中国RoboCup中型组近五年发展回顾与展望

刘 斐

（上海第二军医大学网络中心，上海，200433）

RoboCup中型组是RoboCup比赛中非常重要的一个比赛项目。该项目要求全自主的机器人在类似于人类足球场地的环境下，使用有颜色的标准五号足球进行比赛。这对机器人的运动性能、环境感知能力、无线通信方式、相互协同配合等方面都提出了很高的要求，是截至目前为止，唯一具有与人类对抗的能力的机器人足球项目。

从2002年开始，中国机器人大赛设置中型组比赛项目，经过十多年的发展，我国的中型组机器人比赛项目在竞赛能力、研究水平、比赛组织等各个方面都达到了世界同类比赛的领先水平。

1.中型组项目简介

机器人足球是由加拿大大不列颠哥伦比亚大学教授A1an Mackworth 在1992年首次提出的[1-2]，其目的是通过机器人足球比赛，为人工智能和智能机器人学科的发展提供一个具有标志性和挑战性的课题，为相关领域的研究提供一个动态对抗的标准化环境。机器人足球世界杯(RoboCup[3])由日本的 Kitano 和 Asada 在 1997 年提出[4]，发展到今天，已经成为一个包括足球机器人、救援机器人、家庭机器人、青少年组机器人等4 大项，共11 个小项的、重要的国际机器人赛事。该项比赛的目标是：在2050 年组建一支由机器人组成的足球队，战胜当时的人类足球世界冠军队。

中型组机器人足球赛（RoboCup Middle Size League[5]）是RoboCup 比赛的主要项目之一，自1997 年第一届RoboCup 比赛开始即是正式比赛项目。中型组机器人足球比赛要求机器人完全自主，环境感知、决策、运动控制、通信等都必须由机器人自身完成，不允许任何形式的场外干预。其相关研究涉及机器视觉、图像处理、人工智能、机器人控制、多机器人协作、无线网络通信等诸多内容。

图1 1997年第一届RoboCup中型组比赛场地

图2 2012年墨西哥RoboCup中型组比赛现场

目前，国际上中型组机器人研究和竞赛水平比较高的学校和研究机构主要在中国、荷兰、葡萄牙、德国、伊朗、日本等国。上海交通大学交龙机器人足球队从2001 年开始中型组研究，连续多次参加RoboCup 国际比赛，为国内中型组比赛的发展提供了非常宝贵的经验。从2002 年开始，中国机器人大赛设置了RoboCup 中型组机器人比赛项目，同济大学、华南理工大学、中国科学院自动化研究所、东北大学、国防科技大学[6]、广东工业大学、上海大学、山东大学、北京信息科技大学[7]、北京理工大学[8]、北京工业大学、湖南大学、北方工业大学、厦门理工学院等高校先后开展该项目的研究工作。

自2008年以来，国内共有47所学校参加过中型组比赛。其中，北京信息科技大学Water队在2010、2011、2013年三次获得RoboCup中型组世界冠军，国防科技大学NuBot队也在2007 年美国亚特兰大和2010年新加坡机器人足球世界杯中获得了技术挑战赛的第三名。

2.规则制定

中型组机器人比赛的规则由比赛规则和赛事规则两部分组成。其中，比赛规则是在人类足球比赛规则上修改而成，赛事规则是中型组技术委员会根据比赛组织要求，对资格认证、比赛进程、裁判工作、技术挑战等内容做出的具体规定。在国际比赛中，一般在前一年的年底之前发布第二年的具体大赛规则，同时发布第二年比赛使用的裁判盒程序。

2008年以来，中国中型组技术委员会每年都根据当年的中型组国际规则，由专人负责，制订RoboCup中国公开赛的中型组规则。规则经过中国中型组技术委员会全体专家讨论通过后，在每年的上半年发布。

RoboCup中国公开赛中型组规则也分为比赛规则和赛事规则两部分。规则制订、修订遵循的主要原则是：比赛规则部分严格落实国际比赛规则的各项要求，赛事规则部分根据历年中型组比赛出现的情况做出明确规定。

中国公开赛中型组赛事规则中做出的规定主要分为两种情况。

一种是对比赛规则的明确和强调，特别是体现比赛发展方向和必须遵守的规定。比如：对裁判盒的强制要求和严禁任何形式的人工干预。在2005、2006年的比赛中，曾经出现过有些参赛队不能使用裁判盒进行比赛，结果造成比赛无法按照裁判的判罚而顺畅地进行。另外，有些球队需要人类队员直接上场摆放机器人，这也极大地延误了比赛时间，并容易产生争执。通过对比赛规则中相关规定的强调，特别是明确了违反规则的具体处罚形式和内容，很好地规范了比赛进程，减少了相关争议的发生。

