【學(xué)以精工】“明察秋毫”的北理工“小門神”
——GrC最優(yōu)論文助力北理工機(jī)器人足球隊(duì)勇奪全國冠軍
發(fā)布日期：2014-04-01 供稿：軟件科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地 攝影：軟件科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地
編輯：新聞中心 王征 閱讀次數(shù)：
談到北理工的足球,，師生們津津樂道于學(xué)校足球隊(duì)的馳騁奪冠,，代表中國出征更是一展北理工學(xué)子的風(fēng)采。殊不知,，在北京理工大學(xué)的校園中還有一只足球冠軍隊(duì),，而全國總冠軍的它們展示的則是北理工學(xué)子卓越的創(chuàng)新精神和科研能力，這就是在2013年中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽上首次斬獲全國冠軍的北京理工大學(xué)機(jī)器人足球隊(duì),。
在這支總冠軍球隊(duì)中,，除了“能搶善射”的“前鋒”和“后衛(wèi)”們，出奇制勝的法寶當(dāng)屬其中“一夫當(dāng)關(guān) 萬夫莫開”的北理工的“小門神”,，它憑借超強(qiáng)的“守門意識(shí)”和敏銳的“洞察力”,，在比賽中“左撲右擋”，成為奪冠的最大功臣,。
奪冠的“幕后英雄”——軟件學(xué)院科創(chuàng)基地的師生們可謂傾盡心血,，他們以足球?qū)?zhàn)為實(shí)際應(yīng)用背景，圍繞球場對戰(zhàn)形勢變化快,、防守難度大的實(shí)際問題,，提出了守門員區(qū)域劃分防守策略以及三維視覺模型技術(shù)應(yīng)用的解決方案，正是創(chuàng)新的技術(shù)策略成為了奪冠“秘籍”,，基于此項(xiàng)創(chuàng)新,，軟件科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地的馬辰,、閆梓禎、梁宇,、申宇,、徐杰,、齊冀,、楊一川、高黎明,、張博偉,、金科等同學(xué)撰寫了題為《Defensive Strategy of the Goalkeeper Based on the 3D Vision and Field Division for the Middle-size League of RoboCup》的學(xué)術(shù)論文，在2013年12月第九屆IEEE國際粒計(jì)算學(xué)術(shù)會(huì)議（IEEE GrC2013）上獲得了大會(huì)唯一的最優(yōu)論文獎(jiǎng)（Best Paper Award）,。
機(jī)器人世界杯（RoboCup）不僅僅是一項(xiàng)競賽活動(dòng),，其意義更加深遠(yuǎn)，是以多智能體系統(tǒng)（Multi-Agent System）和分布式人工智能（Distributed Artificial Intelligence）為主要研究背景的國際合作項(xiàng)目,，該項(xiàng)目的最終目標(biāo)是：到2050年,，開發(fā)完全自主仿人機(jī)器人隊(duì)，能贏得人類足球世界冠軍隊(duì),。
機(jī)器人世界杯系列活動(dòng)1997年首次舉辦,，現(xiàn)已成為世界上規(guī)模最大、參與人數(shù)最多,、學(xué)術(shù)成分最高的機(jī)器人賽事,，為了真正實(shí)現(xiàn)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的競爭，機(jī)器人足球隊(duì)要在智能體自主設(shè)計(jì),、多智能體協(xié)作,、策略獲取、實(shí)時(shí)推理,、機(jī)器人和傳感器融合等多方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)融合,。