研制高智能的全自主機(jī)器人模仿人類進(jìn)行足球 比賽是當(dāng)前人工智能和機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之 一。 全自主機(jī)器人足球比賽的特點(diǎn)是每個機(jī)器人完 全自治， 即每個機(jī)器人必須自帶各種傳感器、控制 器、驅(qū)動器、電源等設(shè)備。 比賽中， 各機(jī)器人隊(duì)不允許 使用全局視覺， 也不允許人為的干預(yù)。 它涉及到機(jī)器 人控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、移動機(jī)器人自定位、實(shí)時視 覺、多機(jī)器人傳感器融合、多機(jī)器人協(xié)作、機(jī)器人的 學(xué)習(xí)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
目前，舉辦全自主機(jī)器人足球比賽的國際組織 有兩個：RoboCup 聯(lián)合會和FIRA 組織。 RoboCup (Robo tWo rld Cup Soccer Gam es) 是由日本、歐美等國家發(fā)起并創(chuàng)立的組織， 從1997年開始每年舉辦 一屆比賽。該組織在瑞士注冊， 現(xiàn)有成員國近40 個，包括美國、德國、日本、意大利等發(fā)達(dá)國家。 RoboCup 的目的是促進(jìn)人工智能、機(jī)器人技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的 發(fā)展。它提供一個標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人踢足球平臺。在此平 臺上，大量的技術(shù)可以被集成并接受檢驗(yàn)。 RoboCup 有仿真組、小型組、中型組和四腿機(jī)器人組4 個主要 的比賽類型。FIRA ( Federat ion of In ternat ional Robo t2Soccer A ssociat ion) 是由韓國發(fā)起并創(chuàng)立的 組織， 從1997 年開始每年舉辦一屆比賽，目前主要 由韓國、新加坡、巴西等一些國家的研究機(jī)構(gòu)組隊(duì)參 賽。
RoboCup 和F IRA 都設(shè)立了全自主機(jī)器人比 賽項(xiàng)目。 例如， RoboCup 的中型組(M iddle2Size L eague) 和F IRA 的RoboSo t， 其所涉及的機(jī)器人技 術(shù)完全相同。 本文將以RoboCup 中型組的比賽為 例， 對其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。
1 關(guān)鍵技術(shù)
1. 1 機(jī)器人控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
1. 1.1 單機(jī)器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
在中型組比賽中， 單個機(jī)器人的控制系統(tǒng)廣泛采用混合式的體系 結(jié)構(gòu)， 控制系統(tǒng)的上層采用規(guī)劃技術(shù)， 底層采用基于 行為的反應(yīng)式控制技術(shù)， 這樣既保證了系統(tǒng)的魯棒 性和快速性， 又使系統(tǒng)具有較高的決策智能。 以德國弗賴堡大學(xué)隊(duì)的機(jī)器人為例[ 1 ] (見圖 1) ， 感知模塊接收機(jī)器人自身的傳感器信息并通過 通信獲得其他機(jī)器人的內(nèi)部信息， 這些信息共同作 為規(guī)劃層和行為控制層的輸入， 使機(jī)器人有較多的 信息來進(jìn)行決策， 提高了決策的正確性。 當(dāng)行為控制 層產(chǎn)生運(yùn)動到場地上某一點(diǎn)的行為時， 自動啟動規(guī) 劃層為機(jī)器人規(guī)劃出一條到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑。 行為控制層是一個由狀態(tài)空間到行為空間映射構(gòu)成 的規(guī)則庫， 針對具體的環(huán)境， 機(jī)器人能夠迅速地做出 反應(yīng)。 Werger[ 2 ] 提出了一種完全反應(yīng)式的結(jié)構(gòu)， 并 將它應(yīng)用到足球隊(duì)“Sp irit of Bo livia”中。 在這種結(jié) 構(gòu)中， 所有隊(duì)員的個體行為， 以及隊(duì)員之間的合作行 為都設(shè)計(jì)為反應(yīng)式的。 該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是動作的連續(xù) 性、快速性比較好; 缺點(diǎn)是對具體機(jī)器的依賴性較 強(qiáng)，通用性差。
圖1 單機(jī)器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
1.1. 2 多機(jī)器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
各隊(duì)普遍采用 基于無線局域網(wǎng)(遵守IEEE802. 11 標(biāo)準(zhǔn)) 的通信技術(shù)。每個機(jī)器人和場外計(jì)算機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)， 共同構(gòu)成一個無線局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)， 高達(dá)11Mb/s 的無線 網(wǎng)絡(luò)為機(jī)器人之間的信息傳遞提供了一個快捷通 道。根據(jù)場外服務(wù)器是否參與決策， 本文將球隊(duì)的體 系結(jié)構(gòu)分為兩種：集中與分布式結(jié)合的混合型結(jié)構(gòu) 和完全分布式的結(jié)構(gòu)。對于前者，場外服務(wù)器作部分 或全部的決策; 對于后者，場外服務(wù)器不參與決策，只用來建立全局模型。 伊朗Sharif 大學(xué)隊(duì)采用前一 種結(jié)構(gòu)[ 3 ] ，場外的服務(wù)器根據(jù)場上的情況來動態(tài)地 為單個機(jī)器人分配任務(wù)， 指定每個機(jī)器人的角色(前 鋒、中場或后衛(wèi)) ，這時球隊(duì)的控制方式是集中式的; 當(dāng)角色分配完成后，不同角色的機(jī)器人要根據(jù)場上 的具體情況自主地選擇行為，做出反應(yīng)，最終完成射 門的任務(wù)。 這時球隊(duì)的控制方式是分布式的。德國弗 賴堡大學(xué)隊(duì)和意大利的ART 隊(duì)都采用后一種結(jié) 構(gòu)，如圖2 所示。圖中場外計(jì)算機(jī)只負(fù)責(zé)建立全局模型，并通知每個機(jī)器人。它并不對機(jī)器人進(jìn)行任務(wù)、 角色分配。場上的機(jī)器人需要自主地進(jìn)行角色選擇， 相互配合以完成射門的任務(wù)。
圖2 機(jī)器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)