Research on the Goal-keeper Positioning and Chasing Strategy of RoboCup

Scientific Journal of Control Engineering August 2015, Volume 5, Issue 4, PP.51-56

Research on the Goal-keeper Positioning and Chasing Strategy of RoboCup Defu Long†, Wei Chen School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China †

Email: daven_long@foxmail.com

Abstract Goal-keeper is a special role player. Just as the real football game, goal-keepers play a vital role in the game. Two of the most critical factors of the impact on the goal-keeper’s performance are the stations of goalkeeper and how it chases the ball. In this paper, the chasing the ball method of goalie was improved on the basis of sector-field partition. Finally, according to the sectorfield partition and chasing ball approach, we propose a new method, which mixes the geometric stations and the bisector stations, and experimental validation of the method to further improve the goalkeeper blocked the ball successfully rate.

Keywords: RoboCup; Field Partition; Goal-keeper; Positioning

关于 RoboCup 守门员的站位和追球策略的研究 龙德福，陈玮 广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006 摘

要：守门员是一类特殊角色的球员，与现实的足球比赛一样，守门员的表现对一场比赛来说起着至关重要的作用。

而影响守门员最关键的两个因素就是守门员的站位以及它如何去追球。这篇文章提出了扇形场地划分，并且在此基础上 对守门员的追球方法进行了改进，最后根据新的场地划分和追球方法提出了一种混合了等比站位法和角平分线站位法的 混合站位法，并且通过实验验证了该方法进一步提高了守门员的挡球成功率，进而大大提升了球队的整体水平。 关键词：RoboCup；场地划分；守门员；站位

引言 守门员是一类特殊角色的球员，其动作与普通球员有所不同，除了 kick, turn, dash 动作外，守门员在禁 区范围内还有 catch 动作，也就是扑球动作，这是守门员角色独特的动作，也必须是守门员在禁区的范围内 才能使用。在机器人足球比赛中，合理地选择动作是非常重要的，尤其对守门员这类特殊又重要的角色， 动作的选择稍有闪失就可能会造成严重的后果。守门员决策和普通球员的决策是类似的，首先从比赛服务 器 server 获得外界环境的信息，然后转换为内部状态表示的信息，再通过内部的动作选择模块确定具体的动 作，动作执行模块就将相应的动作描述发送给 server，由 server 实时地执行并改变外界环境。守门员决策就 是当对方球员进攻时，实时地做出判断并与自己球队防守球员一起化解对方的进攻，这个过程中需要跑到 合适的位置，用扑球或者踢球动作获得球权或者将球踢出禁区。对方球员的进攻主要包括正常进攻、对方 角球、对方任意球等情况，每种情况下，对方都会有几名进攻球员随机分布在禁区附近的区域，主动寻找 或等待机会发起进攻，因此守门员必须迅速准确地做出判断。守门员策略动作选择的方法主要有基于规则 的方法和基于目标的决策等。基于规则的方法就是由球队开发者提前设计好条件一动作规则（if-then 规则）， 与当前场景进行合适的匹配，并选择相应的动作。采用基于规则的方法进行动作选择，就要尽量地扩大 ifthen 规则库，利用经验或理论分析对更多场景进行描述。毫无疑问，这种方法比较简单，执行速度也比较快， - 51 http://www.sj-ce.org

但是建立规则的过程就很复杂，尤其涉及到对场景等分析,同时要想达到预期效果，规则数量将及其庞大。

1

场地划分 目前，国内队伍中守门员常用的动作是在比赛开始后在球门区之内作直线运动，其站位和速度根据小

球运行情况来决定，因此在守门员做出决策之前，必须获取小球的有关信息。以小球为中心并结合场地划 分的动态策略。如果不进行区域划分，就不能根据区域的特点进行针对性的防守，达不到动态效果。但也 不是场地划分越多越好，其缺点表现在区域划分越多，其策略的设计越复杂，当球在快速穿越多个区域时， 其防守策略可能无法平滑过渡，致使防守失误。 关于场地划分以及守门员的站位，目前已经有一些方法已经能够让守门员有很好的防守效果，例如， 文献[1]中提出一种区域站位法，如图 1 所示：将场地进行区域划分，为每个区域设定一定的危险级别，根 据球的位置和运动状态来确定守门员的站位点。此时区域划分依据球与球门的距离，球离球门距离越近则 危险级别越高，并且球的速度越大危险级别也越高。