在機(jī)器人足球系列賽事中，全分布式和全自主的RoboCup中型組足球機(jī)器人是最理想的多智能體協(xié)同測試平臺(tái),，它能夠通過視覺系統(tǒng)與無線通信實(shí)時(shí)獲得信息,，實(shí)時(shí)地對賽場情況進(jìn)行分析、自主進(jìn)行戰(zhàn)場形勢判斷,、自主調(diào)整球隊(duì)內(nèi)部配合,、指揮機(jī)器人完成相關(guān)攻擊或防守動(dòng)作。因此中型組是機(jī)器人世界杯中學(xué)術(shù)含量最高,、最具影響力與觀賞性的比賽項(xiàng)目,。
中型組足球機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)非常靈活，運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)15米/秒,，踢球兇狠,，球速可達(dá)6米/秒,，還可以實(shí)現(xiàn)推射、挑射等多種射門方式,，瞬息萬變的場上形勢,，極難進(jìn)行有效的防守。因此,，作為最后一道防線的守門員機(jī)器人就成為了比賽勝負(fù)的關(guān)鍵,。守門員機(jī)器人通過攝像頭獲取場上信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)來球方向后,，由中央處理系統(tǒng)控制底部全向移動(dòng)系統(tǒng)及伸縮臂防守系統(tǒng),，阻止進(jìn)球。傳統(tǒng)的守門員防守方法主要有兩種,，一種是國際普遍采用的定點(diǎn)站位加伸縮臂防守法,，此種方法對高空球攔截成功率較高，但面對高速球卻無能為力,，另外一種是國內(nèi)球隊(duì)普遍采用的主動(dòng)出擊封堵的防守策略,，此種方法可以提前封堵射門角度，成功阻擋高速球,，但是卻無法攔截角度刁鉆的吊射,。
正式基于對傳統(tǒng)守門員機(jī)器人防守方法的分析研究，北理工機(jī)器人足球隊(duì)經(jīng)過探索,，提出了守門員區(qū)域劃分防守策略及三維視覺模型技術(shù)相結(jié)合的防守方案,。區(qū)域劃分防守策略可以使守門員面對任何角度的射門都能采用合理的站位，以獲得最大防守面積,，移動(dòng)最短的距離攔截射門,，而三維視覺模型技術(shù)則能夠?qū)崟r(shí)擬合高空球的飛行軌跡，準(zhǔn)確預(yù)判其落點(diǎn),。兩種技術(shù)的結(jié)合形成了全方位,、立體化的防守體系，對目前出現(xiàn)的所有射門類型都可以有效阻擋,，實(shí)現(xiàn)了對高速球和高空球的兼顧防守,，無論是極快的推射，還是高空下墜球,，都能較好地進(jìn)行攔截,，極大的提高了守門員機(jī)器的防守能力。
區(qū)域劃分防守策略
根據(jù)對球門威脅的不同,，和足球比賽的規(guī)則,，可以將球場劃分多個(gè)區(qū)域。場地劃分主要是根據(jù)球所在的位置進(jìn)行的,。而場地的分塊線,，主要是根據(jù)球的射門角作為主要依據(jù)的,。如圖1所示，假設(shè)P點(diǎn)和p1點(diǎn)為門前任意一點(diǎn),。當(dāng)a=b時(shí),，P點(diǎn)和P1對門的威脅程度相同。
圖1
機(jī)器人足球比賽場地可以分為7個(gè)區(qū)域,，如圖2所示,。其中，區(qū)域0為球門區(qū),，區(qū)域1和區(qū)域3為低危險(xiǎn)區(qū),，區(qū)域2為大禁區(qū)，區(qū)域4和區(qū)域5為次危險(xiǎn)區(qū),，區(qū)域6為危險(xiǎn)區(qū)。區(qū)域7為安全區(qū),。
圖2
