中國RoboCup中型組近五年發(fā)展回顧與展望

劉 斐

（上海第二軍醫(yī)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，上海，200433）

RoboCup中型組是RoboCup比賽中非常重要的一個(gè)比賽項(xiàng)目。該項(xiàng)目要求全自主的機(jī)器人在類似于人類足球場(chǎng)地的環(huán)境下，使用有顏色的標(biāo)準(zhǔn)五號(hào)足球進(jìn)行比賽。這對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能、環(huán)境感知能力、無線通信方式、相互協(xié)同配合等方面都提出了很高的要求，是截至目前為止，唯一具有與人類對(duì)抗的能力的機(jī)器人足球項(xiàng)目。

從2002年開始，中國機(jī)器人大賽設(shè)置中型組比賽項(xiàng)目，經(jīng)過十多年的發(fā)展，我國的中型組機(jī)器人比賽項(xiàng)目在競(jìng)賽能力、研究水平、比賽組織等各個(gè)方面都達(dá)到了世界同類比賽的領(lǐng)先水平。

1.中型組項(xiàng)目簡(jiǎn)介

機(jī)器人足球是由加拿大大不列顛哥倫比亞大學(xué)教授A1an Mackworth 在1992年首次提出的[1-2]，其目的是通過機(jī)器人足球比賽，為人工智能和智能機(jī)器人學(xué)科的發(fā)展提供一個(gè)具有標(biāo)志性和挑戰(zhàn)性的課題，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供一個(gè)動(dòng)態(tài)對(duì)抗的標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境。機(jī)器人足球世界杯(RoboCup[3])由日本的 Kitano 和 Asada 在 1997 年提出[4]，發(fā)展到今天，已經(jīng)成為一個(gè)包括足球機(jī)器人、救援機(jī)器人、家庭機(jī)器人、青少年組機(jī)器人等4 大項(xiàng)，共11 個(gè)小項(xiàng)的、重要的國際機(jī)器人賽事。該項(xiàng)比賽的目標(biāo)是：在2050 年組建一支由機(jī)器人組成的足球隊(duì)，戰(zhàn)勝當(dāng)時(shí)的人類足球世界冠軍隊(duì)。

中型組機(jī)器人足球賽（RoboCup Middle Size League[5]）是RoboCup 比賽的主要項(xiàng)目之一，自1997 年第一屆RoboCup 比賽開始即是正式比賽項(xiàng)目。中型組機(jī)器人足球比賽要求機(jī)器人完全自主，環(huán)境感知、決策、運(yùn)動(dòng)控制、通信等都必須由機(jī)器人自身完成，不允許任何形式的場(chǎng)外干預(yù)。其相關(guān)研究涉及機(jī)器視覺、圖像處理、人工智能、機(jī)器人控制、多機(jī)器人協(xié)作、無線網(wǎng)絡(luò)通信等諸多內(nèi)容。

圖1 1997年第一屆RoboCup中型組比賽場(chǎng)地

圖2 2012年墨西哥RoboCup中型組比賽現(xiàn)場(chǎng)

目前，國際上中型組機(jī)器人研究和競(jìng)賽水平比較高的學(xué)校和研究機(jī)構(gòu)主要在中國、荷蘭、葡萄牙、德國、伊朗、日本等國。上海交通大學(xué)交龍機(jī)器人足球隊(duì)從2001 年開始中型組研究，連續(xù)多次參加RoboCup 國際比賽，為國內(nèi)中型組比賽的發(fā)展提供了非常寶貴的經(jīng)驗(yàn)。從2002 年開始，中國機(jī)器人大賽設(shè)置了RoboCup 中型組機(jī)器人比賽項(xiàng)目，同濟(jì)大學(xué)、華南理工大學(xué)、中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所、東北大學(xué)、國防科技大學(xué)[6]、廣東工業(yè)大學(xué)、上海大學(xué)、山東大學(xué)、北京信息科技大學(xué)[7]、北京理工大學(xué)[8]、北京工業(yè)大學(xué)、湖南大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)、廈門理工學(xué)院等高校先后開展該項(xiàng)目的研究工作。

