基于分布式网络的足球仿真平台设计

（西安体育学院,西安,710068）

基于分布式网络的足球仿真平台设计

黑晓虎

（西安体育学院,西安,710068）

本课题将分布式网络技术和机器人足球比赛有机结合在一起，采用模块化思想，设计了一种基于分布式网络的足球仿真系统。该系统通过仿真接口将仿真平台与机器人系统有机结合，最终构建了运动仿真、智能裁判、自动归位、策略及其三维显示等几大模型。

分布式网络；机器人；足球仿真系统

1 分布式网络仿真技术的概述

分布式网络结构由具有多个终端节点机互连而成。任意一点的连接至少有两条线路，即使其中一条线路产生故障，通讯任务也可以交由另一条线路完成。利用专用物理效应设备和计算机等工具模拟真实的环境，在设计的系统模型中进行动态实验研究。系统仿真技术被广泛应用于航空、航天、交通、生态系统、经济、国防等多种领域，它可以应用于科技产品的论证、设计、生产实验等阶段。

2 分布式网络的足球仿真平台的总体设计

分布式网络的足球仿真平台是由分布式模型仿真系统以及运行在该仿真系统上的关键模型两大组件构成。

2.1 分布式网络仿真系统

该分布式网络仿真系统一系列API和辅助工具来协助完成模型的创建、模型的连接、模型的执行工作的开展，并且还可以集成网络的收发功能。该系统不用网络消息收发、对线程和锁的处理，只需要定义算法和接口，这种工作方式可以提高模型的开发效率。分布式仿真系统的构成包括以下几部分：

（1）仿真服务节点

仿真服务节点可以负责收集其他节点的数据，这种工作方式可以将仿真服务集群中的所有信息共享给连入系统的客户端。它还可以存储管理模型，可以将模型保存、删除，在收到计算机的任务信号时开启执行器。

（2）模型的开发接口

可以提供一系列函数和标准以此来开发模型，从模型开发接口SDK继承自己的模型，以此来进行模型的开发。

（3）模型执行器

将模型层次关系进行加载和分解，产生一组有向的基本模型图，形成一组有向的基本模型图，完成以上加载工作之后根据模型依赖关系，将输入、控制接口数据接收，并依次执行每个模型，将其结果传输到下一个节点的执行器。

（4）模型组装工具

浏览模型的列表，采用拖拽、连线两种方式将模型组合起来，在执行命令的调动下让仿真计算节点调用执行器，以此来执行组合好的模型。

2.2 机器人足球仿真平台的模型

运行在仿真系统上的关键模型指的是机器人足球仿真平台上构建的模型，该设计对这些模型做了详细介绍：

（1）物理仿真模型

该模型主要负责机器人环境的物理计算工作，对构建好的机器人和球物理结构进行碰撞检测、刚体动力学仿真、位置反馈的处理。

（2）自动裁判模型

自动裁判模型主要负责的工作是判断比赛过程中是否存在犯规现象，并将当前比赛所处的状态通知给其他其他模型。

（3）自动归位模型

当系统出现违规现象时，自动归位模型就会采取相应的措施。在比赛出现违规现象时，自动归位模型会依据规则处罚犯规的“运动员”并且还会重新设置“运动员”的位置，根据策略模型提供机器人的站位信息来纠正违规占位现象。

（4）策略模型

策略模型为参赛队员的编程设计出相应的接口，这些接口能够接收物理模型、裁判模型所提供的赛场信息，并且该程序还设计了“运动员”转角、跑定点、守门、射门等简单基本的足球比赛动作。策略模型是系统的执行核心，并且是具备网络功能的模型。

（5）可视化模型

可视化模型接收比赛场地传达来的信息，将这些信息整合并用三维重现显示比赛过程，将其投影到大屏幕上，其显示效果逼真，具有很好的欣赏价值。将物理、自动裁判、自动归位模型用动态链接库（DLL）的形式呈现出来，并上传到仿真服务节点，将上传上来的信息用执行器组件加载后相应的模型才能被执行；策略模型和可视化模型这种可执行程序（EXE）形式模型可以直接在本地执行，并通过网络连入计算服务相应的节点与其他模型协同运行。

