////
//

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:

  1. Humanoid Soccer. Играют команды человекоподобных роботов.
  2. Middle Size Soccer. Футбол колёсных роботов.
  3. Simulation Soccer. Симуляционная лига.
  4. Small Size Soccer. Футбол колёсных роботов малого размера.
  5. 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:

  1. Robot league — соревнования «реальных» роботов-спасателей;
  2. 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.