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机器人足球比赛硬件与软件的选择李小坚北方工业大学自动化所，北京1 0 0 0 4 1x j l i(商,v i p s i n a c o m摘要由于有R O B O C U P 与F 1 R A 两个组织，参加机器人足球活动，首先面临参加哪种系列比赛的选择，又因为机器人足球比赛有硬件比赛和仿真软件比赛，需要根据情况选择相应的硬件与软件作为参与的起点。在此基础上，又如何开展机器人足球比赛和足球机嚣人系统的研究工作。本文是我们所面临的选择的一点体会。关键词机器人足敬足球机器人R O B O C U P 与F J R 冬硬件与软馈比赛与研字0T h eS e l e c t i o no fH a r d w a r ea n f f S o f t w a r ef o rR o f i b tS o c c e rL iX i a o j i a nI n s t i t u t eo f A u t o m a t i o n，N o r t hC h i n aU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y，B e i j i n g1 0 0 0 4 1x j l i v i ps i o ac o mA b s t r a c tT h i sp a p e rw i l t sp r e s e n t e dt od i s c u s st h ec h o i c e so fr o b o ts o c c e ri no u ru n i v e r s i t yT h ef i r s tp r o b l e mi st h ec h o i c eo f R O B O C U Po r F I R A；t h es e c o n d i s t h ec h o i c eo f h a r d w a r eo r i e n t e do rs o f t w a r eo r i e n t e dr o b o ts o c c e r：t h et h i r di st h ec h o i c eo f c o m p e t i t i o no rt h er e s e a r c ho f i n t e l l i g e n tr o b o tK e y w o r d sR O B O C U P，F I R A，h a r d w a r eo rs o f t w a r e，c o m p e t i t i o n，r e s e a r c h e s1 机器人足球的选择机器人足球已经是风靡全球的机器人竞赛活动。与世界足球运动一样，具有明确比赛目标和比赛规则。它集科学研究、教育和娱乐于一体，它是体育与高科技结合的产物，也是高技术平台的公平竞争。既是展示高科技水平的生动窗口，又极具观赏性。因而，它吸引了许多大学的青少年的积极参与，也引起社会各界的日益关注。事实上，机器人足球的研究融入了机器人学、机电一体化技术、通讯与计算机技术、视觉与传感器技术、智能控制与决策等多学科的研究成果。目前，国际上重要的机器人足球比赛分为两大系列R o B O c u P 和F I R A。R O B O C U P 系列比赛是国际人工智能学会组织的国际机器人足球比赛。该组织成立于1 9 9 6 年自1 9 9 7 年起每年举办一次机器人足球世界杯赛(T h e R o b o t W o r l d C u p)。R O B O C U P至今已组织了7 届世界杯赛。在1 9 9 9 年的世界杯赛上，S O N Y 公司推出了四条腿的机器狗足球赛：2 0 0 2 年推出的人型机器人表现出日本在这一领域居于领先地位。2 0 0 3 年的比赛刚刚落下帷幕。R O B O C U P 系列比赛项目主要包括：S i m u l a t i o nL e a g u e(电脑仿真比赛)S m a l l S i z eL e a g u e(F 1 8 0)(小型足球机器人赛)M i d d l e S i z eL e a g u e(F 2 0 0 0)(中型自主足球机器人赛)S O N YL e g g e dR o b o tL e a g u e(S O N Y 有腿机器人足球赛)人型机器人足球赛。在第五届(R o B o c u P 2 0 0 1)、第六届(R O B O C U P 2 0 0 2)机器人足球世界杯上，清华大学队荣获仿真冠军，第七届(R O B O C U P 2 0 0 3)中国有清华大学、中国科学技术大学、北京理 一大学、浙江大学、上海交通大学等学校派队参加，并取得了好的成绩。F I R A 系列比赛是由国际机器人足球联合会发起的。1 9 9 6 年起，F I R A 每年举办一次机器人足球世界杯赛(F 1 R A R o b o t s o c c e r W o r l d C u p)，简称F I R A R W C。