Обзор соревнований робототехников: RoboCup (футбол роботов)
|Как вы относитесь к футболу? А знаете ли вы, что в 2050 году прогнозируется победа команды антропоморфных роботов над командой людей-чемпионов по правилам FIFA?
По крайней мере, именно такая цель – победить людей в настоящем футболе – заявлена создателями RoboCup. Конечно, пока это всего лишь цель, но робофутбол проводится каждый год с 1993 года. И если на первых соревнованиях не все роботы находили мяч, то сегодня RoboCup – это соревнования мирового масштаба, в котором принимают участие больше 40 стран. Лучшие университеты мира и мировые корпорации участвуют в Robot Soccer World Cup (полное название чемпионата RoboCup).
RoboCup – это международный научный и культурный проект по продвижению искусственного интеллекта, робототехники и других связанных областей науки и техники.
И это не только футбол роботов. В рамках RoboCup проводятся соревнования роботов-спасателей, соревнования роботов-помощников по дому и промышленных помощников, а также юношеские соревнования.
Соревнования разделены на две большие части:
— высшие лиги (RoboCup Major Leagues), в которых играют команды университетов;
— юношеские лиги (RoboCup Junior), в которых принимают участие школьные команды (возраст участников от 13 до 19 лет).
Сегодня в мире больше 250 команд высшей лиги, в том числе такие университеты, как Carnegie Mellon University, MIT, Harvard University, University of Pennsylvania. Есть и наши, российские — СПбГПУ и ТУСУР. Команд юниоров во всём мире насчитывается несколько тысяч.
Каждое соревнование разделено на несколько лиг.
Собственно футбол роботов, RoboCup Soccer. Это одно из самых зрелищных состязаний, главная исследовательская задача которых лежит в области взаимодействия нескольких роботов и многоагентных систем в динамических средах. Само собой, все роботы здесь полностью автономные.
Футбол роботов проводится в 5 лигах:
- Humanoid Soccer. Играют команды человекоподобных роботов.
- Middle Size Soccer. Футбол колёсных роботов.
- Simulation Soccer. Симуляционная лига.
- Small Size Soccer. Футбол колёсных роботов малого размера.
- Standard Platform Soccer. Футбол антропоморфных роботов NAO.
Подробнее – в таблице:
Лига | Суб лига | Описание | Размеры |
Humanoid Soccer (человекоподобные роботы) | KidSize | Матч проводится двумя командами, каждая из которых состоит не более чем из четырех игроков (2018 год), один из которых должен быть назначен вратарем. | Высота роботов 40-90 см. |
TeenSize | В матче участвуют две команды, каждая из которых состоит не более чем из трех человек игроки (2018 год), один из которых должен быть назначен вратарем. | Высота роботов 80-140 см. | |
AdultSize | В AdultSize команда состоит не более чем из двух человек. один игрок (2018), который берет на себя роль полевого игрока. | Высота роботов 130-180 см. | |
Middle Size Soccer (футбол колёсных роботов) | Команды из пяти полностью автономных роботов играют в футбол с обычным размером футбольного мяча FIFA. Команды могут свободно разрабатывать свое собственное оборудование, но все датчики должны быть на борту, и есть максимальный размер и вес для роботов. Основное внимание в исследовании уделяется проектированию мехатроники, управлению и многоагентному сотрудничеству на уровне плана и восприятия. | Минимальный размер робота 30 х 30 см, максимальный — 52 х 52 см. Минимальная высота робота 40 см, максимальная — 80 см. Максимальный вес робота — 40 кг. | |
Simulation Soccer (симуляционная лига) | 2D | В 2D-симуляционной Лиге две команды из одиннадцати автономных программ (называемых агентами) играют в футбол на двухмерном виртуальном футбольном стадионе, представленном центральным сервером, называемым SoccerServer. Этот сервер знает все об игре, т. е. текущее положение всех игроков и мяча, физику и т.д. Игра основывается на коммуникации между сервером и каждым агентом. С одной стороны, каждый игрок получает входные данные своих виртуальных датчиков (визуальных, акустических и физических), а с другой стороны, может выполнять некоторые основные команды (например, бросок, поворот или удар ногой), чтобы влиять на свою среду. | — |
