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机器人足球的意义、最终目标及发展规划

收藏本信息编号:371 发布时间:2012-03-24 截止日期: 地区:

1、机器人足球概况

       机器人足球是在一个 130 × 150 ㎝ 大小的平台上由两个机器人球队互相攻球的比赛,进球多的球队取胜。目前在国际上最流行的机器人足球是半自主型机器人足球,这种比赛每个球队由 3 个或 5 个移动机器人组成,将来要增加到 7 个或 11 个。每个机器人的尺寸限制在 7.5 × 7.5 × 7.5 ㎝以内,比赛用的球是高尔夫球。整个比赛分上下两个半场,每场比赛时间为 5 分钟,中间有 10 分钟的休息时间,在这一段时间内双方可更换机器人的电池或比赛策略等。

       机器人足球比赛的最大特点是在整个比赛过程中人不能干预,机器人必须完全自主独立地进行比赛,因此对每个机器人要求具备高度智能及各机器人之间协调与合作能力。机器人足球比赛和人类足球一样是在裁判的控制和严格的规则下进行的,也有点球、任意球、球门球等规则。打成平局时也有 3 分钟的延长,也实行突然死亡法和点球大战。

       机器人踢球采用人工智能原理, 即完全 模仿人踢球。首先用机器视觉(相当于人的眼睛)识别和判断球的位置,然后用计算机决策系统(相当于人的大脑),对不同的动作(如射门或传球等)做出不同的运动规划,最后用机器人(相当于人腿)去“踢球”。但在目前技术水平条件下,“踢球”并不是用脚踢球,而是用机器人躯体推球。和人类足球一样机器人球队的胜负不但取决于机器人本身(硬件)的性能,而且也取决于比赛策略(软件),只有可靠的硬件与先进的策略结合才能取胜。

       “世界杯”机器人足球是由韩国科学技术院( KAIST )金钟焕教授为发展多智能 体技术 于 1995 年 11 月首次提出的,此后于 1996 年 11 月他在政府和企业界的共同支持下首次举办了“世界杯”机器人足球赛。接着在 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( FIRA ) , 决定在 FIRA 组织下每年举办一次“世界杯”大赛,同年在哈工大成立中国人工智能学会下属 FIRA 中国分会,并建立了中国第一支机器人足球队。 1998 年 6 月 FIRA 中国分会邀请 FIRA 主席金钟焕教授到北京做机器人足球表演赛,从而机器人足球得到了国家有关部门的重视。同年 6 月在法国巴黎举办第三届“世界杯”大赛后机器人足球被学术界、产业界 受高度 重视,成为世界各国认可的高新技术比赛。 FIRA 中国分会在 1999 年 7 月和 11 月份两次在哈工大举办了首届全国机器人足球邀请赛和锦标赛,从而在国内形成了机器人足球热,经过 6 年的风风雨雨,中国机器人足球队已从零发展到 40 多个,在 2002 年汉城举办的第七届“世界杯”机器人足球大赛中,中国队获得了两项世界杯冠军,这意味着中国机器人足球队已冲出亚洲走向国际舞台,成为世界劲旅。

2 、机器人足球对学术界的作用和意义

        机器人足球是一个多智能 体系统 ( Multi Agent System )的典型问题,又是研究分布式人工智能( Distributed Artificial Intelligence )的理想平台。在多智能 体系统 中不但研究每个智能体本身的体系结构,而且更着重研究各智能体之间的协调与合作问题。

        在人工智能的发展道路上曾出现过计算机象棋。它是用计算机对人类进行的象棋比赛,它作为 博奕 的典型问题在人工智能领域发展了搜索与产生 式理论 ,成为发展人工智能的第一个里程碑。经过漫长的 50 年后, IBM Deep Blue 软件终于打败了世界象棋冠军 Kasprov 。它给人类展示了计算机专家系统可以击败人类天才的可能性。但是计算机象棋只反映人类社会的一个侧面,即它是一个单智能体对另一个单智能体,在静态环境下,以非实时方式进行的知识处理问题。而实际的人类社会发生的绝大部分问题是,一群多智能体对另一群多智能体,在复杂动态环境下,以实时方式进行的知识处理问题。在人工智能领域出现的多智能 体系统 就要研究和解决这种人类社会客观存在的实际问题,因此可以说,多智能 体系统 是发展人工智能的一个新的突破,它将过去封闭和孤立的知识系统发展为开放、分布的知识系统,使人工智能面向更多的实际应用领域。

