Nghiên cứu thiết kế chiến thuật cho nhóm robot đá banh báo cáo tổng kết kết quả đề tài khcn cấp trường msđt t ck 2013 07

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA FOG BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHIẾN THUẬT CHO NHÓM ROBOT ĐÁ BANH Mã số đề tài: T-CK-2013-07 Thời gian thực hiện: 5/2013 – 5/2014 Chủ nhiệm đề tài: Trần Việt Hồng Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng 6/2014 MỤC LỤC Mục lục I Giới thiệu II Các kết đạt III Các kết mới, bật 15 IV Kết luận kiến nghị 20 V Tài liệu tham khảo 21 VI Báo cáo kinh phí chi 22 I Giới thiệu Robot đá bóng (Soccer Robot) trị chơi đá bóng cho robot tổ chức hai hiệp hội lớn giới Robocup FIRA Mỗi giải robot bóng đá quy định số lượng robot yêu cầu khả tự chủ robot khác Mục đích nghiên cứu tập trung vào Micro-robot soccer thực mô Simurosot Về nghiên cứu xây dựng kỹ cho robot thao tác di chuyển, sút bóng, tránh vật cản, dựa thuật tốn logic mờ, thuật tốn điều khiển PD, khơng gian vector sử dụng giải thuật AHP để phân công nhiệm vụ cho Robot, giúp Robot di chuyển linh hoạt có phối hợp chặt chẽ theo đội hình phải đối mặt với đối thủ sử dụng trí tuệ nhân tạo lúc tham gia trận đấu Fira Simurosot phần mềm mô cho Micro-robot giải Mirosot hiệp hội FIRA tổ chức [11], phần mềm đưa môi trường bóng đá giả lập cho robot với chuyển động, va chạm xác gần giống với thực tế Simurosot cung cấp hệ thống thị giác với liệu theo thời gian thực, hệ thống liên lạc tới robot, nghiên cứu tập trung vào phát triển giải thuật cho robot Hơn giải thuật dễ dàng áp dụng mơi trường bóng đá thật [2,6] Các giải thuật phải viết giải thuật dạng ngôn ngữ C++ Lingo, Simurosot làm nhiệm vụ sever kết nối với giải thuật đội để mô trận đấu thực tế Kích thước robot sử dụng giải FIRA quy định 7.5 x 7.5 x 7.5 cm số lượng robot tham gia giải robot cho đội [12] II Các kết đạt 2.1 Mơ hình hóa động học cho robot Phương trình động học robot [5] : ⎡ x& ⎤ ⎡ cos θ ⎢ y& ⎥ = ⎢ sin θ ⎢ ⎥ ⎢ ⎢⎣θ& ⎥⎦ ⎢⎣ ⎡1 ⎡v⎤ ⎢ ⎢ω ⎥ = ⎢ −1 ⎣ ⎦ ⎢ ⎣⎢ L 0⎤ ⎡v⎤ ⎥⎥ ⎢ ⎥ ω ⎥⎦ ⎣ ⎦ 1⎤ ⎥ ⎡Vl ⎤ ⎥ ⎥ ⎢⎣Vr ⎥⎦ L ⎦⎥ Vận tốc bánh vô lăng robot : ⎡Vl ⎤ ⎡1 − L / ⎤ ⎡ v ⎤ ⎢Vr ⎥ = ⎢1 L / ⎥ ⎢ω ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦ Hình Vị trí robot tọa độ Hình Hệ tọa độ sân bóng Simurosot [12] 2.2 Các bước tiến hành 2.2.1 Quỹ đạo di chuyển đến vị trí Di chuyển hành vi khơng thể thiếu Robot suốt q trình trận đấu diễn Xét vị trí Robot mặt phẳng tọa độ: Hình Quỹ đạo robot di chuyển vị trí Luật điều khiển PD cho vận tốc góc [2]: θ e( new) = φ − θ current θ&e = θ e( new) − θ e(old ) ω = k p ∗ θ e + kd ∗ θ&e Áp dụng luật điều khiển P cho để tính vận tốc dài cần thiết vneed : vneed=kD*D Chọn kD = vmax/30 để giảm tốc độ cho robot khoảng cách gần (D < 30cm) Vận tốc v bị giới hạn vận tốc vmax tới hạn bánh vô