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機器人足球的意義、最終目標及發展規劃

收藏本信息編號:371 發布時間:2012-03-24 截止日期: 地區:

1、機器人足球概況

       機器人足球是在一個 130 × 150 ㎝ 大小的平臺上由兩個機器人球隊互相攻球的比賽,進球多的球隊取勝。目前在國際上最流行的機器人足球是半自主型機器人足球,這種比賽每個球隊由 3 個或 5 個移動機器人組成,將來要增加到 7 個或 11 個。每個機器人的尺寸限制在 7.5 × 7.5 × 7.5 ㎝以內,比賽用的球是高爾夫球。整個比賽分上下兩個半場,每場比賽時間為 5 分鐘,中間有 10 分鐘的休息時間,在這一段時間內雙方可更換機器人的電池或比賽策略等。

       機器人足球比賽的最大特點是在整個比賽過程中人不能干預,機器人必須完全自主獨立地進行比賽,因此對每個機器人要求具備高度智能及各機器人之間協調與合作能力。機器人足球比賽和人類足球一樣是在裁判的控制和嚴格的規則下進行的,也有點球、任意球、球門球等規則。打成平局時也有 3 分鐘的延長,也實行突然死亡法和點球大戰。

       機器人踢球采用人工智能原理, 即完全 模仿人踢球。首先用機器視覺(相當于人的眼睛)識別和判斷球的位置,然后用計算機決策系統(相當于人的大腦),對不同的動作(如射門或傳球等)做出不同的運動規劃,最后用機器人(相當于人腿)去“踢球”。但在目前技術水平條件下,“踢球”并不是用腳踢球,而是用機器人軀體推球。和人類足球一樣機器人球隊的勝負不但取決于機器人本身(硬件)的性能,而且也取決于比賽策略(軟件),只有可靠的硬件與先進的策略結合才能取勝。

       “世界杯”機器人足球是由韓國科學技術院( KAIST )金鐘煥教授為發展多智能 體技術 于 1995 年 11 月首次提出的,此后于 1996 年 11 月他在政府和企業界的共同支持下首次舉辦了“世界杯”機器人足球賽。接著在 1997 年 6 月舉辦第二屆“世界杯”機器人足球大賽時,經 14 個國家代表的共同協商成立了國際機器人足球聯盟( FIRA ) , 決定在 FIRA 組織下每年舉辦一次“世界杯”大賽,同年在哈工大成立中國人工智能學會下屬 FIRA 中國分會,并建立了中國第一支機器人足球隊。 1998 年 6 月 FIRA 中國分會邀請 FIRA 主席金鐘煥教授到北京做機器人足球表演賽,從而機器人足球得到了國家有關部門的重視。同年 6 月在法國巴黎舉辦第三屆“世界杯”大賽后機器人足球被學術界、產業界 受高度 重視,成為世界各國認可的高新技術比賽。 FIRA 中國分會在 1999 年 7 月和 11 月份兩次在哈工大舉辦了首屆全國機器人足球邀請賽和錦標賽,從而在國內形成了機器人足球熱,經過 6 年的風風雨雨,中國機器人足球隊已從零發展到 40 多個,在 2002 年漢城舉辦的第七屆“世界杯”機器人足球大賽中,中國隊獲得了兩項世界杯冠軍,這意味著中國機器人足球隊已沖出亞洲走向國際舞臺,成為世界勁旅。

2 、機器人足球對學術界的作用和意義

        機器人足球是一個多智能 體系統 ( Multi Agent System )的典型問題,又是研究分布式人工智能( Distributed Artificial Intelligence )的理想平臺。在多智能 體系統 中不但研究每個智能體本身的體系結構,而且更著重研究各智能體之間的協調與合作問題。

