机器人足球竞赛技术的研究与实践

第２８卷第１期　２０１１年１月　机　电　工　程　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．１　Ｊａｎ．２０１１　

一种开放式机器人足球比赛仿真系统的研究　

符德晓，李晓明　

（浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江杭州３１００１８）　

摘要：机器人足球是学术研究的良好平台，尤其是在人工智能和多智能体系统领域。仿真技术是机器人足球研究中广泛采用的一　种手段，可以在很大程度上降低研究的成本，提高科研效率。针对“仿真技术在足球机器人中的应用还不够充分”的问题，提出了一　种基于平台／插件结构的机器人足球仿真系统，并采用了Ｃ／Ｓ的系统模型，将仿真系统的核心平台与显示模块分离，大大提高了仿　真系统运行的速度和三维场景的显示效果。通过对仿真模型和ＯＤＥ参数的优化，进一步提高了仿真系统的性能。研究与实际应　用结果表明，通过平台／插件的这种体系结构，以及基于Ｃ／Ｓ的三维显示模型，系统性能得到大幅改进，并为球队策略系统的仿真提　供了极大的灵活性和可扩展性。　关键词：机器人足球；开放式仿真比赛系统；平台＋插件；Ｃ／Ｓ　中图分类号：ＴＰ３９１．９　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—４５５１（２０１１）０１—００５５—０５　

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｏｐｅｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｒｏｂｏｔ　ｓｏｃｃｅｒ　

ＦＵ　Ｄｅ—ｘｉａｏ，ＬＩ　Ｘｉａｏ—ｍｉｎｇ　

（Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｓｃｉ—Ｔｅｃｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３　１　００　１　８，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｏｂｏｔ　ｓｏｃｃｅｒ　ｉｓ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ａｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ａｎｄ　ｔｅｓｔ　ｆｉｅｌｄ　ｆｏｒ　ａｃａｄｅｍｉｃ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｆｏｒ　ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｍｕｈｉ—　ａｇｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗａｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｌｏｗｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｓｔ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ａｉ—　ｒｕｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｆｉｃｉｅｎｔ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｏｂｏｔ　ｓｏｃｃｅｒ，ａｎ　ｏｐｅｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ／ｐｌｕｇ—ｉｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ　Ｃ／Ｓ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｓｅｐａｒａｔｅ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　３Ｄ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｍｏｄｕｌｅ，ＳＯ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆ　ｓｉｍｕ—　ｌａｔｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｃｅｎｅ　ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ｂｏｔｈ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｇｒｅａｔｌｙ．Ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ａｌｓｏ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ＯＤＥ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｇｒｅａｔ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｅｘｐａｎｄａｂｉｌｉｔｙ　ｗｅｒｅ　ｂｒｏｕｇｈｔ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ／　ｐｌｕｇ—ｉｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　Ｃ／Ｓ　ｂａｓｅｄ　３　Ｄ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｍｏｄｅ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｏｂｏｔ　ｓｏｃｃｅｒ；ｏｐｅｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ；ｐｌａｔｆｏｒｍ／ｐｌｕｇ—ｉｎ；Ｃ／Ｓ　

文章编号󰁽󰁴󰁳󰁳󰁵2󰁳󰁷󰁷󰁹󰁫󰁵󰁳󰁳󰁳󰁬󰁳󰁸2󰁳󰁷󰁵󰁳2󰁳󰁺

国际机器人足球比赛及其相关技术Ξ

李 实 徐旭明 叶 榛 孙增圻

󰁫清华大学计算机系国家智能技术与系统重点实验室 北京 󰁴󰁳󰁳󰁳󰁻󰁷󰁬

摘 要󰁽本文在简要介绍两个相关的国际组织󰂕󰂲󰂥󰂲≤∏󰂳联合会和ƒ󰂌󰂕󰂄的基础上󰁯重点论述了󰂕󰂲󰂥󰂲≤∏󰂳的比赛环境󰁾同时详细阐述了目前各国参加󰂕󰂲󰂥󰂲≤∏󰂳比赛球队的系统结构及其相关技术󰁱对

提高我国相关领域的研究水平󰁯迅速组织我们自己的机器人足球队参加国际比赛并取得好名次具有指导意义󰁱关键词󰁽󰂕󰂲󰂥󰂲≤∏󰂳󰁾ƒ󰂌󰂕󰂄󰁾机器学习󰁾决策󰁾󰂐∏󰂯󰂷󰂬2󰂤󰂪󰂨󰂱󰂷系统󰁾分布式人工智能中图分类号󰁽 ×°󰁵󰁷 文献标识码󰁽 󰂄

