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机器人足球比赛研究


第 25 卷第 4 期 2003 年 7 月 文章编号: 100220446 ( 2003) 0420373205
of Robo t Soccer Gam e in Ch ina.

机器人 ROBO T

V o l 25, N o. 4 .  J u ly, 2003

机器人足球比赛研究
洪炳

熔, 韩学东, 孟 伟

( 哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院 哈尔滨 150001)

摘 要: 机器人足球比赛是一个有趣且复杂的人工智能的新兴研究领域, 它试图利用一个将各种理论、 算法和

意义、 A gen t 体系结构集成在一起的任务来促进机器人学和人工智能研究的发展. 论述了机器人足球比赛的目标、 所涉及的关键技术以及一些主要的应用方面, 同时指出了机器人足球比赛今后的发展方向. 希望引起研究人员对机 器人足球比赛的重视, 以便促进机器人足球比赛在我国的发展. 关键词: 机器人足球比赛; 挑战性项目; 多智能体系统; F IRA ; RoboCup 中图分类号:  T P24    文献标识码:  B

RESEARCH O N RO BO T SOCCER GAM E
HON G B ing 2rong, HAN Xue 2dong, M EN G W ei

(S chool of C om p u ter S cience and T echnology , H a rbin Institu te of T echnology , H a rbin 150001, C h ina )

 Abstract: Robo t Soccer Gam e is an in teresting and com p lex new a rea of a rtificia l in telligence. It is an a ttem p t to

p rom o te in telligen t robo tics resea rch by p roving a comm on ta sk to eva lua te va riou s theo ries, a lgo rithm s, and agen t . a rch itectu res T h is p ap er add resses the goa l, sign ificance, key techn iques, m a in app lica tion and fu tu re w o rk of Robo t Soccer Gam e. T he goa l of th is p ap er is to d raw resea rchers’ tten tion s to the p rom o tion of the developm en t a

1 引言 ( In troduct ion )

1993 年, M ackw o rth 在 一 篇 题 为 O n Seeing “

的文章中提出, 足球可以作为机器人学和 A I Robo t s” 研究的试验平台[ 1 ] , 随后其他几位研究人员也在足球 领域分别做了一些工作. 在这些成果的基础上, 1996 年韩国首次举办了世界杯机器人足球大赛[ 2 ] , 1997 年成立国际机器人联盟 ( F IRA ) , 同年在日本名古屋

举行的第 15 届人工智能国际会议上举办了机器人 足球世界杯大赛 (RoboCup ) [ 3 ]. 中国第一支机器人足

球队于 1997 年 8 月在哈工大成立, 可以说, 中国的机 器人足球几乎与国际上同时起跑. 机器人足球比赛是一个有趣且复杂的人工智能 的新兴研究领域, 它试图利用一个将各种理论、 算法 和 A gen t 体系结构集成在一起的任务来促进机器人 学和人工智能研究的发展 机器人世界杯选择足球 .

Ξ

 Keywords: robo t soccer gam e, cha lleng ing p ro ject, m u lti2agen t system , F IRA , RoboCup
( 69985002).

作为其比赛项目, 是因为想让机器人踢好足球, 必须 集成许多技术, 完成一些技术突破. 技术的范围涉及 到了智能机器人研究的各个方面, 包括智能 A gen t 的设计原理、 A gen t 协作、 多 策略获取、 实时推理和 规划、 机器学习和信息融合等. 本文主要论述了机器人足球比赛的目标、 意义、 所涉及的关键技术以及一些主要的应用方面, 同时 指出了机器人足球比赛今后的发展方向.