        在人工智能的發展道路上曾出現過計算機象棋。它是用計算機對人類進行的象棋比賽,它作為 博奕 的典型問題在人工智能領域發展了搜索與產生 式理論 ,成為發展人工智能的第一個里程碑。經過漫長的 50 年后, IBM Deep Blue 軟件終于打敗了世界象棋冠軍 Kasprov 。它給人類展示了計算機專家系統可以擊敗人類天才的可能性。但是計算機象棋只反映人類社會的一個側面,即它是一個單智能體對另一個單智能體,在靜態環境下,以非實時方式進行的知識處理問題。而實際的人類社會發生的絕大部分問題是,一群多智能體對另一群多智能體,在復雜動態環境下,以實時方式進行的知識處理問題。在人工智能領域出現的多智能 體系統 就要研究和解決這種人類社會客觀存在的實際問題,因此可以說,多智能 體系統 是發展人工智能的一個新的突破,它將過去封閉和孤立的知識系統發展為開放、分布的知識系統,使人工智能面向更多的實際應用領域。

        過去既然通過計算機象棋這個典型問題來推動了人工智能中的搜索和產生 式理論 ,那么現在能否找到另一種典型問題來推動多智能 體系統 的發展呢?答案是肯定的,那就是機器人足球。這是因為在機器人足球中不但包含著多智能 體系統 要研究的全部內容,而且其中所包含的動態環境與實時性要求比一般系統更為苛刻?,F在來分析機器人足球為什么能成為研究多智能 體系統 的典型問題。

       首先機器人足球比賽是一群機器人對另一群機器人對抗的分布式多機器人系統,其中每個機器人是具有決策能力的 Agent 。在比賽過程中每個機器人不但能發揮個人能力,而且還能通過協調與合作還發揮集體力量;其次,在比賽場地上的各球隊機器人為了射門或防守到處奔跑,因此成為時時刻刻變化的非常復雜的動態環境;第三,為了戰勝對方,雙方機器人球隊必須實時地了解我方和敵方陣營的動態變化,并根據這一動態變化提出行為決策,即全面進攻或局部進攻或防守等比賽策略問題。同時為執行這個決策,各智能體之間必須通過通信來解決協調與合作問題。

       綜上所述,機器人足球比賽將過去計算機象棋中的單智能 體研究 對象發展到分布式多智能體;靜態研究環境發展到動態環境;并將非實時知識處理問題發展到實時處理問題,因此可以說,機器人足球是繼計算機象棋后出現的發展人工智能的第二個里程碑,它將人工智能技術發展到新的境界。

3 、機器人足球對產業界的作用和意義

       機器人足球雖然是在一個小平臺上兩個機器人球隊進行的足球比賽,但要使一個機器人球隊戰勝另一個機器人球隊,不但需要人工智能技術中的視覺、傳感融合、行為決策、知識處理等技術,而且還需要和無線通訊、智能控制、機電一體化、計算機仿真等許多關鍵技術集成為一體的綜合技術。因此凡參加“世界杯”機器人足球比賽的球隊都是帶著自己國家的綜合實力和尊嚴參加比賽的,因此可以說“世界杯”機器人足球是衡量各國綜合技術實力的一個小平臺上“技術戰爭”。

        機器人足球中所包含的關鍵技術如表 1 所示。這些關鍵技術對我國新型產業的建設及對傳統產業的技術改造都具有非常重要的實際意義?,F簡單介紹各關鍵技術的作用及其對產業界的應用前景。

機器人足球關鍵技術

 

 

 

機器視覺技術

無 無線通訊技術

機電一體化技術

智能控制技術

嵌入式計算機技術

戰略戰術技術

人工生命學技術

仿真技術

 

第一、機器視覺技術。 它給機器人球隊提供“眼睛”,即用來理解和判斷比賽環境的動態變化。比賽系統對機器視覺要求快速地識別球和機器人,并且準確地測定機器人和球的位置。機器視覺技術可適用于各種現場的實時監視、產品的非接觸質量檢驗系統及各種實時智能控制系統的開發。

第二、無線通信技術。 它給機器人球隊提供“耳朵”,即用來解決各機器人之間互相信息交流所必需的通信網絡系統。比賽系統對無線通訊系統要求必須可靠,不受干擾及防止通信阻塞。這種技術可適用于無線網絡、分布式控制及信息電器工程( 3C :計算機、通訊、消費電子)系統的開發。

第三、機電一體化技術。 它給機器人球隊提供強壯的“身體”,即用來解決可靠、耐久、快速運動的機體。由于技術上的問題目前機器人上尚未裝上兩條腿,因此用電機驅動的輪子來代替“腿”。這種技術可適用于各種家電產品及智能機器人的開發。

