基于OpenGL的小型组机器人足球仿真平台设计

第20卷第3期系统仿真学报©V ol. 20 No. 3 2008年2月Journal of System Simulation Feb., 2008基于OpenGL的小型组机器人足球仿真平台设计张冰1，陈万米1,2，梁亮1，魏延钦1(1.上海大学机电工程与自动化学院, 上海 200072; 2.上海市电站自动化技术重点实验室, 上海 200072)摘要：机器人足球是人工智能与机器人领域的基础研究课题。

实现了基于OpenGL的小型组机器人足球仿真平台，并对其中的关键技术进行了讨论。

仿真平台建模简单、直观，使用射线追踪算法很好地实现了世界模型的碰撞检测，对机器人的运动以及控球性能也作了精确的模拟，并实现了多种人机交互功能。

三维仿真平台的应用能更好地协助实物机器人足球系统的先期调试，也为实际比赛后的数据分析提供了有利的工具。

关键词：机器人足球；OpenGL；仿真平台；碰撞检测中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2008) 03-0724-05 Design of Simulation Platform for RoboCup Small Size LeagueBased on OpenGLZHANG Bing1, CHEN Wan-mi1,2, LIANG Liang1, WEI Yan-qin1(1. School of Mechanical Engineering & Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China;2. Shanghai Key Laboratory of Power Station Automation Technology, Shanghai 200072, China)Abstract: RoboCup is the basic research subject in the field of artificial intelligence and robotics. A simulation platform for RoboCup Small Size League was established based on OpenGL and some related key technologies were discussed, includinga simple modeling method, the ray tracing technique for collision detection, a precise simulation of the robot’s motion, andmanifold user interaction functions. The 3D simulation system helped a lot during early research process of the real robot soccer system, and it was also employed for game data analysis after a real match.Key words: RoboCup; OpenGL; simulation platform; collision detection引言机器人足球比赛是融机器人学、人工智能、模式识别、图象处理、自动控制、通讯、传感等多门学科的高技术对抗活动。

它是一个很好的研究多机器人合作与多智能体系统的实验载体。

机器人足球实物组硬件平台本身的诸多局限性使得很多相关的研究、分析、调试工作很难在硬件平台上顺利实施，因此仿真平台的建立是必须的。

同系统实验方法相比，系统仿真更快捷、更经济，也更易于实施，仿真实验的可重复性也大大方便了分析工作[1]。

针对实物组机器人比赛平台的仿真工作已经完成很多，但是已完成的方案中绝大多数只能作基于二维平面的仿真与数据处理[2,3]。

在近几年的RoboCup 比赛中，小型组足球机器人挑球装置的引入使比赛过程不再局限于二维平面，而是扩展到了三维空间。

显然，二维仿真平台已经无法适应对当前机器人足球系统的真实仿真。

OpenGL是开发多机器人三维仿真平台的有利工具。

文献[4]实现了可重构星球探测机器人系统三维仿真平台，为课题的深入研究提供了有力的支持。

小型组机器人足球仿真平收稿日期：2007-03-26 修回日期：2007-06-17基金项目：上海市重点学科建设项目 (T0103); 上海市教委发展基金资助项目 (04AB65).作者简介：张冰(1982-), 男, 上海人, 硕士生,研究方向为人工智能, 多智能体, 多机器人协调等；陈万米(1967-), 男, 浙江人, 高级工程师, 研究方向为智能机器人, 控制理论与控制工程等。

台“F180_Simu”系统也是基于OpenGL开发，在三维空间建立了机器人足球系统的世界模型，包括动画设计以及机器人、足球的运动模型和碰撞模型，并融入决策与战术的设计，逼真地模拟了5对5 RoboCup小型组机器人足球比赛。

仿真平台不但为决策系统的研究提供了有效手段，而且也可作为机器人足球比赛的效果演示。

1 仿真平台三维实体建模设计仿真平台动画界面如图1，其中静止对象：比赛场地，球门；可动对象：足球机器人、球。

图1 仿真平台动画界面比赛场地采用薄板型长方体建模，基于3D坐标的(x,z)平面。

根据RoboCup小型组机器人足球比赛规则，比赛场地为绿色，长宽分别为4900mm和3400mm，场地边缘各留有宽2008年2月 张 冰, 等：基于OpenGL 的小型组机器人足球仿真平台设计 Feb., 200830mm 的区域。