图 1 区域站位法示意图

文献[2]是中型组机器人项目中的一种以球的射门角度范围作为划分依据的站位法，它把球场划分为危 险区、次危险区、低危险区和安全区，划分较为合理，在 2D 仿真项目中也可以借鉴这种方法。 区域站位法只是给出守门员对应不同区域的站位，有些区域站位并没有考虑球的运动状态，对危险程 度并没有作准确的评估，防守效果并不好。图 1 把球离球门的距离作为评价危险级别的唯一标准，这种场地 划分方法显然考虑的不全面。在这篇文章里，我们将提出一种新的方法，即扇形区域划分。这种方法考虑 全面，划分合理，表达起来也简单，如图 2 所示：

➀ ➁

场 半 方 己

场 半 方 对

➂ ➃ ➄

图 2 扇形场地划分示意图 - 52 http://www.sj-ce.org

如图可知，①、⑤区的射门角度很小，较容易防守；②、④的射门角度则相对较大防守也相对困难； ③区的射门角度则是最大的，防守也最困难。

2

区域策略 在机器人足球比赛系统中，守门员的角色动作与其它球员截然不同，主要是参与防守对方球员的进攻，

直接进攻的比较少。为了提高防守效率，守门员的活动范围不宜过大，最好是在球门前的区域运动，以缩 小防守范围，使得守门员有充足的时间去扑球。守门员站在什么位置最有利于扑球，是守门员站位需要考 虑并解决的问题。 守门员的站位策略是最主要的防守策略。一个好的站位要求，首先其站位点不宜离球门距离太远；其 次，站位点既要兼顾封堵小球的最佳射门方向，又要考虑小球运动突变后守门员的快速应变能力。 以足球为中心对守门员进行防守策略设计时，根据足球所属区域的不同分别设计，守门员的防守分为 在禁区内和禁区外防守两种（这里说的禁区是小禁区）。当球处于小禁区内时，守门员应快速运动到球所 在位置前方封堵射门角度并将球撞出禁区。当球处于小禁区外的情况比较复杂，如图 2 所示，我们将其划分 了几个区域，在不同的区域，我们的防守策略也相应的不同，接下来我们详细地分析一下不同区域的站位 以及如何追球。首先，我们按射门角度的大小将①、⑤区定为小角区，②、④区定为中角区，③区定为大 角区。我们分别介绍如下：

2.1 小角区的防守 由图可知，这个区域的射门角度很小，因此守门员只需站在 A 点或 B 点防守就行了。

2.2 中角区的防守 很显然，中角区的射门角度比小角区的射门角度要大，那么中角区守门员应该怎样选择站位呢？要想 确定怎样站位，我们得首先讨论守门员会怎样追球。很多的论文谈到追球，都是沿着垂直球射门路线的方 向去追，这样能够最快的到达射门路线进行拦截，但不是所有的情况都可以这样去追球的，如下图所示， 当球位于 P 点时，则对方的射门路线有可能从 PA 到 PB 之间选择一条，守门员站在 O 点，假设对方沿着 PA 路线射门，要是沿其垂直方向去追，则当守门员到达射门路线时，球已经进入球门了，所以这种情况我 们不能以这种方式去追，这篇文章中，我们沿着守门员的防守线（图 3 中 CD 线）去追，即下图中的 OC 方 向。但是，如果对方沿着 PD 路线射门时，我们就沿着垂直射门路线的方向去追，即下图的 0E 方向。 P

L C M

O E

D N 图 3 中角区站位法示意图 - 53 http://www.sj-ce.org

现在追球的方式确定了，接下来我们确定守门员的站位点（即图中的 O 点）。这种情况下，我们采用 改进的等比站位法来确定站位点。 如图 3 所示，球位于 P 点，直线 L 为守门员的运动的防守路线，PM, PN 分别是球到两球门柱的连线， 与防守线 L 交于点 C 和 D, PM 和 PN 为敌方能够将球射进球门的两条边界线，只要球的射门线路在这两条 边界线范围之内，球就有可能被射进我方球门。两条边线与防守线 L 构成的区域叫做射门三角区，守门员 防在 CD 线段上防守，在球到达直线 L 时将球扑住，则防守成功。点 O 为守门员的站位点，球的位置处在 我方左半场，这时守门员站位点应靠近左半场，在图中表示就是靠近点 C，这样站位是因为球沿 PM 路线向 球门运动时达到球门的时间要小于球沿 PN 路线向球门运动达到球门的时间；反之同理。综上所述，守门员 站位的位置 O 与球的位置 P 之间的关系如下： 𝑃𝐶

𝑃𝐸

=

𝑂𝐶

(1)

𝑂𝐸

从公式(1)中可看出该站位法在等比站位法的基础上做了一些改进，这样的站位更合理地分析了射门路 线与守门员站位之间的关系，提高了守门员站位的准确性并减少了守门员到达目标点的时间。