自2008年以來，國內(nèi)共有47所學(xué)校參加過中型組比賽。其中，北京信息科技大學(xué)Water隊(duì)在2010、2011、2013年三次獲得RoboCup中型組世界冠軍，國防科技大學(xué)NuBot隊(duì)也在2007 年美國亞特蘭大和2010年新加坡機(jī)器人足球世界杯中獲得了技術(shù)挑戰(zhàn)賽的第三名。

2.規(guī)則制定

中型組機(jī)器人比賽的規(guī)則由比賽規(guī)則和賽事規(guī)則兩部分組成。其中，比賽規(guī)則是在人類足球比賽規(guī)則上修改而成，賽事規(guī)則是中型組技術(shù)委員會(huì)根據(jù)比賽組織要求，對(duì)資格認(rèn)證、比賽進(jìn)程、裁判工作、技術(shù)挑戰(zhàn)等內(nèi)容做出的具體規(guī)定。在國際比賽中，一般在前一年的年底之前發(fā)布第二年的具體大賽規(guī)則，同時(shí)發(fā)布第二年比賽使用的裁判盒程序。

2008年以來，中國中型組技術(shù)委員會(huì)每年都根據(jù)當(dāng)年的中型組國際規(guī)則，由專人負(fù)責(zé)，制訂RoboCup中國公開賽的中型組規(guī)則。規(guī)則經(jīng)過中國中型組技術(shù)委員會(huì)全體專家討論通過后，在每年的上半年發(fā)布。

RoboCup中國公開賽中型組規(guī)則也分為比賽規(guī)則和賽事規(guī)則兩部分。規(guī)則制訂、修訂遵循的主要原則是：比賽規(guī)則部分嚴(yán)格落實(shí)國際比賽規(guī)則的各項(xiàng)要求，賽事規(guī)則部分根據(jù)歷年中型組比賽出現(xiàn)的情況做出明確規(guī)定。

中國公開賽中型組賽事規(guī)則中做出的規(guī)定主要分為兩種情況。

一種是對(duì)比賽規(guī)則的明確和強(qiáng)調(diào)，特別是體現(xiàn)比賽發(fā)展方向和必須遵守的規(guī)定。比如：對(duì)裁判盒的強(qiáng)制要求和嚴(yán)禁任何形式的人工干預(yù)。在2005、2006年的比賽中，曾經(jīng)出現(xiàn)過有些參賽隊(duì)不能使用裁判盒進(jìn)行比賽，結(jié)果造成比賽無法按照裁判的判罰而順暢地進(jìn)行。另外，有些球隊(duì)需要人類隊(duì)員直接上場(chǎng)擺放機(jī)器人，這也極大地延誤了比賽時(shí)間，并容易產(chǎn)生爭(zhēng)執(zhí)。通過對(duì)比賽規(guī)則中相關(guān)規(guī)定的強(qiáng)調(diào)，特別是明確了違反規(guī)則的具體處罰形式和內(nèi)容，很好地規(guī)范了比賽進(jìn)程，減少了相關(guān)爭(zhēng)議的發(fā)生。

另一種是對(duì)比賽過程中出現(xiàn)的特殊情況進(jìn)行的規(guī)定。比如：對(duì)比賽爭(zhēng)議的處理提出了詳細(xì)的要求，要求提出爭(zhēng)議的參賽隊(duì)要提供清晰的錄像，并且在不影響下一輪比賽進(jìn)行的時(shí)間節(jié)點(diǎn)前解決爭(zhēng)議；規(guī)定了裁判長(zhǎng)、技術(shù)委員會(huì)、大賽仲裁委員會(huì)三重解決體制。再如，針對(duì)部分機(jī)器人生產(chǎn)廠商過多干預(yù)比賽進(jìn)程的情況，委員會(huì)連續(xù)三年加強(qiáng)嚴(yán)格要求，杜絕了廠商人員以參賽隊(duì)員身份直接參賽的可能；嚴(yán)格限制了廠商提供機(jī)器人維護(hù)服務(wù)的場(chǎng)所、內(nèi)容等事宜，較好地解決了比賽過程中因廠商參與而對(duì)比賽造成干擾的問題。另外，在技術(shù)挑戰(zhàn)評(píng)分方法、棄權(quán)處理、烏龍球認(rèn)定等方面，賽事規(guī)則也有明確要求，相關(guān)內(nèi)容在近幾年的國際規(guī)則中也有所體現(xiàn)。