另一种是对比赛过程中出现的特殊情况进行的规定。比如：对比赛争议的处理提出了详细的要求，要求提出争议的参赛队要提供清晰的录像，并且在不影响下一轮比赛进行的时间节点前解决争议；规定了裁判长、技术委员会、大赛仲裁委员会三重解决体制。再如，针对部分机器人生产厂商过多干预比赛进程的情况，委员会连续三年加强严格要求，杜绝了厂商人员以参赛队员身份直接参赛的可能；严格限制了厂商提供机器人维护服务的场所、内容等事宜，较好地解决了比赛过程中因厂商参与而对比赛造成干扰的问题。另外，在技术挑战评分方法、弃权处理、乌龙球认定等方面，赛事规则也有明确要求，相关内容在近几年的国际规则中也有所体现。

中型组技术委员会还特别重视资格认证和技术挑战比赛对项目的规范和促进作用。在赛事规则中，详细要求了资格认证的内容、评分方式、评分标准等，并将资格认证成绩与比赛抽签分组、特殊情况下决定比赛名次等直接挂钩，促进参赛队严格按照要求提交资格认证材料。从2008年开始，中国中型组技术委员会参照国际比赛设置了技术挑战规定项目和自选项目的比赛，单独设立奖项；特别是技术挑战自选项目比赛，各参赛队展示了自己在中型组相关领域或者依托中型组机器人平台所做的各项研究；所有参赛队共同打分，评分公正、公开，较好地促进了参赛队之间的技术交流。

3.比赛组织

在中国公开赛的比赛安排中，用于比赛的时间共计1.5-2.5天，时间非常紧张。因此，中国中型组技术委员会在安排比赛赛程时，遵循在有限的时间内尽量多安排比赛场次的原则，同时也要保证比赛始终存在悬念。

比赛分为循环赛和淘汰赛两个赛制，循环赛用于小组赛，淘汰赛用于四强赛。以2013年比赛赛程设置为例[9]：7支参赛队在2块场地上采用循环赛和淘汰赛赛制进行，第一、二轮小组赛、第一、二轮复活赛都采用单循环赛制，第三轮为四强淘汰赛，产生冠、亚、季军、第四名，复活赛被淘汰的参赛队根据成绩确定最终名次。除第一轮小组赛根据资格认证结果，采用抽签分为A、B两组外，其他所有轮次晋级方法和对阵形势都提前明确公布，参赛队可以根据比赛情况灵活安排比赛策略。

B组取前两名进入第二轮小组赛，其余三支参赛队进入第一轮复活赛。

第一轮复活赛前两名进入第二轮复活赛，第三名为比赛的第7名。

第二轮小组赛的前两名进入第三轮淘汰赛，第二轮小组赛的三、四名与第一轮复活赛的前两名进入第二轮复活赛。第二轮复活赛的第一、二名进入第三轮淘汰赛。第二轮复活赛的第三名为比赛第5名，第四名为比赛第6名。

第三轮淘汰赛为四强交叉淘汰赛。第二轮小组赛的前两名，第二轮复活赛的前两名进入第三轮淘汰赛即半决赛，交叉淘汰，胜利的队伍进入决赛，争夺冠亚军，失利的队伍争夺第三名。

通过这样的赛制，参赛队最少比赛场次为4场，最多的比赛场次为11场。并且，即使在第一轮小组赛排名靠后的参赛队，仍然可以利用两轮复活赛的机会冲击决赛，很大程度上增加了比赛的悬念，为参赛队提供了更多的机会，使每一场比赛都成为决定参赛队后续赛程的关键比赛。

除了精心设计赛程，中国中型组技术委员会还特别重视裁判的选用和培训。比赛的所有裁判都由参赛队派出，履行裁判职责是参赛队的权利更是义务。在裁判的安排上，采用的原则是不同组之间或者没有比赛利益关系的参赛队之间互派裁判，以体现比赛的公平性。比赛期间，由技术委员会指定一名非常熟悉规则、并有国际比赛仲裁经验的老师或学生作为裁判长，负责比赛期间裁判工作的监督和指导。在每一轮次比赛结束后，裁判长都会召集所有领队和裁判开会，总结上一轮比赛裁判工作中的问题，强调后续比赛裁判工作需要注意的重点、难点。这样的裁判选用和培养机制，既保证了比赛裁判工作的顺利进行，又使参赛队更清晰地理解了规则。

4.比赛设施

中型组比赛场地是RoboCup所有比赛项目中占地面积最大的，同时对场地质量要求也是比较高的。为了保证比赛期间场地正常使用，中型组技术委员会在每次大赛前都会派专人赴比赛场馆实地察看，提前与组委会场地搭建厂商对接，提出场地使用意见，明确场地搭建方法。

中型组场地搭建主要有以下几个注意事项：

第一，场地上不能有阳光直射，否则会对机器人视觉系统产生干扰，影响比赛；

第二，地毯铺设要牢固可靠，用胶水全部粘贴在附着物上，避免比赛中机器人剧烈摩擦引起破损；

第三，球门要坚固可靠，能承受比赛过程中机器人的剧烈撞击；

图3 2013年中国公开赛中型组场地

图4 2013年中国公开赛中型组使用的球门（未安装球网）

第四，安全边界要具有有效的缓冲效果，能减少机器人撞击引起的意外损伤。

另外，对比赛裁判席设置、参赛队准备区设置、场地及准备区电力供应等，都有具体的要求。

为了保障比赛顺利进行，中型组技术委员会专门购置了高品质的无线路由器、集线器、六类网线、光强仪、激光测距仪等专业器材，用于比赛期间的网络通信、场地测量等工作。目前，中型组技术委员会已经形成一套完整、成熟的中型组场地搭建方案，从场馆面积需求、灯光照明条件，到场地铺设方法、比赛器材需求、现场无线信号管制等，都有明确的技术要求文档。利用这些规范化的文档向场地搭建厂商提出详细要求，并按照文档要求验收，这很好地保障了比赛的顺利进行。

