建设中型组机器人足球MOORE教学环境的探索与实践

肖军浩+徐明+卢惠民+徐晓红

摘 要：为适应军队信息化建设对新型复合型人才培养提出的创新能力的需求，国防科学技术大学依托机器人技术创新实践基地的优势，建设了以中型组足球机器人竞赛为主体的MOORE教学环境。该平台面向全校各专业研究生开放，借助自主研制的多机器人系统和仿真环境，支持研究生进行线上线下合作研究、协同创新，开展中型组足球机器人技术相关的工程实践和理论研究，从而全面提升研究生的团队协作精神、科技创新能力以及工程实践能力。参与MOORE活动的研究生，综合素质得到了大幅提高，赴国内外不同国家和地区参加机器人世界杯国际赛和中国公开赛等学科竞赛并取得了优异成绩。

关键词：足球机器人 MOOC MOORE 协同创新

中图分类号：TP242.3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）09（b）-0010-04

大规模网络在线课程（Massive Open Online Course，MOOC）作为一种新的教育形式，近几年来席卷了全球，促进了优质教学资源共享。然而，MOOC对于研究生学员进行协同创新的支持不足，为了应对这个挑战，国防科学技术大学校长杨学军院士针对研究生创新能力培养提出了大规模在线研究（Massive Open Online REsearch，MOORE）的教育形式。依托学校机器人技术创新实践基地，以机器人世界杯（RoboCup）中型组足球机器人为研究中心，探索和实践了MOORE形式下的研究生培养，并选派研究生学员赴国内外参加RoboCup国际赛和中国公开赛对创新能力进行了检验。事实证明，MOORE有助于促进专业教学建设和提高人才培养质量。

1 从MOOC到MOORE

大规模网络在线课程（Massive Open Online Course，MOOC）是最近几年席卷全球的一种全新的教育资源共享模式和开放教育形式，促进了互联网时代教学模式的改革和教学理念的创新，具有关联学习、大规模教学、翻转课堂和协同评价的特点。因此，国内外一流大学都陆续提倡并开设了MOOC课程[1]。MOOC可以使比以往任何时代更多的人跨越时空的限制享受优质教育资源。MOOC课程大都是世界一流大学开设，保证了MOOC的教育质量。MOOC允许学习者根据自身的基础和兴趣进行一系列个性化教育，充分发挥学习者自身的主观能动性。毋庸置疑，MOOC的教育模式已经得到了教育界的普遍认可并在教育领域占据了一席之地。

然而，针对研究型人才培养，MOOC还面临着诸多挑战。首先，MOOC不能解决实践教学的问题。在线视频只能“学到”，而只有实践才能“学会”，但现在MOOC对于实践教学的支撑力不够。其次，MOOC难以形成正式稳定的协作交流。MOOC学习者之间的协作交流是一个自发的、动态的、具有很强不确定性的发展过程。再次，MOOC難以支撑线下的协作创新，MOOC的学习者来自世界各地，难以组织线下的交流和协作，而协作创新能力是研究生培养的一个重要方面。最后，MOOC的学习效果过度依赖于学习者自身的基础，有的学习者虽然投入了大量时间和精力，但由于缺乏必要的面授指导和学习支持，往往只是处于外围，流于表面、浅尝辄止的了解，难以实现深度学习和知识体系的构建。

为了应对上述挑战，针对研究生课题研究和创新能力培养，国防科学技术大学校长杨学军院士首次提出了大规模在线研究（Massive Open Online REsearch，简称MOORE）的教学模式[2]。希望通过线上“头脑风暴”，加强科研人员间的学术讨论和思想碰撞，强化学科交叉研究。与MOOC相比，MOORE更加注重建立稳定的线上交流，并基于此进行在线协同创新。

2 RoboCup中型组足球机器人

机器人足球是由加拿大大不列颠哥伦比亚大学教授Alan Mackworth在1992年首次提出的，其主要目的是通过提供一个标准的比赛平台，促进分布式人工智能和智能机器人技术的研究与发展[3]。这一想法在1997年经机器人世界杯（RoboCup）实现[4]，发展到今天，已经是国际上级别最高、规模最大、影响最广泛的机器人赛事。该比赛的里程碑目标是在2050年组建一支由机器人组成的足球队，打败当时的人类足球冠军。RoboCup中国公开赛是RoboCup全球五大分站赛事之一，由中国自动化学会主办，教育部高等学校自动化类专业教学指导委员会协办，是国内最具影响力、规模最大、水平最高的专业性机器人学术竞赛，到2016年已经连续举办了18届[5]。

中型组是RoboCup比赛中非常重要的一个比赛项目[6]。该项目要求双方各5个全自主的机器人在类似于人类足球场地的环境下，使用指定颜色的标准足球进行比赛。这对机器人的运动性能、环境理解、实时通信、协同配合等方面都提出了很高的要求。因此，RoboCup中型组足球机器人是一个典型的多学科交叉领域，涉及到机械设计、计算机视觉、机器人运动控制、路径规划、多机器人任务分配和协作控制等一系列研究方向，非常适合培养和提高研究生以及高年级本科生的工程实践能力和理论创新能力，特别是能锻炼学生从系统的角度思考问题。