1 引言

训练和制造机器人进行足球赛󰁯是当前人工智能和机器人领域的研究热点之一󰁱机器人足

球比赛的设想首先是由加拿大不列颠哥伦比亚大学的教授󰂄󰂯󰂤󰂱󰂐󰂤󰂦󰂮󰂺󰂲󰂵󰂷󰂫在󰁴󰁼󰁼󰁵年的论文

5󰂒󰂱≥󰂨󰂨󰂬󰂱󰂪󰂕󰂲󰂥󰂲󰂷󰂶6中提出的󰁱举办机器人世界杯足球赛的目的是为了促进分布式人工智能研

究与教育的发展󰁱通过提供一个标准任务󰁯使得研究人员利用各种技术󰁯获得更好的解决方案󰁯从而有效促进各领域的发展󰁱涉及的研究领域包括󰁽智能机器人系统!多智能体系统!实时模式

识别与行为系统!智能体结构设计!实时规划和推理!基于网络的三维图形交互!传感器技术

等󰁱研究目标是计划经过五十年左右的研究󰁯使机器人足球队能战胜人类足球冠军队󰁱目前󰁯有

关机器人足球比赛的国际组织有两个󰁽󰂕󰂲󰂥󰂲≤∏󰂳联合会和ƒ󰂌󰂕󰂄组织󰁱󰂕󰂲󰂥󰂲≤∏󰂳󰁫󰂕󰂲󰂥󰂲󰂷•󰂲󰂵󰂯󰂧≤∏󰂳󰁬󰁯即机器人世界杯足球锦标赛󰁱󰁴󰁼󰁼󰁵年󰁴󰁳月󰁯在日本东京举