球门挡板也采用薄板型长方体建模，一方为黄色，一方为蓝色。

球门柱采用长圆柱体建模。

每队由五个机器人组成，双方机器人顶盖中央分别有黄色和蓝色的队标，同一队的机器人通过队标周围不同的色标排列方式区分。

机器人的体积必须限制在底面直径为180mm ，高为150mm （全局视觉）的圆柱体内，机器人的建模采用符合以上限制尺寸的圆柱体。

比赛用球采用直径40mm 的球体建模。

2 碰撞检测碰撞检测就是检测虚拟场景中不同对象之间是否发生了碰撞，涉及碰撞检测和碰撞响应两部分内容。

仿真系统的碰撞检测单元包括：球与场地的碰撞检测；球与机器人的碰撞检测；球与球门板的碰撞检测；球与球门柱的碰撞检测。

对于机器人之间以及机器人与球门的碰撞，可以通过机器人的路径规划算法来避免。

F180_Simu 仿真系统应用射线追踪算法进行碰撞检测计算。

运动的质点与平面的碰撞检测[5]：通过一个点以及一条经过该点且垂直于该平面的法线就可以定义一个平面：d mal Plane._Nor ition Plane._Pos =⋅ition Plane._Pos 是矢量，表示平面上的一个点；mal Plane._Nor 也是矢量，表示平面的法线；d 是两矢量的数量积，表示坐标系的原点到法线平面的距离。

将质点的运动视为一条由矢量描述的光线： on Raydirecti t Raystart PointOnRay ⋅+=t 取值从0到无穷大。

0=t 时获得起始点的位置，t 为其它值时获得在光线所经过路线上的其他相应位置。

如果一条光线与一个平面相交，那么光线上必定有点满足平面公式：d PointOnRay mal Plane._Nor =⋅计算得到参数t ： (())()Plane._Normal Plane._Position Raystart t Plane._Normal Raydirection ⋅−=⋅t 是从光线起点沿着光线的方向到平面的距离，将t 代入光线公式即可算出撞击点。

还有几个特殊情况：0=d ，表明光线和平面是平行的，不会有撞击点；t 是负数，表明撞击点在光线起始点的后面，即沿光线后退的方向撞击到平面,光线和平面没有交点。

运动的质点与圆柱面的碰撞检测[5]：圆柱面的描述如图2所示，有一个起点、一个描述圆柱面轴的方向的矢量以及一个半径。

ction Ball._Dire 和Axis Cylinder._都是归一化后的单位向量。

图3是圆柱面碰撞检测计算的多角度示意图，为求出碰撞点，必须计算图3(b)所示的两个关键变量t 和s 。

Position Cylinder._tion Ball._Posi RC −= ()n Unit Ball._Direction Cylinder._Axis =×n 为两矢量的单位化矢量积，如果0=n ，即ction Ball._Dire 与Axis Cylinder._平行，不存在碰撞的可能性；如果0≠n ，图2 圆柱面与质点球n(a) 示意图1(b) 示意图2(c) 示意图3 图3 圆柱面碰撞检测计算n RC d ⋅=，若d 小于圆柱面的半径Radius Cylinder._，则存在碰撞的可能性。

Axis Cylinder._RC V ×=sin()with V RC RC Cylinder._Axis =⋅Axis Cylinder._ction Ball._Dire θwith = ()sin()V n t θ−⋅=2008年2月 系统 仿 真 学 报 Feb., 2008s 计算出t 和s 后，在图4所示的四类碰撞情况下，分别讨论碰撞检测结果并在碰撞检测成立的情况下求出撞击点。

图4中的箭头方向表示质点的运动方向。

(a) 碰撞情况1 (b) 碰撞情况2(c) 碰撞情况3 (d) 碰撞情况4图4 四类碰撞情况图4(a)：0<−s t ，0<+s t ，质点位于圆柱面外，运动方向远离圆柱面，碰撞检测不成立；图4(b):0<−s t ，0>+s t ，0<t ，质点位于圆柱面内，碰撞检测成立，碰撞点1P t s =+；图4(c)：0<−s t ，0>+s t ，0>t ，质点位于圆柱面内，碰撞检测成立，碰撞点2P t s =+；图4(d)：0>−s t ，0>+s t ，质点位于圆柱面外，运动方向接近圆柱面，碰撞检测成立，碰撞点1P t s =−。

为实现球体表面与平面或圆柱体表面的碰撞效果，将平面或圆柱体的表面沿法线方向偏移，如图5(a)中虚线所示，原始图元由实线表示。

这样碰撞将发生在球心与虚线表面的交点处，即在发生了偏移的表面和半径更大的圆柱面上进行碰撞检测，就不会发生图5(b)中球穿进平面的情况，从而实现真实的碰撞效果。

(a) 修正后图元的实现效果 (b) 原始图元的实现效果图5 碰撞检测实现效果球与场地、球与球门板、球与机器人顶部的碰撞检测由质点与平面的碰撞检测算法实现；球与球门柱、球与机器人侧面的碰撞检测由质点与圆柱面的碰撞检测算法实现。