Ξ

2 机器人足球比赛的目标和意义 ( Goa l and s ign if icance of robot soccer gam e )
机器人踢足球是一项前所未有的挑战. 研究人 员希望将机器人足球比赛作为一项诱人但困难的挑 战, 并以此来推动机器人学和人工智能的发展. 机器 人足球比赛的一个明显特征就是它以一个一般的领 域, 主要是足球, 来促进研究的发展. 它明确提出其

基 金项目: 国家 863 高科技发展计划资助项目小型组机器人足球关键技术 ( 2001AA 422270 ) ; 国家自然科学基金资助项目 收稿日期: 2003- 01- 10

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     机 器 人

2003 年 7 月

最终的目标是打败人类世界杯比赛的冠军队伍. 机 器人踢足球可以说是智能机器人领域的一大进步, 可称之为里程碑工程. 成功的里程碑工程能够实现非常令人瞩目的目 标 最成功的范例就是阿波罗空间计划. 美国承认阿 . 波 罗计划实现了 “载人到月球且将人安全返回地 [4 球” ]. 它是人类历史上的一个里程碑. 尽管载人到月 球的直接经济效益不高, 但为完成这个目标而实现 的技术为美国的现代工业建立了强有力的技术基 础 里程碑计划的一个重要问题就是要树立足够高 . 的目标, 这样要完成这项任务需要实现一系列的技 术突破. 机器人足球比赛的最终目标是:“到 21 世纪中 叶, 一个仿人机器人组成的队伍能在 F IFA ( 国际足 球联盟) 的规则下打败人类的世界杯冠军. ” 一个更 一般的目标是 “让机器人足球队象人一样踢球” . 显然, 最终目标的实现要花上如果不是几百年, 也要是几十年的努力. 无论如何, 利用目前的技术完 成这个目标是不可能的. 然而, 这个目标可以很容易 产生一系列更直接的子目标. 这种方法在任何有挑
[5]

一方面组织队员协同进攻, 不但需要在复杂, 不确定 的真实世界中及时判断战局和随机应变能力, 而且 也需要多数机器人之间的协调、 合作行为.
表 1 计算机下棋与机器人足球的主要区别
Table 1 The ma in d ifference of com puter play ing chess and robot soccer
性能 比赛环境 智能体 (A gen t ) 个数 处理速度 信息性质 控制方式 项目 计算机象棋比赛 机器人足球比赛 静态环境 单个 非实时 完全、 符号 集中控制 动态环境 多个 实时 不完全、 不确定 分散控制

  计算机象棋只适合于非实时、 符号世界, 而机器 人足球是实时、 真实环境世界. 机器人足球技术将孤 立的、 非实时的符号世界的人工智能发展到开放的、 实时的真实世界, 所以其应用领域特别广泛, 无论在 产业界与军事界, 还是在教育界与体育界都可适用. 因此可以说, 机器人足球在人工智能领域可成为另 一种新的标准问题.

战的计划中是很常见的. 在美国空间计划中, M er2 cu ry 计划和 Gem in i 计划 ( 载人轨道飞行任务) 是阿 波罗计划的两个先驱. 机器人足球比赛的第一个子 目标是 “建立实际的和软件的机器人足球队, 在调整 的规则下, 尽可能的踢好球” 即使是完成了这一目 . 标, 无疑也会产生对工业的很多方面有重要影响的 技术. 机 器人足球比赛还可 以 看 作 是 一 个 “标 准 问 题”这样各种理论、 , 算法和体系结构就能得以评估. 计算机下棋就是标准问题的一个典型事例, 可以通 过这个领域来评价和开发各种算法. “深蓝” 在正常 规则下, 打败了人类国际象棋冠军 Ka sp a rov. 这表明 计算机下棋的挑战即将完成. 计算机下棋作为一个 标准问题, 其成功的一个主要原因是明确地定义了 进步的评价. 研究进展能够通过系统的实力来评价, 这里是指美国的象棋等级. 然而, 要想完成计算机下 棋的最初目标, 还需要新的挑战. 挑战需要为下一代 的工业产生一系列的技术, 机器人足球比赛可以完 成上述要求. 表 1 给出了机器人下棋和机器人足球 比赛之间的区别. 从表 1 可知, 这两种比赛的目标、 复杂性不同, 计算机象棋比赛面向的是非真实世界, 而机器人足 球面向的是真实世界. 在机器人足球比赛中, 在攻守 瞬间变化的动态环境下, 一方面防止敌方的进攻, 另

