摘要 大學(xué)生高水平的創(chuàng)新能力是建設(shè)創(chuàng)新型國家的人才和技術(shù)基礎(chǔ)。足球機器人系統(tǒng)是一類典型的多移動機器人合作的對抗系統(tǒng)，機器人足球比賽已受到人工智能和機器人相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注，并逐漸成為一個標準問題。分析機器人比賽在培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力方面所起的重要作用，闡述機器人系統(tǒng)的基本知識。通過參加機器人比賽，使學(xué)生獲取更多的知識并學(xué)會分析問題和解決問題的方法，在創(chuàng)新能力方面得到有效的訓(xùn)練和全面健康的發(fā)展。

關(guān)鍵詞 機器人比賽;大學(xué)生;創(chuàng)新能力

中圖分類號:G642.0 文獻標識碼:A 文章編號:1671-489X(2010)03-0021-03

Robot Contest and Cultivating Innovative Ability of College Student//Zhu Hairong， Du Jun， Liu Feng， Sang Xuehai

Abstract The high innovative ability of college student is the foundation of talent and technology for building up an innovative country. Robot soccer system is a kind of typical multiple mobile robots rivalry system， and the robot soccer game has got attentions of researchers in AI and related fields and is becoming a standard problem. This paper analyzes how the robot contest play an important role in cultivating the innovative ability of college student and explains the fundamental knowledge of the robot. By participating robot contest enables students to gain more knowledge，analyzing and researching approach as well as to get effective training and all-round development.

Key words robot contest; college student; innovative ability

Author’s address School of Electrical Engineering， Nantong University， Nantong， Jiangsu， China 226019

全球經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和國內(nèi)改革發(fā)展形勢對高等教育提出進一步要求，未來幾年，我國將在穩(wěn)步提高高等教育大眾化水平的同時，更加注重人才的培養(yǎng)質(zhì)量和學(xué)校的辦學(xué)效益，引領(lǐng)高等教育走健康可持續(xù)發(fā)展之路。提高高等教育質(zhì)量，既是高等教育自身發(fā)展規(guī)律的需要，也是辦好讓人民滿意的高等教育、提高學(xué)生就業(yè)能力和創(chuàng)業(yè)能力的需要，更是建設(shè)創(chuàng)新型國家、構(gòu)建社會主義和諧社會的需要[1]。

1 大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要性

近年來，高等教育規(guī)?？焖侔l(fā)展，為我國經(jīng)濟社會的快速、健康和可持續(xù)發(fā)展作出巨大貢獻。但是，目前高等教育還不能完全適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展的需要，學(xué)生的創(chuàng)新能力亟待加強，人才培養(yǎng)模式、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法需要進一步轉(zhuǎn)變。要在短期內(nèi)解決當(dāng)代大學(xué)生的創(chuàng)新能力問題，提高當(dāng)代大學(xué)生的創(chuàng)新能力是非常困難的，但這并不意味著當(dāng)代大學(xué)生的創(chuàng)新能力不能得到提高。當(dāng)代學(xué)生普遍具有創(chuàng)新的動機和欲望[2]。但目前大學(xué)所能提供的創(chuàng)新環(huán)境有限，創(chuàng)新氣氛缺乏，大學(xué)生的創(chuàng)新潛力得不到充分發(fā)揮，創(chuàng)新能力難以得到提升[3]。

針對時代要求和當(dāng)代大學(xué)生現(xiàn)狀，利用自身條件，結(jié)合實踐創(chuàng)新訓(xùn)練，有效提高大學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力。結(jié)合機器人實驗室，參加機器人比賽等實踐創(chuàng)新訓(xùn)練是溝通傳統(tǒng)教學(xué)方法和培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的橋梁。中國傳統(tǒng)教育培養(yǎng)出能夠靈活運用所學(xué)知識，具有發(fā)現(xiàn)問題和解決問題能力、具有創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的學(xué)生少之又少。實踐創(chuàng)新訓(xùn)練針對性強，從學(xué)生實際出發(fā)，調(diào)動學(xué)生對知識學(xué)習(xí)的主動性。學(xué)生在實踐創(chuàng)新過程中既需要加深專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，也需要吸收很多非專業(yè)的知識，從而培養(yǎng)學(xué)生對知識的駕馭能力，喚起學(xué)生對未知領(lǐng)域、對困難的探索欲望，激發(fā)創(chuàng)新潛力，提高創(chuàng)新能力[4]。

2 機器人比賽的意義

機器人足球比賽興起于20世紀90年代，它是自動化及機器人領(lǐng)域最具前瞻性的研究之一。足球機器人系統(tǒng)是一個典型的多智能體系統(tǒng)和分布式人工智能系統(tǒng)，涉及機器人學(xué)、計算機視覺和模式識別、多智能體系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多個領(lǐng)域，而且它為人工智能理論研究及多種技術(shù)的集成應(yīng)用提供了良好的實驗平臺。