F I R A R W C 的比赛项1 8 7目包括：N A R O S O T超微型机器人足球赛M I R O S O T微型机器人足球赛R O B O S O T小型机器人足球赛K h e p e r a S o t自主式机器人足球赛B e n c h m a r k机器人标准动作测试还有机器人舞蹈与人型机器人足球(H ur o S o t)表演赛等。我国参与F I R A 系列比赛比较早，哈尔滨工业大学、东北大学也都取得了不错的成绩。R O B O C U P 与F I R A 两系列机器人足球组织都怀者同样的理想：期望在2 0 5 0 年，建立一支全自主的类人型机器人足球队，战胜当时的人类的足球世界杯冠军队!也正如F I R A 在其官方网页上描述的那样，F I R A 的目标是将科学与技术的精神引领到年轻一代的面前；推动具有欣赏价值的特殊技术领域的进步作出贡献；同时将具有不同学生背景的研究人员带入到智能自主足球机器人这一全新的交叉学科中来。R O B O C U P 与F I R A 两系列比赛内容相似，但也有相当的差异。两个系列的比赛互相并不兼容。但两个系列的比赛相互借鉴、相互促进。因而，我们参与其中的比赛活动，将面临着选择：R O B O C U P，还是F I R A?2 机器人足球硬件与软件的选择从原始阶段起步，先看F I R A 微型机器人足球比赛的要求：赛场长1 5 米，宽1-3 米，比乒乓球台略小，场地画有中线、中圈和门区。双方均由集中控制的机器人小车(机器人)组成，每个遥控小车的妖、宽、高不超过7 5 厘米。足球机器人系统在硬设备方面包括机器人小车、摄像装置、计算机主机和无线发射装置。对应有机器人小车子系统、视觉子系统、决策子系统和无线通讯子系统。机器人小车由车架、车轮、电机、减速机、测速码盘、驱动电源、单片机控制电路与无线接收模块等构成。它可以按着主机发出的命令调整左、右轮转速，以保证按预定的轨迹运动。视觉子系统是机器人的眼睛。它由悬挂在球场中圈上空2 米的摄像头摄取图像，由装在主机内的抓图卡将图像数字化，送入主机内存，再由专用软件对图像进行理解。由于般方各有不同颜色的队标，而机器人也有不同的队员色标。这样计算机就可以通过颜色分割辨识出全部机器人与球的坐标位置与方向。装在主机中的决策子系统根据视觉系统给出的信息，应用智能决策系统技术，判断场上攻守态势，分配本方机器人攻守任务，决定各机器人的运动轨线，然后形成给各小车左右轮轮速的命令值。无线通讯子系统通过主机串行口拿到命令值，再由独立的发射装置与装在小车上的接收模块建立无线通讯联系，遥控场上各机器人的运动。在机器人足球比赛过程中上述4 个子系统以每秒二、三十次，甚至更高的速率连续运行，人不得干预。整个系统的控制主要依赖硬件的先进性、可靠性所决定的。当然，其中所需要的软件也非常重要。这完全是一场软硬件的较量，是一种高技术的对抗。但是，还是应该说这是一硬件型的比赛。参加这样的比赛，必须配置相应的硬件系统，如M I R O S O T3：3，M I R O S O T5：5。M I R O S O T 现在还没有1 1：1 l 的比赛，因为双方1 1 个机器人小车在场上1 8 8的运动已经相当复杂，由于硬件的限制，机器人难以相互识别和协调控制。F I R A 系列的S i m u r o s o t 比赛项目的设立是用软件仿真M I R O S O T 的比赛。这种比赛仍然属丁-集中式控制整个队伍的决策系统接受全局信息，根据完整的比赛场地信息作出判断，然后在将命令发送给不同的队员。完全按小车的物理运动规律仿真机器人小车，特别是5：5 与l1：11 的S i m u r o s o t 比赛，简化了比赛硬件条件的要求，使得更多的球队能参加到F I R A机器人足球比赛中来，对于F I R A 比赛的推广起到了促进的作用。F I R A 的比赛仿真组平台提供了公共平台和接口函数，参加比赛只需要将策略进行编写就可以在平台上实现对M i r o s o t 比赛的仿真。而策略的编写需要对决策的充分研究和对c H语言的熟练运用。所以，参加S i m u r o s o t 仿真组比赛的仿真比赛的重点是决策系统研究。由丁F I R A 的目的是促进人工智能和机器人学的研究，通过足球这个具有普遍意义的平台来评价各种理论算法、智能体结构。与之相类似地，R O B O C U PF 1 8 0，也是这样的集中控制型的机器人足球比赛。而R O B O C U P 仿真比赛采用的是分布式控制方式，即每个队员都有一个智能体，每个队员都根据自身所接受的局部信息，独立作出判断，独立进行命令决策。其队员模型是运动员的模拟，有体力，速度等人的属性。形象说，R O B O C U P 的仿真比赛每个机器人是一个单独的个体，具有各自的大脑和体能。而F I R A 的仿真比赛整个队伍只有一个大脑，每个机器人只是执行机构。仿真组的比赛是R O B O C U P 中开展范围最广，参赛人数最多的比赛项目，中国的儿支球队都有拥有不俗的实力，清华大学在前两届的比赛中均获得了该项目的冠军。