j，l■人比赛Competition栏目主持：李良琦陈天华郭培源北京工商大学信息工程学院【■一】机器人足球赛是智能机器人应用与研究的热点和重点之一，本文介绍了机器人足球赛的发展及我国机器人足球开展的历史与现状，阐述了机器人足球赛的比赛意义和发展目标，分析了足球机器人的关键技术以及对产业和研究工作的作用。【关■■】模式识别，足球机器人，智能控制，数字图像处理足球机器人(又称智能足球机器人)是近几年国际上迅速开展起来的一项高技术对抗活动，它涉及人工智能、机器人学、自动化、计算机、信号处理、数字通讯、传感、精密机械等领域的前沿学科研究…_2J。机器人足球赛最大特点是采用事先设计的机器人合作与协调策略程序，由两支机器人球队进行比赛，比赛是在没有人的介入与控制的情况下，由机器人球队独立完成的，具有很强的观赏性、趣味性、技术性和科学性。随着这项技术的不断发展，足球机器人被称为人工智能技术新的里程碑[3]，甚至有专家预言，足球机器人将拉开人类社会普及应用机器人的序幕。1．机器人足球发展史和人类的足球比赛一样，机器人足球比赛也分为上下半场，每半场各5分钟，中间休息10分钟，期间可给机器人进行充电或更换电池，也可以在比赛间隙制定新的比赛策略，比赛中也设有点球、任意球、球门球，打成平局时有3分钟延时，同样也有点球大战和金球规则。目前，国际上最流行的足球机器人主要包括半自主型机器人足球、全自主型机器人足球及仿真型机器人足球。足球机器人赛和人类足球赛的不同之处是比赛由机器人参加，赛场无需人的参与，足球机器人的技术含量非常高。然而其开展的历史并不长，1996年11月在韩国大田举办了首届世界杯机器人足球赛，世界杯机器人足球赛也由此开展起来，在1997年6月举办第二届世界杯机器人足球大赛时，经14个国家代表的共同协商成立了国际机器人足球联盟(FIR~)，决定由FIRA每年举办一次世界杯大赛。自1996年开办以来，巴黎、悉尼等地连续举办了十多次世界杯大赛。我国于2001年在北京首次举办了世界杯足球赛，并于1998年成立国际机器人足球联盟中国分会。在中国人工智能学会和FIRA的大力支持下，经过10年时间，中国机器人足球队已经由最初的6支，发展到了80多所大学，200多支球队的规模，已经遍布全国七个地区，并拥有全国性的比赛。2000年9月，第五届世界杯赛我国获一项冠军和一项季军，实现了中国机器人足球队冲出亚洲、进入机器人足球世界杯的愿望。2001年8月，在第六届世界杯机器人足球赛上，我国代表队在9项比赛中夺得8项冠军。仅仅加入了4年多的时间，中国机器人足球队不仅在赛场上占有了一席之地，而且打败了世界强队，充分证明了中国的科技发展水平。近几年，我国机器人足球每年都能获得了几项足球世界杯冠军。机器人足球已经成为了全国科学技术交流的盛会，不仅每年举办一次各高校性的锦标赛，并且每年参~IFIRA世界杯大赛，成为我国培养青年大学生创新思想的一个理想平台。足球机器人踢球采用人工智能学原理，完全模仿人[作者简介]陈天华，男，湖南长沙人，硕士，南京航空航天大学(本科及研究生)毕业，副教授。主要从事智能信息处理及计算机测控等方面的研究，承担了多项国家及省部级课题，近年来先后在国内外重要刊物及EI核心源刊上发表论文40多篇。鹕《机器人技术与应用》双月刊第5期机囊人比赛Competition踢球。首先用机器视觉识别和确定球的位置，然后用计算机来判断环境的动态变化，采取进攻或防守策略，选择射门或传球等动作。和人类踢足球一样，机器人球队的胜负不但取决于机器人本身的性能，而且还取决于球员和球队的比赛策略，必需将良好的硬件与高度智能化的比赛策略完美结合才可能取得胜利。2．机器人足球比赛意义比赛是评价实际水平和技能的最客观、最合理、最公正的方法。奥林匹克之所以百年不衰、兴旺发达的根本原因就在于它具有高度的竞争性和严格的比赛规则。机器人足球的最大魅力可以通过比赛激发青少年科学研究的热情，并通过比赛来改进和创造新技术，这个特点对青少年的科学精神和创新精神的培养具有重要意义。机器人足球包含了21世纪重点要攻克的许多重要技术，如机器人比赛的识别和足球的定位需要应用机器视觉技术和传感技术，球队内机器人之间互相联系与沟通需要采用无线通信技术，队员之间通信内容需要采用信息加密和防窃听技术。此外，机器人足球赛还涉及决策与智能控制技术、计算机及人机接口等许多重要技术H]。开展机器人足球赛能够将人工智能技术的最新研究成果与实践结合起来，借助机器人足球赛，对人工智能技术的前沿研究成果进行检验，促进人工智能技术的发展，加速人工智能技术的商品化、产业化进程，推动科技水平进入一个新的高度。足球机器人系统在众多领域有着广泛的应用前景，通过机器人足球赛可以反映出一个国家信息和自动化技术的综合实力【5】。为推动对足球机器人项目的研究，2002年1月，我国863机器人主题专家组正式将足球机器人系统的研究开发列为863申请项目，中国自动化学会机器人竞赛工作委员会开始统一组织包括RoboCup和FIRA两个项目的机器人足球比赛。这些工作进一步推动了国内足球机器人的研究工作，有效促进了机器人相关科学技术的快速发展。20世纪人类发明了机器人，初步实现了对机器人的利用，2l世纪人类将与机器人共存，机器人足球是研究未来社会的理想模式。在信息科学与技术领域，计算机国际象棋证明了用计算机实现的专家系统完全可以战胜一个世界级天才棋手，从而在信息技术领域开辟了一个专家决策知识处理系统，大踏步地推动了信息化理论的研究。但与机器人FIil_f：持：乍良墒足球相比，计算机象棋属于单智能体之间的竞争，是一种静态环境条件下的非实时智能处理系统，而与现实世界中人的社会合作性具有明显的差异。因此，象棋问题不能用于处理现实世界的团体协作问题，而机器人足球的全面解决比计算机象棋更复杂和深入。以百米比赛为例，人们完全可以根据参赛对象的近期实力、身体伤病等因素大致预测谁将赢得比赛，但是足球比赛属于团队项目，即使是非常了解足球的球王贝利，也很难根据球队中各队员的实力预测球队之间的胜负，因为球队胜负不是个体实力的简单线性加法。因此，机器人足球要解决的问题更具现实性和挑战性，它将直接面向现实世界关于智能与协作的两大难题，其成功将可以解决多智能体在复杂动态环境条件下的实时智能处理问题，并将破解多个单智能体在不可预测的动态环境中如何协同工作的技术难题和社会学问题H]。因此，机器人足球的突破性贡献是解决面向实际世界的一个典型问题，它将使人工智能从封闭的、孤立的、非现实世界问题进入到开放和直接面向现实世界的客观领域，是人工智能学发展的新里程碑。3．机器人足球涉及的关键技术1997年，当一台名为“深蓝”的计算机战胜了国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫时，全世界为此而惊呼：机器战胜了人类!深蓝的成功的确标志着人工智能研究的巨大进步。但这也仅仅体现在静态条件下的强大运算能力上。机器人足球是在动态不确定环境下对人工智能的应用H]，集科学研究、教育和娱乐于一体，必将吸引世界各国科技工作者和广大青少年的积极参与。