中型組技術(shù)委員會(huì)還特別重視資格認(rèn)證和技術(shù)挑戰(zhàn)比賽對(duì)項(xiàng)目的規(guī)范和促進(jìn)作用。在賽事規(guī)則中，詳細(xì)要求了資格認(rèn)證的內(nèi)容、評(píng)分方式、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)等，并將資格認(rèn)證成績(jī)與比賽抽簽分組、特殊情況下決定比賽名次等直接掛鉤，促進(jìn)參賽隊(duì)嚴(yán)格按照要求提交資格認(rèn)證材料。從2008年開始，中國中型組技術(shù)委員會(huì)參照國際比賽設(shè)置了技術(shù)挑戰(zhàn)規(guī)定項(xiàng)目和自選項(xiàng)目的比賽，單獨(dú)設(shè)立獎(jiǎng)項(xiàng)；特別是技術(shù)挑戰(zhàn)自選項(xiàng)目比賽，各參賽隊(duì)展示了自己在中型組相關(guān)領(lǐng)域或者依托中型組機(jī)器人平臺(tái)所做的各項(xiàng)研究；所有參賽隊(duì)共同打分，評(píng)分公正、公開，較好地促進(jìn)了參賽隊(duì)之間的技術(shù)交流。

3.比賽組織

在中國公開賽的比賽安排中，用于比賽的時(shí)間共計(jì)1.5-2.5天，時(shí)間非常緊張。因此，中國中型組技術(shù)委員會(huì)在安排比賽賽程時(shí)，遵循在有限的時(shí)間內(nèi)盡量多安排比賽場(chǎng)次的原則，同時(shí)也要保證比賽始終存在懸念。

比賽分為循環(huán)賽和淘汰賽兩個(gè)賽制，循環(huán)賽用于小組賽，淘汰賽用于四強(qiáng)賽。以2013年比賽賽程設(shè)置為例[9]：7支參賽隊(duì)在2塊場(chǎng)地上采用循環(huán)賽和淘汰賽賽制進(jìn)行，第一、二輪小組賽、第一、二輪復(fù)活賽都采用單循環(huán)賽制，第三輪為四強(qiáng)淘汰賽，產(chǎn)生冠、亞、季軍、第四名，復(fù)活賽被淘汰的參賽隊(duì)根據(jù)成績(jī)確定最終名次。除第一輪小組賽根據(jù)資格認(rèn)證結(jié)果，采用抽簽分為A、B兩組外，其他所有輪次晉級(jí)方法和對(duì)陣形勢(shì)都提前明確公布，參賽隊(duì)可以根據(jù)比賽情況靈活安排比賽策略。

B組取前兩名進(jìn)入第二輪小組賽，其余三支參賽隊(duì)進(jìn)入第一輪復(fù)活賽。

第一輪復(fù)活賽前兩名進(jìn)入第二輪復(fù)活賽，第三名為比賽的第7名。

第二輪小組賽的前兩名進(jìn)入第三輪淘汰賽，第二輪小組賽的三、四名與第一輪復(fù)活賽的前兩名進(jìn)入第二輪復(fù)活賽。第二輪復(fù)活賽的第一、二名進(jìn)入第三輪淘汰賽。第二輪復(fù)活賽的第三名為比賽第5名，第四名為比賽第6名。

第三輪淘汰賽為四強(qiáng)交叉淘汰賽。第二輪小組賽的前兩名，第二輪復(fù)活賽的前兩名進(jìn)入第三輪淘汰賽即半決賽，交叉淘汰，勝利的隊(duì)伍進(jìn)入決賽，爭(zhēng)奪冠亞軍，失利的隊(duì)伍爭(zhēng)奪第三名。