        过去既然通过计算机象棋这个典型问题来推动了人工智能中的搜索和产生 式理论 ,那么现在能否找到另一种典型问题来推动多智能 体系统 的发展呢?答案是肯定的,那就是机器人足球。这是因为在机器人足球中不但包含着多智能 体系统 要研究的全部内容,而且其中所包含的动态环境与实时性要求比一般系统更为苛刻。现在来分析机器人足球为什么能成为研究多智能 体系统 的典型问题。

       首先机器人足球比赛是一群机器人对另一群机器人对抗的分布式多机器人系统,其中每个机器人是具有决策能力的 Agent 。在比赛过程中每个机器人不但能发挥个人能力,而且还能通过协调与合作还发挥集体力量;其次,在比赛场地上的各球队机器人为了射门或防守到处奔跑,因此成为时时刻刻变化的非常复杂的动态环境;第三,为了战胜对方,双方机器人球队必须实时地了解我方和敌方阵营的动态变化,并根据这一动态变化提出行为决策,即全面进攻或局部进攻或防守等比赛策略问题。同时为执行这个决策,各智能体之间必须通过通信来解决协调与合作问题。

       综上所述,机器人足球比赛将过去计算机象棋中的单智能 体研究 对象发展到分布式多智能体;静态研究环境发展到动态环境;并将非实时知识处理问题发展到实时处理问题,因此可以说,机器人足球是继计算机象棋后出现的发展人工智能的第二个里程碑,它将人工智能技术发展到新的境界。

3 、机器人足球对产业界的作用和意义

       机器人足球虽然是在一个小平台上两个机器人球队进行的足球比赛,但要使一个机器人球队战胜另一个机器人球队,不但需要人工智能技术中的视觉、传感融合、行为决策、知识处理等技术,而且还需要和无线通讯、智能控制、机电一体化、计算机仿真等许多关键技术集成为一体的综合技术。因此凡参加“世界杯”机器人足球比赛的球队都是带着自己国家的综合实力和尊严参加比赛的,因此可以说“世界杯”机器人足球是衡量各国综合技术实力的一个小平台上“技术战争”。

        机器人足球中所包含的关键技术如表 1 所示。这些关键技术对我国新型产业的建设及对传统产业的技术改造都具有非常重要的实际意义。现简单介绍各关键技术的作用及其对产业界的应用前景。

机器人足球关键技术

 

 

 

机器视觉技术

无 无线通讯技术

机电一体化技术

智能控制技术

嵌入式计算机技术

战略战术技术

人工生命学技术

仿真技术

 

第一、机器视觉技术。 它给机器人球队提供“眼睛”,即用来理解和判断比赛环境的动态变化。比赛系统对机器视觉要求快速地识别球和机器人,并且准确地测定机器人和球的位置。机器视觉技术可适用于各种现场的实时监视、产品的非接触质量检验系统及各种实时智能控制系统的开发。

第二、无线通信技术。 它给机器人球队提供“耳朵”,即用来解决各机器人之间互相信息交流所必需的通信网络系统。比赛系统对无线通讯系统要求必须可靠,不受干扰及防止通信阻塞。这种技术可适用于无线网络、分布式控制及信息电器工程( 3C :计算机、通讯、消费电子)系统的开发。

第三、机电一体化技术。 它给机器人球队提供强壮的“身体”,即用来解决可靠、耐久、快速运动的机体。由于技术上的问题目前机器人上尚未装上两条腿,因此用电机驱动的轮子来代替“腿”。这种技术可适用于各种家电产品及智能机器人的开发。