中国科技论文统计源期刊　（中国科技核心期刊）　实验技术与管理　ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＡＮＤ　ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ　Ｖｏ１．２３　Ｎｏ．３　ＭＡＲ．２０ｏ６　

足球机器人综合实验课简介　

慕强，赵雁南　（清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室，北京１０００８４）　摘要：足球机器人研究作为智能机器人领域最具有挑战性的问题之一，在最近几年内发展迅速，得到大　家的广泛的关注。此文较详细地介绍了类中型机器人平台的系统结构组成及以它为教学试验平台综合实验　课的特点与效果。　关键词：足球机器人；专业实习；类中型机器人　中图分类号：ＴＰ２４２．６　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００２　４９５６（２００６）０３—００７１－０２　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ａｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｐｒａｃｔｉｓｉｎｇ　Ｃｏｕｒｓｅ　ａｂｏｕｔ　Ｓｏｃｃｅｒ　Ｒｏｂｏｔｓ　ＭＵ　Ｑｉａｎｇ，ＺＨＡＯ　Ｙａｎ—ｎａｎ　（Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｄｅｐｔ．ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖ．，Ｂｅｉ－　Ｊｉｎｇ　１０００８４。Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｏｃｃｅｒ　ｒｏｂｏｔｓ　ｒｅｓｅａｃｈ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｍｏｓｔ　ｃｈａｌｌｅｎｇｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｒｏｂｏｔ　ａｒｅａ，ａｎｄ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｄｅｖｅｌ—　ｏｐｅｄ　ｑｕｉｃｋｌｙ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｇｉｖｅｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆ　ｓｉｍ—ｍｉｄｄｌｅ　ｓｏｃｃｅｒ　ｒｏｂｏｔ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｓｙｓ—　ｔｅｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｉｔ’Ｓ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ａｓ　ａ　ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ　ｐｒａｃｔｉｃｉｎｇ　ｃｏｕｒｓｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｏｃｃｅｒ　ｒｏｂｏｔ；ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ　ｐｒａｃｔｉｃｅ；ｓｉｍ－ｍｉｄｄｌｅ　ｒｏｂｏｔ　１　背景　目前在国内大学生的培养中，动手能力的培养　一直是我们各级教育部门特别重视的环节，同时也　是目前教育系统中最为薄弱的环节。如何改变毕业　生无法较快适应工作岗位，所学知识与实际工作需　要脱节的问题，是目前备受关注的社会问题，也是　一段时间内很难解决的问题。针对这种情况，我们　开发了类中型机器人平台（图１）。在专业实习　——“足球机器人与机器人足球赛”实验课程中，　用类中型机器人构建一个通用、开放的教学和实验　平台，除了那些涉及微计算机技术、机器人控制模　式识别等基础知识的控制模块、通信模块、视觉模　块以外，还涉及多智能体系统，分布式人工智能等　研究的前沿课题，使学生可以在这个平台上实现和　检验所学习的理论，探索和研究新的方法，培养促　进学生的资料阅读及综合能力、总体设计及实验能　力。课程内容便于因材施教，给学生很大的深入钻　研以及发挥创造性的空间。　收稿日期：２００５－０５—０２修改日期：２００５一ｏ９—０９　作者简介：慕强（１９５８），男，山东蓬莱人，工程师。研究方　向：计算机应用．　要实现实验课程教学从知识性到研究性的转　变，就要实现课程从以教师为主体到以学生为主体　的转变。专业实习——“足球机器人与机器人足　球赛”就是以学生为主体，让学生自主地学习，　根据如何设计优秀的足球机器人“前锋”和“后　卫”、如何安排战略战术，进行机器人足球赛。由　学生自己提出问题、制定解决问题的方案，再去解　决问题。教师对学生的研究进行启发式的指导。　“足球机器人与机器人足球赛”专题课程是计　算机系大学三年级本科生的工程实践课程，自　２００４年开始，每年接纳学生３７名。