3D | 3D-моделирование повышает реалистичность моделируемой среды, добавляя дополнительное измерение и более сложную физику. Изначально единственной доступной моделью робота был сферический агент. В 2006 году была выпущена простая модель гуманоидного робота Fujitsu HOAP-2, что изменило цель конкурса 3D-моделирования с разработки стратегических моделей поведения в игре в футбол на контроль гуманоидных роботов и создание основных моделей поведения, таких как ходьба, пинок, поворот и т.п., среди других роботов. | — | |
Small Size Soccer (футбол колёсных роботов малого размера) | В команде шесть роботов. Роботы играют в футбол с оранжевым мячом для гольфа на зеленом ковровом поле длиной 9 м и шириной 6 м. Все объекты на поле отслеживаются стандартизированной системой видения, которая обрабатывает данные, предоставляемые четырьмя камерами, расположенными на высоте 4 м над игровой поверхностью. Система видения, называемая SSL-Vision — это проект с открытым исходным кодом. Каждая команда использует компьютеры для обработки данных, необходимых для координации и управления роботами. Связь является беспроводной и использует специальные радиопередатчики / приемники. |
Робот должен помещаться в пределах круга диаметром 180 мм и быть не выше 15 см. | |
Standard Platform Soccer (футбол антропоморфных роботов NAO) | В команде до 5 роботов. Роботы играют полностью автономно, и каждый из них принимает решения отдельно от других, но они все равно должны играть в команде, используя коммуникации. Команды играют на зеленом поле с белыми линиями и столбами ворот, без каких-либо других ориентиров, а мяч состоит в реалистичном белом и черном футболе. Эти игровые характеристики генерируют очень сложный сценарий, который позволяет улучшать лигу с каждым годом. | — |
Соревнования роботов-спасателей RoboCup Rescue проводятся в двух лигах:
- Robot league — соревнования «реальных» роботов-спасателей;
- Rescue Simulation league — соревнования роботов-спасателей — симуляционная лига.
Цель соревнований роботов-спасателей – разработка и демонстрация возможностей роботов для повышения эффективности и безопасности работы аварийных служб. Команды роботов должны показать свои способности в сфере мобильности, сенсорного восприятия, картографирования, мобильных манипуляций, лучшие решения в области интерфейсов операторов, эффективности управления удалённым оператором и живучести самого робота при поиске имитируемых жертв в лабиринте.
RoboCup Rescue Robot league – это сложные соревнования, с множеством самых разных тестов.
С 2020 года максимальный вес робота-спасателя – 80 кг.
В этом соревновании выделяют несколько классов роботов – автономные, полуавтономные, телеуправляемые, а также малые роботы, обычные роботы, роботы, способные перевозить грузы и работающие вне помещений, а также летательные аппараты.
Цель симуляционной лиги RoboCup Rescue — разработка тренажёров, реалистично моделирующих разные явления чрезвычайных ситуаций, а также интеллектуальных агентов и роботов, которые участвуют в ликвидации последствий стихийных бедствий.
В RoboCup Rescue Simulation league выделяют два направления – имитация агента и виртуальный робот.
Соревнования роботов-помощников по дому RoboCup @Home.
Цель RoboCup@Home league — развитие сервисной и ассистивной робототехники для будущих персональных бытовых приложений. Это крупнейший международный ежегодный конкурс для автономных сервисных роботов.
Набор эталонных тестов используется для оценки способностей и производительности роботов в реалистичной нестандартизированной домашней обстановке. Основное внимание уделяется следующим областям, но не ограничивается ими: взаимодействие человека и робота, навигация и картографирование в динамических средах, компьютерное зрение и распознавание объектов в условиях естественного освещения, манипулирование объектами, адаптивное поведение, интеграция поведения, окружающий интеллект, стандартизация и системная интеграция.
В рамках этого соревнования существует специальная образовательная программа, которая занимается поддержкой новых команд.
Соревнование домашних роботов проводится в трёх лигах: Open Platform (открытая платформа), Domestic Standard Platform (используетcя стандартный робот Тойота HSR), Social Standart Platform (используется стандартная платформа Softbank Robotics Pepper).
