林桂娟：江西理工大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室

    1  引言

    機(jī)器人足球比賽是一個(gè)有趣并且復(fù)雜的新興的人工智能研究領(lǐng)域，它融合了實(shí)時(shí)視覺(jué)系統(tǒng)、機(jī)器人控制、無(wú)線通訊、多機(jī)器人控制等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)。目前已經(jīng)成立了兩個(gè)足球機(jī)器人比賽組織，一個(gè)是1997年成立了國(guó)際機(jī)器人足球協(xié)會(huì)聯(lián)合會(huì)FIRA（Federation of International Robot-soccer Association），另一個(gè)是1996年成立的國(guó)際人工智能學(xué)會(huì)組織的國(guó)際機(jī)器人足球協(xié)會(huì)（ROBOCUP）。足球機(jī)器人系統(tǒng)可描述為：多個(gè)機(jī)器人活動(dòng)在一個(gè)實(shí)時(shí)、噪聲以及對(duì)抗性的復(fù)雜環(huán)境下，通過(guò)協(xié)作、配合朝向一個(gè)共同的目標(biāo)（或完成復(fù)雜任務(wù)），它由機(jī)器人小車、視覺(jué)子系統(tǒng)、無(wú)線通信子系統(tǒng)和決策子系統(tǒng)四部分組成。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，多機(jī)器人的應(yīng)用需求不斷增加，多主體動(dòng)態(tài)不可預(yù)測(cè)環(huán)境中的問(wèn)題求解已經(jīng)成為信息―自動(dòng)化領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的重大挑戰(zhàn)性課題，而機(jī)器人足球則為此提供了一個(gè)典型的應(yīng)用和測(cè)試平臺(tái)。

    2  機(jī)器人足球的發(fā)展?fàn)顩r

    從目前機(jī)器人足球的國(guó)際發(fā)展來(lái)看，主要有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

    (1)發(fā)展迅速，比賽規(guī)模逐年擴(kuò)大。經(jīng)過(guò)4年的發(fā)展，現(xiàn)有成員國(guó)近40個(gè)，參賽隊(duì)已經(jīng)從最初的37支代表隊(duì)發(fā)展到今天的154支球隊(duì)。FIRA已經(jīng)從最初的37支代表隊(duì)發(fā)展到30多個(gè)國(guó)家組織的上百支球隊(duì)。可見(jiàn)機(jī)器人足球發(fā)展之迅速。

    (2)競(jìng)爭(zhēng)激烈，比賽水平提高很快。由于參賽隊(duì)伍多，且除一些一流強(qiáng)隊(duì)外，大部分實(shí)力接近，競(jìng)爭(zhēng)趨于激烈。這表明機(jī)器人足球已受各國(guó)的高度重視。每屆杯賽各隊(duì)的戰(zhàn)術(shù)水平都有明顯的提高，都會(huì)出現(xiàn)新穎的軟、硬件設(shè)計(jì)和巧妙的戰(zhàn)術(shù)配合。

    (3)國(guó)際研討，著名期刊、會(huì)議倍加重視。一些有影響的國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議如WAC?8,AROBIII?8,AROB?9等安排了這方面的專題討論。一年一度的世界杯賽也同時(shí)召開(kāi)學(xué)術(shù)會(huì)議，推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的進(jìn)展。

    (4)歐美優(yōu)勢(shì)，韓國(guó)、日本的機(jī)器人足球水平仍處于領(lǐng)先地位。在ROBOCUP已經(jīng)舉辦的4屆比賽中，歐美的優(yōu)勢(shì)不斷擴(kuò)大，尤其是德國(guó)，參賽規(guī)模和競(jìng)賽成績(jī)都處于一流的水平，美國(guó)的競(jìng)賽成績(jī)?nèi)跃佑诟鲊?guó)之首，韓國(guó)FIRA系列在比賽內(nèi)擁有絕地優(yōu)勢(shì)。