3   机 器 人 足 球 比 赛 涉 及 的 关 键 技 术 ( Key techn iques of robot soccer gam e )
目前国内外许多学者对机器人足球越来越感兴 趣, 并积极参加世界杯比赛, 主要是因为它将各种技 术集成到一个独立的、 完整的 A gen t 上, 并且通过比 赛的方式考验其综合技术水平. 通过这个项目能检 验面向 21 世纪人类和机器人共存所必需的分布式 多机器人的协调与合作技术及智能机器人知识处理 水平. 机器人足球所包含的关键技术及主要研究内 容如下: ( 1 ) 视觉技术 足球机器人对环境的认识主要 依靠视觉系统. 它相当于人的眼睛, 因此视觉是机器 人足球的关键技术. 目前为实现视觉的实时处理, 对 物体的识别主要采用彩色信息, 但今后为实现类人 机器人的视觉必须研究形状信息和运动信息. 在视 觉技术中, 另一个重要问题是视野问题. 通常固定摄 像机容易丢失机器人与球, 因此最好采用全方位摄 像机, 但如果增加无用的视野, 会降低图像分辨能 力 因此要通过研究主动视觉与认知心理学技术来 . 解决视觉中存在的识别效率与定位精度的难题. ( 2 ) 触觉技术 在比赛过程中足球机器人经常 和对方机器人碰撞, 导致翻倒或撞伤, 因此触觉系统

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受到格外重视, 它相当于人的皮肤. 现在主要利用红 外线或声纳技术, 通过事先预测方法避免碰撞, 但由 于其密度不大, 仍未解决碰撞问题. 为实现类人机器 人自主避免碰撞问题, 要研究高密度触觉传感器, 即 人造皮肤. ( 3 ) 移动机构 机器人踢球是通过移动机构实 现的. 它相当于人的腿与脚, 因此要求机器人必须跑 得快, 且动作要稳定、 不易翻倒. 为实现这个目的目 前大部分采用和汽车类似的带轮子的小车 由于这 . 种移动机构很难实现突然转身踢球等灵活运动, 因 此, 出现了全方位移动机器人. 但这些移动车, 由于 没腿, 很难做到象人那样既能跑, 又能踢球的功能, 因此为最终实现类人足球机器人的目的, 必须研究 二足移动机器人的复杂运动控制问题 . ( 4 ) 协调与合作技术 在人类足球比赛中, 各队 员之间能否进行有效的协调与合作是胜负的关键 . 与此相似, 在机器人足球比赛中, 只有各队员之间紧 密协调、 合作才能取胜. 为实现机器人球员之间的协 调、 合作, 不但要研究基于多智能体系统 (M u lt i2 2 A ) 的行动决策技术, 还要研究根据环境的 gen t Sy stem 动态变化如何实时实现进攻 防守队形的自动生成 算法问题. ( 5 ) 无线通讯技 在机器人足球比赛过程中, 要 使各队员之间协调与合作, 应当通过无线通讯系统 做好各队员之间的联络与沟通. 通讯系统发挥人类 嘴和耳朵的功能. 在比赛过程中, 由于机器人之间距 离很近, 会有无线电干扰, 同时队员之间通讯必须对 敌方保密, 因此要开发抗干扰、 高可靠、 高保密性的 无线电通讯网络系统. ( 6 ) 学习与进化技术 设计者事先全部设计出 足球机器人所有行动是比较困难的事情, 因此应当 和人类一样要通过学习使机器人具有自主行动的能 力 目前让足球机器人进行复杂任务的学习比较困 . 难, 因此, 要求通过示教与简单任务的学习使机器人 具有自主控制能力. 为了实现类人足球机器人的目 的, 需要通过遗传进化等算法, 使球队进一步优化, 产生更好的协调与决策算法. ( 7 ) 策略与仿真技术 人类的足球比赛是在教 练的指导下进行的, 教练的水平直接关系到比赛的 成败. 在机器人足球比赛中, 要将人类教练的专家知 识移植到比赛策略仿真平台上, 并通过多次仿真试 验, 提炼出更好的比赛策略. 这就要求不但要开发逼 真的仿真平台, 而且还要研究策略的开发方法与评 价方法.

( 8 ) 人机接口技术 在人类足球比赛中, 教练通

过声音或手势进行现场指挥. 为实现类人机器人足 球比赛, 就要研究基于自然语言的声控人机接口技 术与基于手势的人机接口技术. 为便于机器人足球 比赛深入到中、 小学生当中, 还应当开发适合于人体 工程学的操作方便的遥控操作器.