从团队构成来看，研制和维护一个中型组多机器人系统需要不同领域、不同专业的学生组成团队，因此能够培养学生的团队协作能力。RoboCup中型组吸引了来自世界各地的众多高校和研究机构的积极参与，如国外的意大利米兰理工大学，荷兰爱因霍温科技大学，奥地利格拉茨理工大学，德国斯图加特大学、图宾根大学和卡塞尔大学，葡萄牙的阿威罗大学，日本大阪大学、庆应义塾大学和九州工业大学等，国内的上海交通大学、国防科学技术大学、华南理工大学、上海大学、北京信息科技大学、北京理工大学、北京工业大学、湖南大学等均先后参加过该赛事。经过多年的发展，国际上中型组机器人研究和竞赛水平比较高的研究团队主要分布在荷兰、中国、葡萄牙、德国、伊朗、日本等国。

3 中型组机器人足球MOORE教学环境建设

为贯彻党在新形势下的强军目标，加快创新人才培养和交叉学科思想碰撞，国防科学技术大学建设了第一批MOORE教学环境建设试点，包括机器人足球、无人机、机器人操作系统3个研究领域。下面介绍依托学校机器人技术创新实践基地构建的中型组机器人足球MOORE教学环境，平台通过开放式的机器人技术研究环境开展机器人足球领域前沿课题的合作研究与学术交流，实现线上协作完成理论研究、机器人软件开发及算法设计，依托所构建的仿真环境完成仿真实验，线下在机器人技术创新基地完成实际系统的实验研究。

3.1 机器人技术创新实践基地提供条件保障

中型组机器人足球MOORE教学环境建设依托于国防科学技术大学机器人创新实践基地（以下简称创新实践基地），创新实践基地于2002年由学校专项建设，是学校重要的课外创新实践活动场所[7]。经过多年实践，创新实践基地已经探索出了适应创新人才培养的教学体系和管理机制。目前，创新实践基地以控制学科、计算机学科、机械工程学科和仪器科学与技术学科教授为带头人，以教学经验丰富、工程实践能力强的中青年教师为指导主力，以管理能力突出的专职教师为组织管理和运行负责人，依托创新实践基地建设的机器人足球MOORE教学环境面向全校研究生开放，鼓励、吸纳一部分学有余力又有兴趣的研究生针对机器人足球做一些研究探索性研究。此外，提供多媒体研讨室，用于保障研究生进行头脑风暴。如有需求，研究生可以通过开源社区或其他方式和指导教师预约，进行面对面交流。

3.2 自主研制机器人软硬件平台和仿真环境

国防科技大学机器人足球研究小组为中型组机器人足球MOORE教学环境提供自主研制的机器人软硬件平台和仿真环境。其中，普通球员机器人的机械结构主要包括由控球机构、击球机构、移动平台和主体框架4个部分构成，搭载全向视觉系统、前向摄像头、深度摄像头等传感器，并携带机载计算机用于传感器信息处理、自主决策以及机器人控制，如图1所示。守门员机器人在机械结构和传感器配置上与普通机器人略有不同，完整的机器人球队包括4台普通球员机器人，如图1所示。

机器人的软件基于机器人操作系统（ROS）[8]构建，ROS是一系列运行在计算机操作系统上的软件工具集，其核心功能是提供一种软件点对点通信机制，可用于灵活高效地组织机器人软件系统。ROS支持多种编程语言，支持跨平台分布式计算。基于ROS构建机器人软件系统，可大大提高软件的模块化程度和代码可重用性。此外，由于ROS的开源，ROS社区有大量的机器人软件模块可供借鉴使用，涵盖了硬件驱动、模拟仿真、运动规划、运动控制、环境感知等各个方面，可让研究人员在构建机器人软件系统时避免大量的重复性工作，极大地提高研发效率。引导研究生学员熟练掌握ROS的使用，对提高研究生学员的科技创新能力和对外国际学术交流水平具有重要意义。

构建了基于Gazebo的足球机器人仿真系统[9]，并已将代码开源，获得了国际同行的高度认可。因为多机器人系统的实验相对复杂，仿真环境可用于多机器人协同控制算法的快速验证和性能测试，从而缩短软件的开发周期。算法通过测试后可以到线下创新实践基地进行实际机器人系统的测试。此外，仿真系统可支持双方多机器人系统动态对抗比赛，用于更好地评判机器人协同控制算法的优劣，如图2所示。