lăng Robot : vneed = vmax vneed > vmax Trong q trình di chuyển đến vị trí, góc sai số q lớn, robot khơng thể di chuyển nhanh được, với thuật tốn Fuzzy logic giúp robot đưa vận tốc hợp lý di chuyển góc điều giúp vận tốc vơ lăng robot không vượt vận tốc giới hạn vmax: is If is Large then is vmax If is Zero then Hình Giá trị mờ sai số góc Hình Giá trị mờ vận tốc v Vận tốc dài cần thiết cuối phải điều khiển : Áp dụng luật điều khiển PD cho vận tốc dài [1]: v( previous ) = vfinal = min(vneed,vfuzzy) ( xr − xr ( previous )) + ( yr − yr ( previous )) / dt ve = (vfinal − v( previous ) v&e = (v e −ve ( previous )) Như thông số điều khiển cho v = vfinal + kvp ∗ ve + kvd ∗ v&e robot: l l Vr = v + ω = vfinal + kvp ∗ ve + kvd ∗ v&e + (k p ∗ θ e + kd ∗ θ&e ) 2 l l Vl = v − ω = vfinal + kvp ∗ ve + kvd ∗ v&e + (k p ∗ θ e + kd ∗ θ&e ) 2 Trong trường hợp Vr Vl lớn vận tốc vmax vfinal điều chỉnh lại cho hợp lý 2.2.2 Quỹ đạo sút bóng Sút bóng xác thành cơng chìa khóa chiến thắng trò chơi Việc đưa sẵn quỹ đạo cố định cho Robot di chuyển từ vị trí ban đầu đến vị trí bóng sút gặp khó khăn nhiều điều khiển biến động môi trường [6] Trong môi trường biến đổi nhanh phương pháp Uni-vector vẽ cho Robot quỹ đạo góc theo thời gian thực dù robot vị trí [2,5]: Hình Quỹ đạo Uni-Vector Việc điều khiển Robot đến vị trí bóng sút theo hướng cho trước thực thành cơng nếu: Hình Quỹ đạo sút bóng Để xây dựng quỹ đạo Uni-Vector, nghiên cứu đưa góc β mục tiêu mà robot cần đạt vị trí : Thuật tốn Fuzzy cho kD sử dụng sau [4]: If is Far then is VerySmall If If If is Medium then is Small is Near then is Average is Close then is Large Hình Mối quan hệ mờ khoảng cách D Hình Mối quan hệ mờ hệ số kD kD( D) = ∑ µi ∗ kDi ∑ µi Thuật toán Fuzzy cho kφ xây dựng sau [4]: If is Large then is 0.6 If is Medium then is 1.6 If is Small then is 1.4 If is VerySmall then is Hình 10 Mối quan hệ mờ Hình 11 Mối quan hệ mờ Tọa độ góc mà Robot cần đạt từ vị trí : θ new = α + β Tương tự di chuyển đến địa điểm mới, thông số điều khiển đầu robot : l l Vr = v + ω = vfinal + kvp ∗ ve + kvd ∗ v&e + (k p ∗ θe + kd ∗ θ&e ) 2 l l Vl = v − ω = vfinal + kvp ∗ ve + kvd ∗ v&e + (k p ∗ θ e + kd ∗ θ&e ) 2 2.2.3 Quỹ đạo cho robot tránh chướng ngại vật Xét vị trí thường gặp: Hình 12 Vị trí tương quan gặp vật cản Các bước tiến hành giải thuật tránh vật cản [3,7]: Bước 1: Xét Bước 2: Góc né tránh vật cản an tồn robot cách vật cản khoảng cách D : = > = -1 < Với Nghiên cứu xây dựng luật Fuzzy logic cho is If is Far then is If is Medium then is If is Near then is If is Close then sau [3]: Hình 13 Mối quan hệ mờ Hình 14 Mối quan hệ mờ 2.2.4 Xây dựng chiến thuật đội hình cơng cho Robot Vị trí bóng sân sử dụng tập tình cơng-phịng thủ, cách chia sân bóng thành khu vực khác nhiệm vụ phân công