4  机器人足球比赛的主要应用 (Appl ica t ion of robot soccer gam e )
为实现足球机器人打败人类足球冠军队的梦 想, 不但要研究和机器人足球有关的人工智能和机 器人学的基础技术, 还要在这些领域中指定新的标 准问题, 同时, 以机器人足球为核心设立几个典型的 应用领域, 在到达目标过程中利用已开发的成熟技 术直接为社会发展做出贡献. 机器人足球项目要开 展的应用领域如图 1 所示.

图 1 机器人足球项目应用领域
F ig 11 T he app lica tion of robo t soccer

  典型的应用领域简要说明如下:

工业应用 将机器人足球包含的基础技术, 以 单个或集成技术形式改造传统企业技术或开发新型 产品. 军事应用 将机器人足球所包含的方法与基础 技术, 应用机器人部队的协同作战或救护机器人部 队 ( 火灾、 地震) 的协同救护系统上. 体育应用 将机器人足球中用仿真技术开发的 比赛策略技术应用到人类足球、 蓝球等体育竞技比 赛的策略开发系统上. 教育应用 用机器人足球培养人才是一个新尝 试 为实现机器人足球最终目标, 必须要培养能制造 . 机器人的人才, 而这种人才, 首先要通过设计、 制作、 比赛等环节培养科学精神 . 其它活动 开展世界杯机器人足球赛、 奥林匹

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     机 器 人

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克机器人足球比赛、 全国机器人足球大赛, 青少年普 及型机器人足球赛及学术大会等活动 .

5  机器人足球比赛的发展方向 ( Future of robot soccer gam e )
目前机器人足球比赛主要包括以下几类: 小型

半自主机器人足球比赛 ( 3 对 3 和 5 对 5) 、 仿真比赛 ( 5 对 5 和 11 对 11 ) 和全自主机器人足球比赛 ( 1 对 1 ). 另外还包括有腿机器人和专家机器人表演 为了 . 实现机器人足球比赛的最终目标, 考虑到困难性, 应 当采取渐进的方式来开展工作, 因此, 今后应当开展 以下几类机器人足球比赛, 如表 2 所示.

表 2 今后开展的机器人足球比赛种类
Table 2 The ca tegory of robot soccer gam e in future
性能 种类 仿真比赛 无 有 无
5 11 ~

半自主型机器人
7. 5×7. 5×7. 5cm 3

全自主型机器人 直径 50cm 有 无
3 5 ~

多足机器人 不限 有 无
1 11 ~

2 足机器人

普及型机器人 直径 12cm 以内 有 无
1 5 ~

尺寸 搭载传感器 外设传感器 台数 移动机构

不限 有 有 无
1 11 ~

有 有 ( 天花板 CCD )
3 5 ~

轮子

轮子

轮子





轮子

   ( 1) 仿真足球比赛 由于人力、 财力、 时间等因 素, 用实际机器人进行的足球比赛, 只能在有条件的 研究单位才能进行. 但仿真比赛, 可以避免这些因素 的限制, 对更多的研究者打开方便之门. 仿真比赛首 先在计算机上建立虚拟的足球比赛场地, 将这个虚 拟比赛场地与球队的控制程序通过网络与客户服务 器联接, 然后用参加者开发的程序控制球队的运动. 这种比赛主要研究在实际机器人足球比赛中比较难 开展的协同行为, 实时推理及机器学习等课题. ( 2) 半自主型机器人足球比赛 在半个乒乓球 台大小 ( 130cm ×150cm ) 的比赛场地上, 用不超过 7.
5 cm ×7. 5 cm ×7. 5cm 尺寸的小型机器人以 3 对 3

赛是进入类人二足机器人阶段之前用腿行走的 ( 四 足 或 六 足 ) 移 动 机 器 人 进 行 的 比 赛 1999 年 日 本 .
RoboCup 委员会组织的大会上用索尼的 A I BO 四足