据悉，今年的仿真组比赛水平较往年有较大提高前六名的球队实力均明显比上一届有进步，包括浙江大学在内的中等强队的实力也有很大进步，已经初步具备了向一流强队挑战的能力。机器人足球仿真比赛是属于软件导向的比赛，对硬件要求不多，起步成本不大，但要求有更聪明的脑袋。由丁东北大学自主开发了F I R A 微型足球机器人系统哈尔滨工业大学引进韩国的足球机器人系统，国内选择F I R A 微型足球机器人系统作为起点的大学相对多一些。而软件机器人足球更多的选择R O B O C U P 仿真组的比赛。我校选择了F I R A 微型足球机器人硬件作为起点，参加了两届国内和国际比赛。在F I R A w R C2 0 0 1 的M i r o s o t3：3 进入前8 名，F I R A W R C2 0 0 2 的M i r o s o t3：3 进入区域半决赛，国内也取得过第三名。3 机器人足球比赛和研究R O B O C U P：D F I R A 每年都举行一届国际比赛，同时也都召开一届国际学术会议。R O B O C U P 举办机器人世界杯足球赛的目的是为了促进国际人工智能、智能机器人与智能控制技术的研究和发展。通过提供一个标准任务，促使研究人员充分利用各种先进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和传感器技术等。由此可见，R O B O C U P 的比赛水平直接反映了机器人与智能控制技术的研究水平；同时，其国际影响义大大促进了机器人与智能控制技术的研究与发展。国内也是按这样的方式运作，比赛加学术交流同时进行。比赛与学术交流并举，比赛和学术交流，重在参与。这样，必然会很好地促进机器人领域的研究与发展。1 8 9为了进一步提升比赛级别和促进机器人领域的科研工作，我校又与中国科学院自动化研究所合作开展中型组自主足球机器人的研究。中型组的机器入在硬件结构上一般由以下的系统组成：l，视觉系统视觉系统是由一个C C D 摄像头，视频采集设备，视频处理模块组成。视觉系统主要是要获取球的状态信息，获取一些场地信息，对方机器人和本方机器人的一些相关信息。视觉系统进行识别，然后将这些信息送到决策系统。2，传感器融合(如红外、超声、激光、碰撞、等传感器)这些传感器主要是要检测障碍信息，配合视觉系统完成自身的定位与行动的决策。3，移动系统(由电机，导向轮等组成)完成机器人的行动功能。4，通讯系统(于其他机器人之间进行通讯，采用w i r e l e s sL A N 实现)完成与其他机器人之间的通讯功能。由于机器人式分离的智能体，我们采取无线通讯的方式来交换机器人之间的信息。5，决策系统(机器人的核心，机器人主机)这是单个机器人的大脑，是机器人智能程度的集中体现，它控制机器人的一切行为。练台各个方面的信息，经过智能决策来控制机器人的动作，完成相应的任务。6，控球系统(对足球的操作，如传球，接球，射门，抢球，拦截球)这是足球机器人比赛的专用装置。中型组机器人的软件结构：对丁自主型足球机器人软件开发包括视觉和环境识别、智能学习、智能决策等，分布式人_ 厂智能开始成为研究的重点分布式人工智能主要研究的是人工智能计算中的开放性和交且的半自治系统集合的构造、协调及相关技术，具有广泛的应用背景。机器人足球是适合于人工智能发展的最新技术。它融合了实时视觉技术、机器人控制、无线电通讯、多机器人控制等多个领域的技术，可以说机器人足球比赛是研究多a g e n t 系统的标准试验平台。有了中型组机器人硬件和软件，可以参加国内R o b c u p 中型组机器人比赛。同时，我校将利用中型组机器人平台开展机器人校吲巡视、安全监测等方面的应用研究。4 结语无论从科学研究还是科学普及的角度，机器人足球已受到多方面的重视。无论是R O B O C U P 还是F I R A 系列的机器人足球比赛都推动了中国机器人技术研究。无论中国自动化学会还是中国人工智能学会都在发展中国的机器人足球事业上起到了积极作用。希望两系列和两组织能更好地统一协调地发展。无论是机器人硬件和软件的研究与开发都能促使我国机器人足球的研究与比赛更上一个台阶。参考文献【I】徐心和，高大志，1 9 9 8 中国机器人足球研讨班论文集沈阳，1 9 9 82 2】东北大学机器人研究室，微型足球机器人的设计与开发讲座，机器人技术与应用，9 9 N o5 2 0 0 0 N o41 3 1 H i r o a k i K i t a n o，e ta tR O B O C U P A C h a l l e n g e P r o b L e m f o r A I，P r o c e e d i r I g so f R O B O C U P 9 7：R o b o tS o c c e rW o r l dC u pI，S p r i n g e r 1 9 9 7【4】2 0 0 3 中国机器人竞赛培训教材中国自动化学会机器人竞赛工作委员会、清华大学智能技术与系统国家重点实验室2 0 0 3 年3 月1 9 0机器人足球比赛硬件与软件的选择机器人足球比赛硬件与软件的选择作者：李小坚作者单位：北方工业大学自动化所(北京)本文链接：