，还包括类人组比赛(Humanoid)；有腿足球机器人赛(LeggedRobotLeague)，救援足球机器人比赛(RobocupRescue)。在机器人比赛中，如何去组织多个机器人通过协调合作去完成同一个任务，如何在激烈的竞争中选择获胜机率大的比赛策略，如何选择最优的策略去接近目标球，如何根据环境和比赛态势的动态变化去调整策略战术等问题在Robocup中型组机器人系统中表现的尤为突出。因此，以Robocup中型组机器人系统为背景的机器人策略选择和协调合作的研究具有重要的意义。1.2足球机器人的研究意义结合理论背景与足球机器人比赛的实际情况，选择基于博弈论的足球机器人策略方法的研究具有多方面的意义。(1)国际学术会议开展，学术理论知识交流很好的舞台。RoboCup选择了足球比赛作为基本的研究领域，并组织了RoboCup会议：机器人足球世界杯学术会议。通过参与比赛和会议交流，使我们能够很好的与国际潮流接轨[4]。比赛队伍之间的理论与技术的交流，也开阔了眼界，同时也找到了与先进队伍之间的差距和不足。(2)推动着人工智能等相关领域科研技术的迅速发展。足球机器人比赛涉及人工智能、机器人学、通讯、传感、精密机械和仿生材料等诸多领域的前沿研究和高新技术，实际上是高技术的对抗赛。机器人借助“足球”的形式，进行各种比赛，比赛中包含了许多重要的科学技术，如机器人比赛时的信息识别及自定位都需要应用机器视觉技术和传感器技术；球队内机器人之间的互相联系与沟通需要应用无线通信技术；队员之间的通信内容需要应用信息加密技术和防窃听技术等[5]。(3)激发了青少年对科学研究的激情。足球机器人的另一个魅力是可以通过比赛激发青少年对科学研究的热情，提高学生的动手能力、创新能力和协作能力[6]。美国俄亥俄州立大学的MauricioFerreira和KetraL.Armstrong在其论文中讲述了青少年的实际动手能力与其父母对足球的喜爱程度有很大的联系，而机器人进行足球比赛恰好可以激发青少年这方面的兴趣[7]。(4)RoboCup作为一个标准问题，可以用来评价各种不同的理论、算法和体系结构。比如足球机器人视觉系统的实质是数字图像处理，包括图像的获取、增强、存储、处理、表达和识别等步骤。自1997年RoboCup首届比赛以来，该领域已取得了一系列成果，各组均具备了较成熟的硬件平台和软件算法[8]。足球机器人同时又提供了一项标准任务，研究者利用其验证各个领域的相关技术并获得更好的解决方案，可以反过来促进各个领1绪论3域的相关发展。从足球机器人比赛系统的角度看，比赛中的多机器人系统可以分为集中式和分布式。对于集中式系统，各个机器人被一台中央计算机控制，中央计算机根据比赛场上的情况做出实时决策，决定各机器人的运动和动作。而对于分布式系统，各个机器人可被视为单独的智能体，各机器人根据预先编写的程序，按照设定的行为准则，根据比赛场上的形式及自身的状