2.3 大角区的防守 相对于小角区、中角区，在大角区中，对方的射门角度是最大的。在这个区域中，不会出现在中角区 中沿垂直球射门路线的方向去追球时，会出现守门员追到球时球已经进入了球门的情况，因此，我们设计 守门员的追球方式是沿着垂直球射门路线的方向去追。如图 4 所示，我们用角平分线站位法在防守线 L 上 确定其站位点 O。

L C M

G P O

D

H

N 图 4 大角区站位法示意图

它需满足以下公式： OG = OH

(2)

O 点就是守门员的角平分线站位点。角平分线站位法的优点是守门员选择了防守三角区最优线路的最短 路线，这样会大大较少守门员达到目标点的时间；缺点是对不同的射门线路需要选择不同的运动方向，守 门员在运动前需要牺牲部分时间做转身动作。但是，因为我们只在大角区使用这个方法，从图 2 可以看出， 这个区域就在球门的正对面，这对射门路线的变化是一个很大的限制，进而守门员也不需要做很大的转身 动作，这样该方法的缺点就表现的不是很明显了。

3

伪代码实现 概括上面第 3 部分的内容，我们可以将其分为以下几种情况： - 54 http://www.sj-ce.org

⑴Ball_x> -10 时，此为安全区，守门员只需站在球门前正中央的位置即可（用 表示）； ⑵小禁区里，此时非常危险，守门员应该把球拦截出去 ⑶①、⑤区里，此时射门角度很小，守门员只需站在 A 点或 B 点即可； ⑷②、④区里，守门员站O1点（O1为满足公式(1)的 点）； ⑸③区里，守门员站O2点（O2为满足公式(2)的 点）。

伪代码如下：

If ( ball.x> -10.0 ) Target_point← Else if (our_penalty.contains(ball.pos) ) GotoBlock Else if ( ball.absY<= 7.01 ) Target_point←O2

Else if ( ball.Y> 7.01 ) { If ( angle_to_right_pole<−140°) Target_point← Else Target_point←O1

} Else {

If ( angle_to_left_pole>140° ) Target_point← Else }

4

Target_point←O1

实验结果分析 为了验证我们提出的新方法，我们在同一环境下进行了 3 组实验，第一组采用单一的等比站位法，第二

组采用单一的角平分线站位法，第三组则为本文提出的新方法，即基于扇形场地划分的混合站位法。实验 采取实地射门方法，每组实验的总射门次数 80 次，其中射门次数为球对准门的有效射门次数。 实验结果详细对比如表 5-1 所示。 表 5-1 三种站位方法实验结果对比 站位方法

总射门次数

成功相档球数

挡球成功率

等比站位法

80

51

63.75%

角平分线法

80

47

58.75%

混合站位法

80

61

76.25%

从表 5-1 我们可以看出采用本文提出的基于扇形场地划分的混合站位法的成功挡球率比另外两种方法的 挡球率要高，主要是因为混合站位法综合了另外两种方法，在一定程度上弥补了对方的不足，从而提高了 挡球成功率。 - 55 http://www.sj-ce.org

5

结语 本文介绍了扇形场地划分以及提出了基于这种划分的守门员混合站位法。首先，我们提出了扇形场地

划分法，该方法简单却又不失全面；然后，我们采用了改进后的等比站位法来确定中角区的站位点及追球 路线；最后我们在大角区采用了角平分线站位法，分析了该方法的优缺点，并提出限制区域来克服它的缺 点。综上所述，本文提出的混合站位法弥补了单一的等比站位法和角平分线站位法的不足，根据区域的特 点进行针对性的防守，提高了其灵活性和防守能力，并通过 3 组实验证明了这种方法的可行性和优越性。

REFERENCES [1]

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Deng B Z, Zhang Z J, Huang M, etal. Goal-keeper Dynamic Defence Strategy of RoboCup Mid-size Group Based on Field Partition, 2010, 10(16): 4021-4023

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ChenT, Chen Y B, Zhang X F. Research of the Critical Technology of the Goalkeeper in RoboCup 3D, 2014, 29(3): 78-81

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Wang H B, Zhao C, Wang H, et al. The Research of Micro Soccer Goalkeeper Strategy. Journal of Harbin University of Technology, 2004, 36(7): 884-886

[6]

Zhang Z J. The Research an Attack and Defense Decision of RubnCup Mid-size GroupRohot [D]. Changsha: Changsha University of Science and Technology, 2011

【作者简介】 1

龙德福（1990-），男，硕士研究生，

主要研究领域为人工智能与机器学习。

2

陈玮（1963-），女，博士，教授，主要研究领域为智能控

制与机电一体。Email: chenwei@gdut.edu.cn

Email: daven_long@foxmail.com

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