    (5)改變我國(guó)足球機(jī)器人發(fā)展整體落后狀況。我國(guó)的機(jī)器人足球的整體水平不高。只有中國(guó)科技大學(xué)在2000年ROBOCUP杯賽中取得仿真組的第九名的成績(jī)。不過(guò)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)器人足球的研究有所重視，一些大學(xué)成立了自己的足球機(jī)器人研究隊(duì)，如中國(guó)科技大學(xué)、東北大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。

    (6)贊助支持，國(guó)際產(chǎn)業(yè)界對(duì)機(jī)器人足球的發(fā)展進(jìn)一步關(guān)注、參與。日本的SONY公司是ROBOCUP國(guó)際組織的全球贊助商。而FIRA組織的主要贊助商是韓國(guó)三星公司。

    (7)科普教育，面向中、小學(xué)生的機(jī)器人足球普及和科技活動(dòng)初具規(guī)模。ROBOCUP已經(jīng)開(kāi)展面向中、小學(xué)生的普及型比賽。把機(jī)器人寓教于樂(lè)，如上海廣茂達(dá)公司生產(chǎn)的“能力風(fēng)暴個(gè)人機(jī)器人”，能力風(fēng)暴個(gè)人機(jī)器人融合了現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)和人工智能等諸多領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，學(xué)生可以通過(guò)使用“能力風(fēng)暴”個(gè)人機(jī)器人接觸到多方面的知識(shí)和技術(shù)。

    3  足球機(jī)器人的三種工作模式

    在多足球機(jī)器人系統(tǒng)中，環(huán)境是動(dòng)態(tài)的，對(duì)方機(jī)器人的動(dòng)作通常是不可預(yù)測(cè)的，這就要求機(jī)器人不僅能控制自己，而且能夠主動(dòng)跟蹤和控制球，這就對(duì)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、機(jī)械傳動(dòng)與驅(qū)動(dòng)控制、傳感器和人工智能等各方面都有很高的要求。

    足球機(jī)器人系統(tǒng)可劃分為以下三種工作模式：

    (1)基于視覺(jué)的遙控足球機(jī)器人系統(tǒng)。全局視覺(jué)數(shù)據(jù)處理、策略決策以及機(jī)器人的動(dòng)作控制都在主計(jì)算機(jī)上完成，每個(gè)機(jī)器人接收由主機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)控制其運(yùn)動(dòng)方向和速度，如圖1所示。

圖1 基于視覺(jué)的遙控足球機(jī)器人系統(tǒng)

    (2)基于視覺(jué)有智能的足球機(jī)器人系統(tǒng)。只有全局視覺(jué)數(shù)據(jù)處理在主機(jī)上完成，然后發(fā)出處理結(jié)果給每個(gè)機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)這些信息作出決策，進(jìn)行動(dòng)作控制，實(shí)際上主機(jī)處理視覺(jué)數(shù)據(jù)的作用相當(dāng)于機(jī)器人的一個(gè)傳感器，如圖2所示。

圖2 基于視覺(jué)有智能的足球機(jī)器人系統(tǒng)

    (3)基于機(jī)器人的足球機(jī)器人系統(tǒng)。機(jī)器人完全自主行為，自身具有感知系統(tǒng)，一般裝有多種傳感器，所有計(jì)算（包括決策）都由機(jī)器人自身完成。全部行為由機(jī)器人自身完成，如圖3所示。
在第一種模式中機(jī)器人的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)更容易，但隨著機(jī)器人數(shù)量的增加，主機(jī)的計(jì)算能力需要提高，負(fù)擔(dān)會(huì)越來(lái)越大。在第二種模式中，機(jī)器人除了根據(jù)命令做出反應(yīng)在場(chǎng)上運(yùn)動(dòng)外，還能通過(guò)譯碼器進(jìn)行位置控制以及基于傳感器進(jìn)行自動(dòng)避障。相對(duì)集中式系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)中主機(jī)的計(jì)算負(fù)擔(dān)要小得多，控制更靈活，精確，全自主式足球機(jī)器人系統(tǒng)可被看作是一種分布式控制系統(tǒng)。每個(gè)機(jī)器人都有自己的智能，能主動(dòng)根據(jù)場(chǎng)上的形勢(shì)做出決策并控制自身的運(yùn)動(dòng)，因此該機(jī)器人系統(tǒng)可看作是一種分布式控制系統(tǒng)。但要想在規(guī)定的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)具有速度控制、位置控制、避障等功能完全自主的機(jī)器人是非常困難的。