Соревнования роботов в сфере производства (RoboCupIndustrial) – новое направление в соревнованиях RoboCup. Это соревнование проводится в двух лигах: RoboCup@Work и RoboCup Logistics League (RCLL) (логистика).
Соревнование RoboCup@Work направлено на стимулирование научных исследований и разработок, которые позволяют использовать инновационных мобильных роботов, оснащённых передовыми манипуляторами и датчиками для текущих и будущих промышленных применений, где роботы сотрудничают с людьми для решения сложных задач, начиная от производства, автоматизации и обработки деталей до общей логистики.
Соревнование RoboCup Logistics League вдохновлено идеей умной фабрики, в которой роботы автономно сотрудничают в извлечении сырья, транспортировке материалов, промежуточных продуктов и произведённых товаров, а также в управлении производством в моделируемой и динамичной заводской среде. Исследовательские области — мобильная навигация роботов, машинное обучение, семантический вычислительный интеллект, планирование задач и т.д.
Все лиги, о которых было написано выше, относятся к высшим, т.е. в них могут принимать участие команды университетов. Соответственно, возраст участников – старше 19 лет.
С 2019 года к участию в юниорских лигах чемпионата RoboCup допускаются школьники старше 13 лет (до 19 лет на 1 июля текущего года).
Юношеские соревнования RoboCup Junior проводятся в трёх лигах:
— футбол роботов (Soccer);
— соревнование роботов-спасателей (Rescue);
— на сцене (OnStage).
В соревнованиях по футболу соревнуются 2 команды, состоящие из двух автономных мобильных роботов. Ворота соперников отмечены цветовыми маркерами и расположены на специальном игровом поле, похожем на поле для «большого» футбола.
Используемые роботы должны быть полностью автономны, конструкция и программное обеспечение разработано их создателями. Для создания роботов могут быть использованы любые конструкторы или наборы, но конечная конструкция должна быть полностью оригинальной работой команды.
Роботы не должны быть окрашены ни в синий, ни в жёлтый цвета для устранения ошибок с определением ворот. Если части робота имеют окраску жёлтого или синего цветов, необходимо замаскировать эти детали нейтральными цветами.
Робот не должен производить любые виды ИК-излучения. Отражающие ИК-излучение материалы не должны использоваться в конструкции роботов и игровых полей. Если роботы окрашены, должна использоваться матовая краска.
Запрещено использовать любые виды дистанционного управления. Роботы должны запускаться вручную и далее действовать автономно.
Роботы не должны использовать никакие методы коммуникаций за исключением связи между роботами в команде по протоколам Bluetooth класс 2 или 3 или ZigBee. Команды самостоятельно обеспечивают связь между роботами.
Роботы должны быть сконструированы таким образом чтобы обеспечивать движение не только вдоль одной оси. Роботы должны иметь возможность движения в любом направлении, например путем поворотов. Роботы должны реагировать на мяч путем прямого движения вперед.
Например, недостаточно для защиты ворот просто двигаться влево и вправо вдоль линии ворот, необходимо двигаться вперед по направлению к движущемуся мячу. Как минимум один робот в команде должен иметь возможность перемещаться за мячом и достигать его в любой точке игрового поля, кроме случая, когда команда имеет на поле только одного робота.
Роботы должны быть сконструированы и запрограммированы таким образом чтобы не заезжать в зону ворот. Роботы могут использовать перекладину ворот для этого.
Соревнования в юниорской лиге по робо-футболу проводятся в двух суб лигах:
Суб лига | Описание | Размеры роботов | Номинальный вольтаж |
Soccer-Lightweight | Игроки используют электронный мяч с инфракрасным излучением. | Максимальный вес робота — 1,1 кг. Зона захвата мяча — до 3 см. | 12 V |
Soccer-Open | Игроки используют обычный мяч, выкрашенный в ярко-оранжевый цвет. | Максимальный вес робота — 2,4 кг. Зона захвата мяча — до 2,5 см. | 15 V |
В соревнованиях роботов-спасателей для юниоров роботы должны найти жертв стихийных бедствий в рамках воссозданных сценариев, варьирующихся по сложности от линейного следования по плоской поверхности до прохождения путей через препятствия на неровной местности.
Соревнования роботов-спасателей для юниоров проводятся в 3 суб лигах, есть также одна дополнительная суб лига для тех, кто хочет соревноваться с командами университетов.