第四、智能控制技术。 它为机器人球队提供行为的“决策”能力,即用来保证在复杂动态环境条件下,通过“知识”实时地产生行为决策。实际上这个决策就是足球教练的专家系统。这种技术可适用于基于专家系统的智能控制系统的开发。

第五、仿真技术。 它给机器人球队提供“学习”能力,即用来解决机器人球队的比赛策略开发环境和训练条件。这种技术可适用于各种新产品的初期开发及体育与军事上的战略、战术开发。

第六、嵌入式计算机技术。 它给机器人球队提供具有一定知识的“大脑”,即用来控制机器人的“视觉”、“听觉”、“身体”的运动及决策执行等。因此它是机器人的控制的核心。对这种专用控制计算机要求体积很小,但知识存储量大,因此需要硬件与软件之间综合技术。这种技术可适用于各种家电及各种武器装备上的专用控制计算机开发。

第七、人工生命学技术。 它给机器人球队提供高级“技巧”,即用来解决机器人在复杂的动态环境中如何有效地避免碰撞对方机器人、不犯规、以最佳路线到达目的地的路径规划问题。这个问题通过遗传算法和神经网络算法加以解决。这种技术适用于各种机器人路径规划,系统辨识等系统的开发。

第八、战略战术技术。 机器人足球实际上是两个对抗群体之间的竞争,因此必须要考虑战略、战术及其开发问题。如果在机器人足球中,将球改为目标,则系统变成追捕目标问题。这个问题通过对策论与神经网络算法加以解决。这种技术可适应于未来机器人部队追捕目标系统的开发。

        综上所述,机器人足球包含着在 21 世纪我们所要开发的信息、自动化、通讯、机电一体化、仿真及决策等许多关键技术,而这些关键技术无疑对我国传统产业的技术改造和新型产业的建设具有实际意义。通过比赛洗礼的技术肯定是过得硬的,因此我们相信机器人足球中所包含的八大关键技术必将对我国产业现代化发挥重要作用。

4、机器人足球的最终目标

       机器人足球刚刚诞生时,人们提出机器人足球的主要目的首先是用来研究和开发多智能体系统理论;其次是利用竞赛机制激发青年大学生的科学研究热情,培养科学与创新精神。但随着对机器人足球技术的深入研究,发现机器人足球的“竞赛” 含义 在某种意义上来说比“技术” 含义 更重要,这是因为如果我们将机器人球队之间的竞赛改为机器人足球队与人类足球队之间竞赛,那么其研究领域已深入到未来的“机器人社会”。

        为此,我们大胆地提出机器人足球的最终目标是,到 21 世纪中叶或下叶用机器人足球队打败人类足球队。这和 50 年以前提出的用计算机打败人类象棋 大王 同样是个梦想,又是一个挑战性的目标。

        在人类历史上曾经出现过两个里程碑项目,一个是将人类送上月球的“登月计划”,另一个是用计算机打败人类棋王的“计算机象棋”。这两个里程碑项目的最终目标固然很重要,但比它更重要的是,为实现这一目标而开发出来的许许多多的关键技术支撑了航天时代和信息社会的到来。机器人足球的最终目标同样很重要,但比它更重要的是为实现这一挑战性目标而开发出来的许许多多关键技术,机器人足球的最终目标的实现 不但能改变足球历史,而且还能改变整个人类历史 ,使人类 进入 “机器人社会”, 它同“登月计划”和“计算机象棋”一样是个伟大的里程碑项目。

5 、我国机器人足球的发展计划

        由于技术问题,目前我们还不能实 现 象 人 类一样带 两条腿且能跑 的机器人来踢球。因此,在现阶段机器人与人类进行足球比赛是不可能的事情,只能开展机器人对机器人的足球比赛,而且机器人本身也不是类人机器人,而是方头方脑的小车子。但只要目标清楚,技术路线正确,那么最终目标终会实现的。

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