机器人作为共用平台进行了比赛, 引起了科技界的 注意. 这应当是今后一段时间内研究和开发的重点. ( 5 ) 类人机器人足球比赛 用两足智能机器人 进行比赛, 场地可采用全自主型比赛场地, 以 1 对 1, 或 3 对 3, 或 5 对 5, 甚至 11 对 11 机器人进行足球比 赛 由于这种机器人行走机构还不太完善, 因此开始 . 时允许采用远距离控制, 这要求研究各种人—机接 口技术. 这应当是机器人足球比赛发展的高级阶段, 也是实现机器人足球比赛最终目标的必经阶段. ( 6) 面向青少年的机器人足球比赛: 足球对青少 年来说具有很大的魅力和兴趣, 因此用机器人足球 作普及教育很有前途. 另外为达到机器人足球的最 终目标, 培养下一代科技工作者是非常重要的事情, 为此在机器人足球比赛领域拟定专门设备面向青少 年的机器人足球项目. 考虑趣味性、 观赏性和直接参 与性, 因此应主要采用遥控型机器人足球比赛. 参加小型半自主机器人足球比赛、 仿真比赛和 全自主机器人足球比赛的系统称为机器人不免有些 牵强, 因为它们的移动机构不是腿, 而是车轮, 这是 因为轮式结构简单易行、 平稳可靠、 驱动功率小且易 于控制, 所以在机器人足球的初级阶段被普遍采用. 轮式结构还为其它智能环节的研究和开发创造了经 济可靠的环境, 因此, 具有重要的使用价值. 可以预 见, 在今后的一段时间里轮式足球机器人仍然是参

或 5 对 5 机器人进行比赛. 由于机器人尺寸比较小, 将传感器、 视觉处理器、 CPU 等全部系统装载在机 器人上比较困难, 因此利用天花板上安装的摄像机 对比赛场地中的机器人和球进行识别和集中控制. 这种比赛主要研究多机器人的协调与合作技术. ( 3) 全自主型机器人足球比赛 这是用完全自 主的智能机器人进行的足球比赛. 机器人的各种功 能全部装载在移动机器人上. 在规定大小的运动场 上, 以 1 对 1, 或 3 对 3, 或 5 对 5, 甚至 11 对 11 机器 人进行足球比赛, 当然, 足球机器人队员越多, 比赛 场地应当越大. 在这种比赛主要研究立体视觉、 实时 图像处理、 分布式协调控制等课题. 这种机器人足球 比赛为未来的类人机器人提供智能导航与分布式人 工智能技术. ( 4) 多足机器人足球比赛 这种机器人足球比

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赛的主力军. 目前, 两足机器人已经分别在 RoboCup 98 和 避障 F IRA 2002 上亮相, 但它们只能进行诸如行走、 等表演, 还不能进行足球比赛. 图 2 为两足机器人在 F IRA 2002 上进行避障表演, 两足机器人研究的最 大难题在于如何保持躯体平衡以及如何将行走机构 做得小巧、 灵活、 协调、 . 由于腿是由许多关节构 易控 成的, 这无疑对机构学、 运动学、 动力学以及多变量 非线性控制带来极大的困难. 显然, 这是今后机器人 足球比赛的重点发展方向, 也是当前机器人学科的 前沿课题.

智能和机器人学发展的综合的研究项目. 笔者相信, 如果机器人能够向人类一样踢足球, 那么机器人就 可以在危险、 恶劣甚至人类无法到达的场合代替人 类工作, 这无疑将对人类社会产生巨大而深远的影 响 因此, 机器人足球比赛应该受到足够的重视 . . 参考文献  ( References)
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图 2 两足机器人避障表演
F ig 12 Exh ib ition of tw o 2leg robo t avo id ing ob stacles
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作者简介:

6 结论 (Conclus ion )

机器人足球比赛提出了具有吸引力但很难实现 的挑战, 给机器人学和人工智能研究提供了机遇. 它 还给出了一些挑战性的项目, 来评价特殊的技术问 题 随着技术的不断进步, 这些挑战项目将会被新的 . 挑战所代替. 机器人足球比赛提供了一个促进人工
( 上接第 372 页)

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 宗光华 ( 19432) , 男, 博士生导师, 主要研究领域为机构学、

 洪炳熔 ( 19372) , 男, 教授, 博士生导师, 研究领域为空间 机器人、 虚拟现实、 机器人足球. 能控制、 机器人足球. 统建模.
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