區(qū)域0為球門區(qū),，當(dāng)球進(jìn)入球門區(qū)時(shí)，守門員主動(dòng)上前拼搶足球,，并踢出足球,。區(qū)域1和區(qū)域3為低危險(xiǎn)區(qū)，所以守門員采用定點(diǎn)防守站位法站位,，即站在大禁區(qū)邊線上,，足以擋住射門角度。區(qū)域2為大禁區(qū),，這時(shí)射門角度達(dá)到了極大值,。根據(jù)對手的進(jìn)攻特點(diǎn)，可以選擇上前拼搶,、貼身防守或中角線最優(yōu)站位法防守,。中角線最優(yōu)站位法是指在射門角角平分線與足球到門線的中線兩者與門線的交點(diǎn)及門線所形成的的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)移動(dòng)防守的策略，移動(dòng)區(qū)域選取方法如圖3所示,。該策略能及時(shí)的根據(jù)球的位置,，調(diào)整自己的站位，達(dá)到一個(gè)最優(yōu)的防守位置,。區(qū)域4和區(qū)域5為次危險(xiǎn)區(qū),，在這個(gè)區(qū)域，對方球員的射門角度不大,，這時(shí)候采用中角線最優(yōu)站位法,。足球在區(qū)域6的時(shí)候，射門角度僅次于大禁區(qū),。足球在該區(qū)域時(shí),，雙方拼搶頻繁,，射門次數(shù)也很多，所以采用延長線法,。足球在區(qū)域7,，即為在對方半場，這時(shí)候我方球門是安全的,。所以守門員不需要任何移動(dòng),，站在球門中心點(diǎn)即可。
圖3 中角線防守策略示意圖
經(jīng)過對場地劃分之后,，守門員對球場上任意位置的來球都能做出最合理的移動(dòng)站位和最正確的處理行為,，降低了守門員防守的代價(jià)，提高了防守的成功率,。
三維視覺模型技術(shù)
中型組機(jī)器人足球比賽的對抗性極強(qiáng),，機(jī)器的移動(dòng)速度極快，因此對機(jī)器人的反應(yīng)能力有很大的要求,。對守門員來說,，其應(yīng)對的是對方的高速射門，所以球定位的速度及準(zhǔn)確度要求尤為嚴(yán)格,。但是限于機(jī)器搭載的計(jì)算機(jī)的處理能力,，難以達(dá)到這樣實(shí)時(shí)處理圖像的要求。為解決此問題我們提出了視覺自適應(yīng)系統(tǒng)的解決方案,。該系統(tǒng)以人為事先預(yù)定的知識(shí)為依據(jù),，然后由機(jī)器對環(huán)境逐步自學(xué)習(xí)、自適應(yīng),，表現(xiàn)為越來越準(zhǔn)確的識(shí)別效果,。同時(shí)為了降低所需要處理數(shù)據(jù)的空間復(fù)雜度，視覺系統(tǒng)將原有的全局搜索變?yōu)榫植扛?，使用粒子濾波算法,，建立物體特征的離散模型，并增加中值濾波來對所記錄的物體特征進(jìn)行更新以達(dá)到對物體的特征跟蹤和學(xué)習(xí)的同步,。同時(shí)處理的數(shù)據(jù)也由原本的圖像矩陣,，減少為100到200的特征點(diǎn)的權(quán)值和坐標(biāo)分布。最后再輔助以霍夫變換等圖像處理方法,，實(shí)現(xiàn)對球,、障礙物、場線的快速識(shí)別,，使機(jī)器可以實(shí)時(shí)掌握賽場信息,。該系統(tǒng)識(shí)別效果如圖4所示。
圖4 中型組機(jī)器人普遍采用全景反射鏡頭來獲取球場的全向信息,。但是該種鏡頭會(huì)受到其高度的限制,，高過反射鏡的圖像無法獲取,，因此守門員機(jī)器對比賽中常常出現(xiàn)的遠(yuǎn)距離吊射無法應(yīng)對。因此,，論文提出引入雙目視覺對球場進(jìn)行三維建模,，基于視差原理，通過相機(jī)標(biāo)定,、顏色分割,、物體識(shí)別、三位測距四個(gè)步驟的處理,，機(jī)器人即可以獲得3D圖像,。北理工機(jī)器人足球隊(duì)使用的是兩個(gè)廣角120度攝像頭，采用廣角鏡頭是為了增加機(jī)器的可視范圍以及降低成本,，但是所得到的圖像畸變嚴(yán)重,。因此后期采用算法進(jìn)行了矯正處理，效果如圖5及圖6所示,。經(jīng)處理得到3D圖像后,，我們可以獲取高空球飛行的4到5幀的圖像，并能得到每幀圖像中足球的坐標(biāo)信息,，利用曲線擬合我們即能預(yù)判出足球的飛行軌跡，從而得到足球的落點(diǎn)位置,，擬合結(jié)果如圖7所示,。