从2008年至今的各次比赛中，中型组机器人比赛未发生较严重的、由于比赛场地设施损坏而影响比赛正常进行的情况，是RoboCup大赛各个项目中场地保障条件最好、管理最规范的比赛项目之一。

5.问题与展望

回顾中国RoboCup中型组五年以来的发展历程，参赛队的竞赛水平得到了很大提高，比赛激烈程度不断增加，比赛组织工作日趋完善，这些成绩与技术委员会的辛勤工作和参赛队的大力支持都是分不开的。

但是，与国际RoboCup中型组一样，中国中型组发展也面临一些问题和困难，主要体现在以下三方面：

第一，中型组机器人设备造价、项目维持、参赛费用昂贵，这在一定程度上造成参赛队数量减少。除了机器人采购或者研发需要投入大量资金外，每年参加国内、国际比赛都需要有经费保障，出国比赛的差旅、注册费、食宿、机器人托运、器材准备等费用约需人民币20万元左右。另外，机器人平台的使用周期在4-5年，项目维持也要消耗大量的人力、物力、财力。资金因素是学校或研究机构能否长期开展中型组机器人相关研究、持续参加国内外比赛的重要原因。

第二，中型组项目提供的科学挑战不足，需要寻找新的突破口。在2009年以前，中型组国际技术委员会利用规则引导，逐步实施了扩大比赛场地、取消球门颜色、改变比赛用球颜色等措施，有效地推动了机器人视觉系统和图像处理算法的发展。2009年以后，比赛规则加强了机器人配合之间的要求，要求实现动态对抗环境下的传接球配合，推动了多机器人协同、动态任务分配等方面的研究。但是，近两年以来，能够推动中型组项目研究的挑战性研究内容不多，随着任意球识别技术挑战的中断，中型组暂时没有很显著的技术突破点，利用中型组平台开展研究的高水平学术论文数量偏少。

第三，商业机器人平台对比赛的影响比较明显。为了解决机器人硬件平台问题，很多参赛学校采购商业公司成熟的产品，与之配套的还有达到一定水平的完整比赛程序，可以直接参赛。自2005年以来，不止一次出现过买来机器人直接比赛，拿了很好的名次后就退出中型组比赛的情况。这种事情的发生，违背了中型组项目设置的初衷，干扰了比赛健康有序的发展。技术委员会为了应对这种情况，在规则中对参赛人员类别、厂商服务形式等都作了很多详细的要求，但仍然无法避免类似情况发生。

目前，国际中型组技术委员会已经发布了今后五年的发展路线图，该路线图明确表示，中型组下一步的发展方向集中在利用规则引导，确定中型组下一步发展的主要研究领域，吸引更多的参赛队参加中型组比赛。另外，在强调机器人之间配合、继续推进使用任意足球比赛、进一步降低通信带宽、限制机器人使用功能过强的带球机构、限制机器人可以使用的总能量、三维空间下球的检测、在户外或不平整地面比赛等方面，都明确提出了分阶段实施规划。

中国中型组技术委员会在比赛规则上将继续紧跟国际比赛规则，并通过赛事规则更好地促进和规范中型组发展。未来赛事规则修订的重点在于：解决好商业成熟机器人平台对比赛的影响问题，力争用1-2年的时间，建立参赛队分类机制，保证自主研发的参赛队能在比赛中更充分地展现自己的研究水平。相关的实施方法正在酝酿和制定过程中，条件成熟时会尽早公布实施。

6.小结

中国中型组技术委员会作为RoboCup中国公开赛中型组机器人比赛的组织、实施责任机构，其工作职责就是做好中型组比赛的相关组织工作，并引导和规范中型组项目的健康发展，促进中型组机器人相关领域的研究。

同时，中国中型组技术委员会将进一步加强与国际中型组技术委员会的交流与合作，紧跟国际比赛发展方向，为中型组参赛队提供更好的比赛条件，促进参赛队之间的技术交流，保持中国RoboCup中型组机器人比赛可持续、健康、高水平的发展。

[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]国防科技大学NuBot 机器人足球队. http://www.nubot.com.cn.

[7]北京信息科技大学Water机器人足球队. http://jdgcxy.bistu.edu.cn/robocup/index_robocup.asp.

[8]北京理工大学RoBit机器人足球队.http://ai.bitss.com.cn.

[9]2013RoboCup中国公开赛中型组成绩公布. http://rccnc.ustc.edu.cn/zh/index.php/Results_of_MiddleSize_in_RCO13.