3.3 自编教材并录制MOOC课程

为了服务中型组机器人足球MOORE教学环境，机器人技术创新实践基地组织指导教师团队自编了教材《ROS与中型组足球机器人》[10]并制作了配套的MOOC课程。教材涵盖了机械结构设计、平台与底层控制、环境感知、规划与控制、多机器人协同等中型组足球机器人研究中涉及到的主要领域，全面总结了国防科技大学机器人足球研究小组十余年来的研究成果。课程围绕机器人足球系统及关键技术、ROS在机器人足球中的应用等核心问题安排内容，为有志于基于MOORE教学环境开展前沿课题合作研究与学术交流的研究生学员提供一个典型的学习案例。

3.4 依托“Trustie”在线协作平台创建开源社区

Trustie是一个面向高校创新实践的在线协作平台，中文简称“确实”[11]。依托Trustie创建了服务于机器人足球MOORE教学环境的开源社区，将基于ROS的机器人软件和基于Gazebo的仿真系统在社区进行开源共享。加入开源社区后，研究生学员可以进行在线研讨、协同开发和社区协作等活动，指导教师可以在开源社区进行答疑并进行学生提交代码的评测。此举为机器人足球MOORE教学环境实现了“教师主导、学生主动”的社区型学习、实践和创新活动。

3.5 以竞赛检验学员创新实践能力

将RoboCup国际赛和中国公开赛作为最终展示研究生学员创新实践能力的舞台，其中RoboCup中国公开赛由自动化学会主办，教育部高等学校自动化类专业教学指导委员会协办，在每年的4月份举行；RoboCup国际赛由RoboCup理事会主办，由全世界不同国家和地区的高校和研究机构轮流承辦，在每年的6～7月份之间举行；根据指导教师打分、学员互评等综合评价学员在团队创新中所作的贡献，选择一批学员参加中国公开赛和国际赛。

4 MOORE教学环境建设的成果与效益

机器人足球MOORE教学环境经过两年的建设，培养了一批专业拔尖人才，促进了教学建设。吸引了一批研究生学员进行前沿研究，发表和录用学术论文16篇，其中SCI收录5篇， EI收录11篇。将研究成果应用于中型组足球机器人，并携带机器人赴国内外参加RoboCup国际赛和中国公开赛，取得了如下优异成绩：赴德国莱比锡参加2016年机器人世界杯国际赛，进入中型组4强，获得科学挑战赛季军；赴合肥参加2016机器人世界杯中国公开赛，获中型组季军和科学挑战赛冠军；赴合肥参加2015机器人世界杯国际赛，进入中型组6强，获得技术挑战赛亚军，科学挑战赛季军；参加2014年中国机器人大赛暨RoboCup中国公开赛获得中型组季军和技术挑战赛冠军。

5 结语

MOORE是针对研究生协同创新能力培养的一种新的模式，RoboCup中型组足球机器人是一个典型的多学科交叉领域，机器人技术创新实践基地是专业创新人才培养的重要场所，Trustie是一个面向高校创新实践的在线协作平台。国防科学技术大学将以上四者有机统一到一起，依托机器人技术创新实践基地，以RoboCup中型组足球机器人研究为中心，借助Trustie在线协作平台这个有力工具，建设了MOORE教学环境试点，探索并实践了MOORE模式下的研究生培养。经过两年的建设，培养了一批优秀人才，全面促进了教学建设，完善了高素质创新型人才培养的线上线下联动教学体系。

参考文献

[1] 陈肖庚，王顶明.MOOC的发展历程与主要特征分析[J].现代教育技术，2013（11）：5-10.

[2] 杨学军，王怀民，周刚.关于推进学习型军队建设的思考——从MOOC看我军军事职业素质教育[J].高等教育研究学报， 2013，36（4）：4-6.

[3] Mackworth AK. On Seeing Robots[J].Computer Vision：Systems， Theory， and Applications，1993，14（1）：3-4.

[4] Kitano H， Asada M， Kuniyoshi Y， et al. Robocup： The robot world cup initiative[C]//international conference on Autonomous agents.1997.

[5] 陈小平.第19届RoboCup收获和启发[J].机器人技术与应用，2015（4）：15-19.

[6] 刘斐.中国RoboCup中型组近五年发展回顾与展望[J].机器人技术与应用，2013（6）：4-7.

[7] 徐晓红，郑志强，卢惠民.构建机器人技术创新实践基地的探索与实践[J].实验室研究与探索，2015，34（3）：185-189.

[8] Xiong Dan， Xiao Junhao， Lu Huimin， et al.The design of an intelligent soccer-playing robot[J].Industrial Robot，2016，43（1）：91-102.

[9] Yao Weijia， Dai Wei， Xiao Junhao， et al. A simulation system based on ros and gazebo for robocup middle size league[C]//IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics（ROBIO）.2015.

[10] 盧惠民，肖军浩，郑志强.ROS与中型组足球机器人[M].北京：国防工业出版社，2016.

[11] 毛新军，尹刚，王怀民.软件工程系列课程实践教学平台Trustie[J].计算机教育，2014（23）：53-56.