圖5（左為校正前，右為校正后）
圖6（作為校正前圖像信息,，右為校正后圖像信息）
圖7
經(jīng)過在訓(xùn)練場地測試,，以及在比賽實(shí)戰(zhàn)中檢驗(yàn)，守門員機(jī)器可以在防守中采取準(zhǔn)確的站位,，移動(dòng)最短的距離獲得最大的防守面積,，同時(shí)對高空球也可以準(zhǔn)確判斷方向和落點(diǎn)，提前移動(dòng)阻擋來球,。
采用了區(qū)域劃分防守策略以及三維視覺模型技術(shù)以后,，北理工機(jī)器人足球隊(duì)的守門員機(jī)器人比以前更加靈活，提高了對足球位置的識(shí)別率,，增加對高空球落點(diǎn)預(yù)判的能力,，在測試場地上，可以攔截進(jìn)攻隊(duì)員在球場任何位置上的多種類型的全部射門,。在與世界冠軍Water隊(duì)的較量中,，全場比賽Water隊(duì)射正球門20次，但北理工機(jī)器人足球隊(duì)僅丟一球,，成功率高達(dá)95%,。參考球隊(duì)在國際和國內(nèi)賽場的表現(xiàn),，該方案是世界上較優(yōu)的守門員防守策略之一。目前該套策略正逐漸被國內(nèi)多支球隊(duì)直接采用,，同時(shí)也被國外的球隊(duì)學(xué)習(xí),、參考。
北京理工大學(xué)機(jī)器人足球隊(duì)（Robit隊(duì)）成立于2011年5月,，團(tuán)隊(duì)由來自軟件學(xué)院,、宇航學(xué)院、機(jī)電學(xué)院,、信息與電子學(xué)院,、自動(dòng)化學(xué)院、設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院的的22名同學(xué)組成,。團(tuán)隊(duì)以參加機(jī)器人足球中型組比賽為契機(jī),，致力于在人工智能領(lǐng)域做出成績，研究方向涵蓋硬件設(shè)備設(shè)計(jì)與制造,、自動(dòng)控制,、機(jī)器視覺、多智能體協(xié)同等,。球隊(duì)曾獲2011年中國機(jī)器人大賽暨RoboCup中國公開賽機(jī)器人足球中型組項(xiàng)目季軍（一等獎(jiǎng)）,，技術(shù)挑戰(zhàn)賽（規(guī)定項(xiàng)目）二等獎(jiǎng)，技術(shù)挑戰(zhàn)賽（自選項(xiàng)目）二等獎(jiǎng),；2013年RoboCup機(jī)器人世界杯取得機(jī)器人足球中型組項(xiàng)目第四名,；2013年中國機(jī)器人大賽暨RoboCup中國公開賽機(jī)器人足球中型組項(xiàng)目冠軍（一等獎(jiǎng)），技術(shù)挑戰(zhàn)賽（規(guī)定項(xiàng)目）亞軍（一等獎(jiǎng)）,，技術(shù)挑戰(zhàn)賽（自選項(xiàng)目）亞軍（一等獎(jiǎng)）,。兩年來，團(tuán)隊(duì)發(fā)表學(xué)術(shù)論文六篇,，申報(bào)國家專利1項(xiàng),。
備注：球隊(duì)長期歡迎全校各專業(yè)優(yōu)秀學(xué)生加盟，有意者可聯(lián)系球隊(duì)現(xiàn)役隊(duì)長徐杰（[email protected]）,，球隊(duì)網(wǎng)站鏈接：http://ai.bitss.com.cn/,。
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