Суб лига | Описание | Конструкция | Размеры |
Rescue Line (Линия) | Автономный робот должен следовать по чёрной линии, преодолевая различные препятствия на модульной арене, образованной плитками с различными узорами. Пол белого цвета, а плитка находится на разных уровнях, соединенных пандусами. | Любая платформа, но конструкция должна быть собственной, разработанной участниками команды. Допускается использование лазеров 1 и 2 класса. Связь по протоколам Bluetooth класс 2 или 3 или ZigBee. |
— |
Rescue Maze (Лабиринт) | Робот должен найти жертв ЧС в лабиринте. Задача робота — не скорость, он должен исследовать как можно большее пространство лабиринта. Робот получает очки за каждую найденную жертву и доставку спасательного набора близко к жертве. Робот должен избегать зон с чёрным полом. | Роботы могут использовать различные типы навигации по лабиринту. Использование заранее изготовленных карт запрещено. Запрещено использование датчиков, позволяющих роботы «видеть» сквозь стены. Допускается использование лазеров 1 и 2 класса. Роботы не могут использовать какой-либо вид связи во время игры, за исключением случаев, когда связь между двумя роботами осуществляется через Bluetooth класса 2 или класса 3 (диапазон короче 20 метров) или через ZigBee. |
Высота робота не должна превышать 30 см. |
Rescue Simulation (Моделирование спасения) | В Rescue Simulation команды суб-лиги должны разрабатывать и программировать соответствующие стратегии как для реальных, так и для виртуальных автономных роботов, чтобы перемещаться по реальным и виртуальным мирам, чтобы собирать объекты, конкурируя с роботом другой команды, который ищет и собирает объекты в тех же реальных и виртуальных мирах. | — | |
RoboCupRescue – Rapidly Manufactured Robot Challenge | RoboCupRescue-это научно-исследовательский конкурс, который поощряет студентов к разработке инновационных решений для открытых задач робототехники реагирования в области поиска и спасения, реагирования на опасные материалы, обезвреживания взрывоопасных предметов и тактической разведки. Соревнование фокусируется на проблемах роботов, работающих в замкнутых пространствах, и использует последние достижения в области недорогого быстрого прототипирования, электроники и датчиков для снижения барьера входа в робототехнические исследования. |
Нет ограничений на платформу. Но участников ориентируют на использование Open Academic Robot — недорогих конструкций роботов, которые печатают на 3D-принтере. Роботы могут быть автономными (без оператора) или дистанционно управляемыми. Операторы должны быть вне поля зрения арены и поэтому могут видеть только через датчики робота. |
до 30 см. |
Соревнования юниоров OnStage (На сцене) раньше назывались Танцы. Это творческое сценическое совместное представление роботов и людей. Это может быть танец, театральная постановка, рассказанная история и т.п.
Проводится это соревнование в двух суб лигах: для начинающих (OnStage-Preliminary) и для продолжающих (OnStage-Advance). Правила для суб лиг одинаковы, но для категории «начинающий» разрешается использовать линии и разметку на полу (движение по линии), в то время как для категории «продолжающий» эта технология запрещена.
Команды поощряются к творческому, необычному использованию технологий. Ограничений на размеры роботов нет, но команда должна быть в состоянии вынести робота на сцену самостоятельно.
Роботы должны быть автономными. Само собой, есть требования безопасности, в связи с чем не разрешено использование летающих роботов, сетевого электричества и ограничен вольтаж робота – 15 V. Интересно, кстати, что обязательно использование авторских прав – если команда собирается построить робота по образу известного персонажа, она должна получить разрешение от автора или владельца прав.
Итак, RoboCup – это серьёзное робототехническое соревнование. Оно считается одним из самых авторитетных в мире.
Российские команды впервые приняли участие в RoboCup в 1999 году. В 2004 году команда СПбГПУ заняла 1 место, в 2013 году её успех повторила команда ТУСУР (Томск), в 2015 году команда ТУСУР заняла 2 место.
В нашей стране проводятся региональные отборочные чемпионаты, и открытый Российский этап RoboCup – Russia Open. Победители российского этапа отправляются на международный чемпионат RoboCup.