通過這樣的賽制，參賽隊(duì)最少比賽場(chǎng)次為4場(chǎng)，最多的比賽場(chǎng)次為11場(chǎng)。并且，即使在第一輪小組賽排名靠后的參賽隊(duì)，仍然可以利用兩輪復(fù)活賽的機(jī)會(huì)沖擊決賽，很大程度上增加了比賽的懸念，為參賽隊(duì)提供了更多的機(jī)會(huì)，使每一場(chǎng)比賽都成為決定參賽隊(duì)后續(xù)賽程的關(guān)鍵比賽。

除了精心設(shè)計(jì)賽程，中國中型組技術(shù)委員會(huì)還特別重視裁判的選用和培訓(xùn)。比賽的所有裁判都由參賽隊(duì)派出，履行裁判職責(zé)是參賽隊(duì)的權(quán)利更是義務(wù)。在裁判的安排上，采用的原則是不同組之間或者沒有比賽利益關(guān)系的參賽隊(duì)之間互派裁判，以體現(xiàn)比賽的公平性。比賽期間，由技術(shù)委員會(huì)指定一名非常熟悉規(guī)則、并有國際比賽仲裁經(jīng)驗(yàn)的老師或?qū)W生作為裁判長(zhǎng)，負(fù)責(zé)比賽期間裁判工作的監(jiān)督和指導(dǎo)。在每一輪次比賽結(jié)束后，裁判長(zhǎng)都會(huì)召集所有領(lǐng)隊(duì)和裁判開會(huì)，總結(jié)上一輪比賽裁判工作中的問題，強(qiáng)調(diào)后續(xù)比賽裁判工作需要注意的重點(diǎn)、難點(diǎn)。這樣的裁判選用和培養(yǎng)機(jī)制，既保證了比賽裁判工作的順利進(jìn)行，又使參賽隊(duì)更清晰地理解了規(guī)則。

4.比賽設(shè)施

中型組比賽場(chǎng)地是RoboCup所有比賽項(xiàng)目中占地面積最大的，同時(shí)對(duì)場(chǎng)地質(zhì)量要求也是比較高的。為了保證比賽期間場(chǎng)地正常使用，中型組技術(shù)委員會(huì)在每次大賽前都會(huì)派專人赴比賽場(chǎng)館實(shí)地察看，提前與組委會(huì)場(chǎng)地搭建廠商對(duì)接，提出場(chǎng)地使用意見，明確場(chǎng)地搭建方法。

中型組場(chǎng)地搭建主要有以下幾個(gè)注意事項(xiàng)：

第一，場(chǎng)地上不能有陽光直射，否則會(huì)對(duì)機(jī)器人視覺系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，影響比賽；

第二，地毯鋪設(shè)要牢固可靠，用膠水全部粘貼在附著物上，避免比賽中機(jī)器人劇烈摩擦引起破損；

第三，球門要堅(jiān)固可靠，能承受比賽過程中機(jī)器人的劇烈撞擊；

圖3 2013年中國公開賽中型組場(chǎng)地

圖4 2013年中國公開賽中型組使用的球門（未安裝球網(wǎng)）

第四，安全邊界要具有有效的緩沖效果，能減少機(jī)器人撞擊引起的意外損傷。

另外，對(duì)比賽裁判席設(shè)置、參賽隊(duì)準(zhǔn)備區(qū)設(shè)置、場(chǎng)地及準(zhǔn)備區(qū)電力供應(yīng)等，都有具體的要求。