3 分布式模型仿真系统的模型设计

采用统一的数据标准、结构、协议以及数据库来设计构建分布式仿真模型，利用广域网或者是局域网连接各个仿真计算节点，各节点通信互通。计算机网络可以将分散在不同地域的仿真计算节点连接起来，使相对独立的各类节点互联以此来构成一个规模大、参与者多的综合虚拟环境。该课题详细论述了系统自动裁判及自动归位模型的设计：

3.1 自动裁判的模型设计

该系统的所仿真的比赛速度比正常比赛要快很多，用人工裁判无法准确快速的裁判比赛结果。自动裁判模型的设计满足了以上系统要求，该系统是根据机器人的位置进行智能化裁判。该模型可以对足球比赛进行进行态势评估，得到比赛评估结果，根据比赛规以及场地的现场状况进行判罚。

（1）比赛态势评估模块

足球比赛双方各有11名队员，比赛分上下两场个为5分钟，将球射入对方球门次数多者得胜。在比赛过程中要进行比赛态势分析，结合球的位置、方向、比赛当前比分、比赛剩余时间、控球率五个方面进行综合分析。态势分析模块会将大量密集、散乱的信息进行预处理，从这些信息中提出影响比赛胜负或扭转局势的相关信息，该模块的信息可以给智能决策模块提供相应的辅助决策信息。

假设某一队赛场形势为FS{优势，劣势}、比赛剩余时间为TS{比赛初始，比赛中间，比赛末尾} 、当前两队比分状况为SC {比分领先，比分持平，比分落后}、某一队的控球率为BR{我方控球，对方控球}、当前球的位置为BP{近，中间，远}、当前球的方向为BD{准，较准，不准}、双方机器人位置RR{近，中间，远}，各态势元素的拓扑结构如图1所示：

图1 态势元素拓扑结构图

3.2 自动归位的模型设计

自动裁判模型给出相应的裁判结果，自动归位模型将机器人移至规定的位置中。机器人归位方式有以下两种：（1）平台默认的位置（2）队员制定相应的策略指定机器人对应的位置。

第二种归位方式可能不符合比赛规则。系统设计时首先检测归位位置是否符合比赛规则。归位不符合规则时要对其位置进行矫正，再归位机器人。自动归位的步骤如下所示：

（1）关闭物理引擎，获取各个球的位置和当前定位球状态。

（2）读取机器人的位置坐标。

（3）检测机器人归位是否符合规则。

（4）查找符合比赛规则且与机器人当前位置最近的坐标。

（5）校正机器人的位置。

对该系统的各个模型进行详细设计，完善系统，并将设计好的系统进行测试，确认无误后即可投入使用。

4 总结

该课题将分布式网络技术和机器人足球比赛有机结合在一起，设计了一种基于分布式网络的足球仿真系统。该系统具有很好的应用价值。

[1] 李迅.机器人足球分布式仿真平台的设计与实现[D].武汉工程大学,2012.

[2] 张冰,陈万米,梁亮,魏延钦.基于OpenGL的小型组机器人足球仿真平台设计[J].系统仿真学报,2008,03:724-728.

黑晓虎，男，1978年3月出生，陕西西安人，讲师，研究方向：足球教学训练与科研

Soccer simulation platform based on the distributed network design

Hei Xiaohu
(Xi'an PHYSICAL EDUCATION university,Xi'an,710068)

This paper will be distributed network technology and organic combination of robot soccer, modular thinking,design soccer simulation system based on a distributed network.The system interface through simulation and robotics systems simulation platform combine eventually build motion simulation, intelligent referee,automatic homing strategy and its three-dimensional display and other major models.

distributed network;robot;soccer simulation system