第四、智能控制技術。 它為機器人球隊提供行為的“決策”能力,即用來保證在復雜動態環境條件下,通過“知識”實時地產生行為決策。實際上這個決策就是足球教練的專家系統。這種技術可適用于基于專家系統的智能控制系統的開發。

第五、仿真技術。 它給機器人球隊提供“學習”能力,即用來解決機器人球隊的比賽策略開發環境和訓練條件。這種技術可適用于各種新產品的初期開發及體育與軍事上的戰略、戰術開發。

第六、嵌入式計算機技術。 它給機器人球隊提供具有一定知識的“大腦”,即用來控制機器人的“視覺”、“聽覺”、“身體”的運動及決策執行等。因此它是機器人的控制的核心。對這種專用控制計算機要求體積很小,但知識存儲量大,因此需要硬件與軟件之間綜合技術。這種技術可適用于各種家電及各種武器裝備上的專用控制計算機開發。

第七、人工生命學技術。 它給機器人球隊提供高級“技巧”,即用來解決機器人在復雜的動態環境中如何有效地避免碰撞對方機器人、不犯規、以最佳路線到達目的地的路徑規劃問題。這個問題通過遺傳算法和神經網絡算法加以解決。這種技術適用于各種機器人路徑規劃,系統辨識等系統的開發。

第八、戰略戰術技術。 機器人足球實際上是兩個對抗群體之間的競爭,因此必須要考慮戰略、戰術及其開發問題。如果在機器人足球中,將球改為目標,則系統變成追捕目標問題。這個問題通過對策論與神經網絡算法加以解決。這種技術可適應于未來機器人部隊追捕目標系統的開發。

        綜上所述,機器人足球包含著在 21 世紀我們所要開發的信息、自動化、通訊、機電一體化、仿真及決策等許多關鍵技術,而這些關鍵技術無疑對我國傳統產業的技術改造和新型產業的建設具有實際意義。通過比賽洗禮的技術肯定是過得硬的,因此我們相信機器人足球中所包含的八大關鍵技術必將對我國產業現代化發揮重要作用。

4、機器人足球的最終目標

       機器人足球剛剛誕生時,人們提出機器人足球的主要目的首先是用來研究和開發多智能體系統理論;其次是利用競賽機制激發青年大學生的科學研究熱情,培養科學與創新精神。但隨著對機器人足球技術的深入研究,發現機器人足球的“競賽” 含義 在某種意義上來說比“技術” 含義 更重要,這是因為如果我們將機器人球隊之間的競賽改為機器人足球隊與人類足球隊之間競賽,那么其研究領域已深入到未來的“機器人社會”。

        為此,我們大膽地提出機器人足球的最終目標是,到 21 世紀中葉或下葉用機器人足球隊打敗人類足球隊。這和 50 年以前提出的用計算機打敗人類象棋 大王 同樣是個夢想,又是一個挑戰性的目標。

        在人類歷史上曾經出現過兩個里程碑項目,一個是將人類送上月球的“登月計劃”,另一個是用計算機打敗人類棋王的“計算機象棋”。這兩個里程碑項目的最終目標固然很重要,但比它更重要的是,為實現這一目標而開發出來的許許多多的關鍵技術支撐了航天時代和信息社會的到來。機器人足球的最終目標同樣很重要,但比它更重要的是為實現這一挑戰性目標而開發出來的許許多多關鍵技術,機器人足球的最終目標的實現 不但能改變足球歷史,而且還能改變整個人類歷史 ,使人類 進入 “機器人社會”, 它同“登月計劃”和“計算機象棋”一樣是個偉大的里程碑項目。

5 、我國機器人足球的發展計劃

        由于技術問題,目前我們還不能實 現 象 人 類一樣帶 兩條腿且能跑 的機器人來踢球。因此,在現階段機器人與人類進行足球比賽是不可能的事情,只能開展機器人對機器人的足球比賽,而且機器人本身也不是類人機器人,而是方頭方腦的小車子。但只要目標清楚,技術路線正確,那么最終目標終會實現的。

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