為了保障比賽順利進(jìn)行，中型組技術(shù)委員會(huì)專門購置了高品質(zhì)的無線路由器、集線器、六類網(wǎng)線、光強(qiáng)儀、激光測(cè)距儀等專業(yè)器材，用于比賽期間的網(wǎng)絡(luò)通信、場(chǎng)地測(cè)量等工作。目前，中型組技術(shù)委員會(huì)已經(jīng)形成一套完整、成熟的中型組場(chǎng)地搭建方案，從場(chǎng)館面積需求、燈光照明條件，到場(chǎng)地鋪設(shè)方法、比賽器材需求、現(xiàn)場(chǎng)無線信號(hào)管制等，都有明確的技術(shù)要求文檔。利用這些規(guī)范化的文檔向場(chǎng)地搭建廠商提出詳細(xì)要求，并按照文檔要求驗(yàn)收，這很好地保障了比賽的順利進(jìn)行。

從2008年至今的各次比賽中，中型組機(jī)器人比賽未發(fā)生較嚴(yán)重的、由于比賽場(chǎng)地設(shè)施損壞而影響比賽正常進(jìn)行的情況，是RoboCup大賽各個(gè)項(xiàng)目中場(chǎng)地保障條件最好、管理最規(guī)范的比賽項(xiàng)目之一。

5.問題與展望

回顧中國RoboCup中型組五年以來的發(fā)展歷程，參賽隊(duì)的競(jìng)賽水平得到了很大提高，比賽激烈程度不斷增加，比賽組織工作日趨完善，這些成績(jī)與技術(shù)委員會(huì)的辛勤工作和參賽隊(duì)的大力支持都是分不開的。

但是，與國際RoboCup中型組一樣，中國中型組發(fā)展也面臨一些問題和困難，主要體現(xiàn)在以下三方面：

第一，中型組機(jī)器人設(shè)備造價(jià)、項(xiàng)目維持、參賽費(fèi)用昂貴，這在一定程度上造成參賽隊(duì)數(shù)量減少。除了機(jī)器人采購或者研發(fā)需要投入大量資金外，每年參加國內(nèi)、國際比賽都需要有經(jīng)費(fèi)保障，出國比賽的差旅、注冊(cè)費(fèi)、食宿、機(jī)器人托運(yùn)、器材準(zhǔn)備等費(fèi)用約需人民幣20萬元左右。另外，機(jī)器人平臺(tái)的使用周期在4-5年，項(xiàng)目維持也要消耗大量的人力、物力、財(cái)力。資金因素是學(xué)?；蜓芯繖C(jī)構(gòu)能否長(zhǎng)期開展中型組機(jī)器人相關(guān)研究、持續(xù)參加國內(nèi)外比賽的重要原因。

第二，中型組項(xiàng)目提供的科學(xué)挑戰(zhàn)不足，需要尋找新的突破口。在2009年以前，中型組國際技術(shù)委員會(huì)利用規(guī)則引導(dǎo)，逐步實(shí)施了擴(kuò)大比賽場(chǎng)地、取消球門顏色、改變比賽用球顏色等措施，有效地推動(dòng)了機(jī)器人視覺系統(tǒng)和圖像處理算法的發(fā)展。2009年以后，比賽規(guī)則加強(qiáng)了機(jī)器人配合之間的要求，要求實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)對(duì)抗環(huán)境下的傳接球配合，推動(dòng)了多機(jī)器人協(xié)同、動(dòng)態(tài)任務(wù)分配等方面的研究。但是，近兩年以來，能夠推動(dòng)中型組項(xiàng)目研究的挑戰(zhàn)性研究?jī)?nèi)容不多，隨著任意球識(shí)別技術(shù)挑戰(zhàn)的中斷，中型組暫時(shí)沒有很顯著的技術(shù)突破點(diǎn)，利用中型組平臺(tái)開展研究的高水平學(xué)術(shù)論文數(shù)量偏少。

第三，商業(yè)機(jī)器人平臺(tái)對(duì)比賽的影響比較明顯。為了解決機(jī)器人硬件平臺(tái)問題，很多參賽學(xué)校采購商業(yè)公司成熟的產(chǎn)品，與之配套的還有達(dá)到一定水平的完整比賽程序，可以直接參賽。自2005年以來，不止一次出現(xiàn)過買來機(jī)器人直接比賽，拿了很好的名次后就退出中型組比賽的情況。這種事情的發(fā)生，違背了中型組項(xiàng)目設(shè)置的初衷，干擾了比賽健康有序的發(fā)展。技術(shù)委員會(huì)為了應(yīng)對(duì)這種情況，在規(guī)則中對(duì)參賽人員類別、廠商服務(wù)形式等都作了很多詳細(xì)的要求，但仍然無法避免類似情況發(fā)生。