Robot khu vực khác [10] Dựa quan sát hình ảnh thi đấu thực nghiệm từ đội thi đấu bóng đá, thực tế bóng đá thực người, nghiên cứu đưa giải pháp giải cho tình [10]: - Chia sân bóng thành 31 trường hợp để mơ tả trạng thái bóng thường phải đối mặt với robot đối thủ - Xây dựng đội hình xếp vị trí robot ứng với 31 vị trí cơng phịng thủ Các vị trí đưa để giảm thiểu sai sót logic robot tự xử lý tình Sự xếp vị trí để tăng khả phối hợp công, giảm xung đột va chạm tránh hỗn loạn robot phòng thủ sân nhà 10 • • • • • • • • • • • Hình 15 Sự phân chia khu vực sân bóng Xây dựng nhiệm vụ cho robot dựa di chuyển robot tình bóng đưa 31 khu vực [2,10]: Bound Defense – phòng ngự biên khu vực biên Push ball Defense – Chặn bóng, sút bóng khỏi khu vực biên Bound push ball – Sút bóng vào goal đối phương từ vị trí biên Parallel Defense – Phòng ngự song song với robot khác Attack – Tấn cơng sút bóng tư Assitant – Hỗ trợ dự phòng cho robot cơng Clearball – Sút bóng khỏi khu vực penalty đội nhà Home Defense – Phòng ngự trung tâm Left Wing Attack – Chạy cánh công từ cánh trái Right Wing Attack – Chạy cánh công từ cánh phải GoalkeeperAction – Nhiệm vụ dành riêng cho thủ môn 2.2.5 Chiến thuật công phân công nhiệm vụ cho robot di chuyển theo đội hình Để robot làm nhiệm vụ hợp lý nghiên cứu sử dụng thuật toán AHP để đưa lựa chọn robot trường hợp Mô hình AHP chia làm ba lớp [8,10] : - Mục tiêu (Goal): lựa chọn robot cho nhiệm vụ i mục 2.2.4 - Tiêu chí định (Criterion) : Tiêu chí để đưa định chọn robot 11 nhiệm vụ i - Giải pháp thay (Alternative): Sự lựa chọn robot hợp lý cho nhiệm vụ i Các tiêu chí sử dụng nghiên cứu này: - Robot cơng robot có vị trí thuận lợi để sút bóng, có ba tiêu chí đưa để định lựa chọn Robot Attack : + : góc tạo bới Robot-bóng-mục tiêu + : khoảng cách từ Robot tới bóng : Giá trị sai lệch hướng Robot hướng di chuyển + phương pháp Uni-vector đưa cho Robot 12 Hình 16 Tiêu chí lựa chọn robot cơng - Các robot làm nhiệm vụ di chuyển khác: Hình 17 Tiêu chí lựa chọn robot di chuyển Cách tính tốn thuật tốn AHP cho robot [8,10]: Bước 1: Xây dựng ma trận so sánh cặp Robot ứng với tiêu chí Bk với k(13) : Với : giá trị so sánh Robot i với Robot j ứng với tiêu chí k, giá trị lấy từ bảng sau [10]: 13 Bước 2: Tính tốn vector riêng Tk 4x1 ma trận Bk 4x4 : - Giá trị hàng thứ i Tk tổng giá trị hàng i Bk - Tối giản giá trị hàng i Tk cho tổng giá trị cột chúng Bước 3: Kiểm tra tính chắn đưa định cách tính ma trận giá trị riêng : Với số CI (consistency index) , CR ( consistency ratio ), RI (random consistency index ) định nghĩa sau: RI chuyên gia đưa để đánh giá lựa chọn [10] : Theo thuật toán AHP đưa vector riêng Tk đánh giá tin cậy tốt tỉ số quán CR < 0.1 [8,10] Nếu CR>0.1 ma trận Tk giải pháp bình phương ma trận Bk quay lại bước CR