圖3 基于機(jī)器人的足球機(jī)器人系統(tǒng)

    4  足球機(jī)器人的發(fā)展戰(zhàn)略

    為了使足球技術(shù)真正成為發(fā)展人工智能技術(shù)的新突破口且將人工智能技術(shù)實(shí)際應(yīng)用到社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，我們必須提出明確且具有挑戰(zhàn)性的戰(zhàn)略目標(biāo)，系統(tǒng)地進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。下面提出機(jī)器人足球的戰(zhàn)略目標(biāo)。
機(jī)器人足球的最終目標(biāo)是：根據(jù)國(guó)際足聯(lián)規(guī)則，到21世紀(jì)中葉，用11臺(tái)全自主類人機(jī)器人足球隊(duì)打敗世界杯足球冠軍。我們更希望把足球機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際中去，利用足球機(jī)器人研究過(guò)程中所開(kāi)發(fā)的成熟技術(shù)來(lái)發(fā)展社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域。足球機(jī)器人技術(shù)的主要需求和應(yīng)用領(lǐng)域如下：

    (1)工業(yè)應(yīng)用。將機(jī)器人足球所包含的各種硬件和軟件具體應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)，用以改造舊的傳統(tǒng)企業(yè)技術(shù)或開(kāi)發(fā)新型高技術(shù)產(chǎn)品。

    (2)軍事應(yīng)用。將機(jī)器人足球所包含的多智能體系統(tǒng)技術(shù)及戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)技術(shù)具體應(yīng)用到機(jī)器人部隊(duì)的協(xié)同作戰(zhàn)或救火機(jī)器人部隊(duì)的協(xié)同救護(hù)系統(tǒng)上。

    (3)體育應(yīng)用。在將體育競(jìng)技所包含的比賽策略仿真技術(shù)應(yīng)用到足球、籃球等體育競(jìng)技比賽的策略開(kāi)發(fā)系統(tǒng)基礎(chǔ)上使體育競(jìng)技朝現(xiàn)代方向邁進(jìn)。

    (4)將機(jī)器人足球所包含的具有趣味性和觀賞性的人工智能技術(shù)具體應(yīng)用到教學(xué)中使用的各種工具與手段，促進(jìn)教育革命。

    5  結(jié)束語(yǔ)

    機(jī)器人足球技術(shù)將孤立的、封閉的人工智能技術(shù)發(fā)展到開(kāi)放的、真實(shí)世界，所以其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，無(wú)論在產(chǎn)業(yè)界與軍事界，還是在教育界都可適用。因此可以說(shuō)機(jī)器人足球既是一個(gè)典型的智能機(jī)器人系統(tǒng)，又為研究發(fā)展多智能體系統(tǒng)、多機(jī)器人合作等理論提供了生動(dòng)的研究模型和標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試平臺(tái)。但足球機(jī)器人系統(tǒng)還有許多不完善的地方，特別是視覺(jué)系統(tǒng)及決策系統(tǒng)需要進(jìn)一步的改進(jìn)和豐富。

    其他作者：劉祚時(shí)（1963―），男，江西永新人，副教授.研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)器人工程、機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及仿真；朱花（1980―），女，碩士研究生.研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)器人工程。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 苗奪謙,李順勇.基于多智能體對(duì)抗平臺(tái)-微型足球機(jī)器人系統(tǒng).微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2002,3.

    [2]Booklet on MIROSOT?7,Published by MIROSOT Organizing Committee,http://www.mirosot.

    [3]Shim H S,Jung M J,Kim H S,Choi I H,Kim J H,Develepment of Vision-base Soccer Robt System for Multi agent Cooperative System,Proc MIROSOT?7,1997,29-36.