目前，國際中型組技術(shù)委員會(huì)已經(jīng)發(fā)布了今后五年的發(fā)展路線圖，該路線圖明確表示，中型組下一步的發(fā)展方向集中在利用規(guī)則引導(dǎo)，確定中型組下一步發(fā)展的主要研究領(lǐng)域，吸引更多的參賽隊(duì)參加中型組比賽。另外，在強(qiáng)調(diào)機(jī)器人之間配合、繼續(xù)推進(jìn)使用任意足球比賽、進(jìn)一步降低通信帶寬、限制機(jī)器人使用功能過強(qiáng)的帶球機(jī)構(gòu)、限制機(jī)器人可以使用的總能量、三維空間下球的檢測(cè)、在戶外或不平整地面比賽等方面，都明確提出了分階段實(shí)施規(guī)劃。

中國中型組技術(shù)委員會(huì)在比賽規(guī)則上將繼續(xù)緊跟國際比賽規(guī)則，并通過賽事規(guī)則更好地促進(jìn)和規(guī)范中型組發(fā)展。未來賽事規(guī)則修訂的重點(diǎn)在于：解決好商業(yè)成熟機(jī)器人平臺(tái)對(duì)比賽的影響問題，力爭(zhēng)用1-2年的時(shí)間，建立參賽隊(duì)分類機(jī)制，保證自主研發(fā)的參賽隊(duì)能在比賽中更充分地展現(xiàn)自己的研究水平。相關(guān)的實(shí)施方法正在醞釀和制定過程中，條件成熟時(shí)會(huì)盡早公布實(shí)施。

6.小結(jié)

中國中型組技術(shù)委員會(huì)作為RoboCup中國公開賽中型組機(jī)器人比賽的組織、實(shí)施責(zé)任機(jī)構(gòu)，其工作職責(zé)就是做好中型組比賽的相關(guān)組織工作，并引導(dǎo)和規(guī)范中型組項(xiàng)目的健康發(fā)展，促進(jìn)中型組機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域的研究。

同時(shí)，中國中型組技術(shù)委員會(huì)將進(jìn)一步加強(qiáng)與國際中型組技術(shù)委員會(huì)的交流與合作，緊跟國際比賽發(fā)展方向，為中型組參賽隊(duì)提供更好的比賽條件，促進(jìn)參賽隊(duì)之間的技術(shù)交流，保持中國RoboCup中型組機(jī)器人比賽可持續(xù)、健康、高水平的發(fā)展。

[1]Mackworth A K. On Seeing Robots. University of British Columbia. Technical Report. TR-93-05,1993.

[2]Mackworth A K. On Seeing Robots. Computer Vision: Systems, Theory, and Applications. Singapore：World Scientific Press,1993: 1-13.

[3]RoboCup official home page. http://www.robocup.org.

[4]Kitano H, Asada M, Kuniyoshi Y. RoboCup: The Robot World Cup Initiative.Proceedings of the International Conference on Autonomous Agents,1997:340-347.

[5]RoboCup Middle Size League. http://wiki.robocup.org/wiki/Middle_Size_League.

[6]國防科技大學(xué)NuBot 機(jī)器人足球隊(duì). http://www.nubot.com.cn.

[7]北京信息科技大學(xué)Water機(jī)器人足球隊(duì). http://jdgcxy.bistu.edu.cn/robocup/index_robocup.asp.

[8]北京理工大學(xué)RoBit機(jī)器人足球隊(duì).http://ai.bitss.com.cn.

[9]2013RoboCup中國公開賽中型組成績(jī)公布. http://rccnc.ustc.edu.cn/zh/index.php/Results_of_MiddleSize_in_RCO13.