機器人比賽涉及諸多領(lǐng)域的前沿研究和技術(shù)集成，實際上是高技術(shù)的對抗賽。國際上最具影響的FIRA和RoboCup兩大世界杯機器人足球賽，有嚴格的比賽規(guī)則，融趣味性、觀賞性、科普性為一體。機器人比賽從一個側(cè)面反映了一個國家信息與自動化領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和高技術(shù)發(fā)展的水平。RoboCup是一個國際性機構(gòu)，通過提供一個標準平臺來促進人工智能和智能機器人的研究和發(fā)展，其最終目標是到21世紀中葉，一支完全自治的人形機器人足球隊能夠在遵循國際足聯(lián)正式規(guī)則的比賽中，戰(zhàn)勝最近的人類世界杯冠軍。FIRA是韓國人創(chuàng)立的組織，從1997年開始每年舉辦一次比賽。FIRA的比賽中以前只有實際機器人的比賽，從2002年開始加入仿真組的比賽。FIRA采用集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即系統(tǒng)中只有一個決策系統(tǒng)，比賽過程中需要人的部分參與;而RoboCup為分布式系統(tǒng)，每個隊員具有自己獨立的進程，負責(zé)自身的信息感知、決策和動作執(zhí)行，進程之間不允許進行直接的信息交換。

中國機器人大賽暨RoboCup公開賽是中國最具影響力、最權(quán)威的機器人技術(shù)大賽，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和團隊精神方面發(fā)揮了極為重要的作用。機器人大賽競賽形式公平，旨在促進電子信息類學(xué)科的建設(shè)，引導(dǎo)高校在實踐教學(xué)中注重創(chuàng)新能力、協(xié)作精神、理論聯(lián)系實際、動手能力和工程訓(xùn)練的培養(yǎng)，越來越受到相關(guān)院校的高度重視以及學(xué)生的歡迎。目前，該競賽已成為全國電子信息類專業(yè)影響最大的賽事之一[5]。

3 中型組足球機器人比賽介紹

3.1 足球機器人系統(tǒng)的研究意義中型組機器人足球比賽要求機器人完全自主，環(huán)境感知、決策、運動控制、通訊等都必須由機器人自身完成，不允許任何形式的場外干預(yù)。其研究內(nèi)容涉及機器視覺、圖像處理、人工智能、多機器人協(xié)作、無線網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)字電路等諸多領(lǐng)域。由于賽場上雙方的形勢是時刻變化的，機器人球隊必須了解雙方形勢的動態(tài)變化，并根據(jù)這一變化采取相應(yīng)的策略，如全面進攻、局部進攻或防守等;為執(zhí)行這個決策，各自主機器人之間必須通過通訊來相互溝通和協(xié)調(diào)。因此，足球機器人系統(tǒng)是一個典型的多智能體系統(tǒng)。全自主機器人足球賽不僅包含多智能體系統(tǒng)要研究的全部內(nèi)容，而且其中所包含的動態(tài)環(huán)境和實時性要求比一般系統(tǒng)更為苛刻。通過研究機器人足球賽，不僅可以研究多智能體系統(tǒng)的諸多典型問題，而且可以直接檢驗對抗雙方多智能體協(xié)調(diào)策略的優(yōu)劣程度，是進行多智能體理論研究的一個很好的實驗平臺。

3.2 足球機器人系統(tǒng)介紹機器人由運動控制模塊、電源及驅(qū)動模塊、傳感器模塊、計算機模塊等多個模塊組成，各模塊間連接和拆裝方便，如圖1所示。就硬件方面而言，國際比賽中各隊伍的硬件結(jié)構(gòu)以全向運動機構(gòu)和全向視覺系統(tǒng)為主。全向運動機構(gòu)是將運動機構(gòu)設(shè)計成3～4個車輪，均勻分布在同一圓周上，每個車輪分別由直流伺服電機、減速器、碼盤和車輪等零部件組成;在每一個大輪子圓周上均勻分布若干個小輪子，大輪子受電機驅(qū)動，小輪子自由轉(zhuǎn)動，這樣整車可以很方便地實現(xiàn)任意主方向運動。國內(nèi)比賽的各隊伍中仍有一些采用非全向運動機構(gòu)。非全向運動機構(gòu)一般都是采用雙輪差分驅(qū)動，在車體兩側(cè)布置有2個驅(qū)動輪，由2個電機分別進行控制，運動軌跡可以歸結(jié)為直線和圓弧的組合;這種機器人在地平面上只有2個自由度，在某些運動之前要先進行轉(zhuǎn)向運動，而且運動軌跡規(guī)劃復(fù)雜，一些路徑規(guī)劃需要分解為多次的直線和圓弧運動，因此在球場上的運動速度和靈活性受到一定的影響。

全向視覺系統(tǒng)主要由高分辨率攝像頭和全向反射鏡面組成。全向反射鏡面就是利用基于水平不變形結(jié)合垂直不變形原理做成的反射率極高的錐形鏡面，能夠反射來自360度方向的環(huán)境光。由于它是錐形的，所以能將所有光線反射入高分辨率攝像頭內(nèi)進行采集。RoboCup中型組比賽機器人，很少具備自動狀態(tài)檢測功能。自動狀態(tài)檢測功能的實現(xiàn)進一步提高機器人的智能程度，便于場上實時的策略調(diào)整和機器人隊員的替補。在日常調(diào)試過程中，也使得人類隊員以往繁瑣的工作得以減輕。

3.3 足球機器人軟件系統(tǒng)介紹足球機器人軟件平臺由5部分組成:視覺模塊、個體策略模塊、整體策略模塊、運動控制模塊及網(wǎng)絡(luò)通信模塊。1)視覺模塊是一套面向多種應(yīng)用的實時機器視覺軟件，具有目標識別、跟蹤、定位、通信等多種功能，適用于單目視覺、全景視覺以及顯微視覺系統(tǒng)。2)個體策略模塊是對機器人個體的規(guī)劃與控制，完成機器人規(guī)劃與控制，包括避障、導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等，以及傳感器融合，包括對全向視覺、前向視覺、里程計等信息的融合。3)整體策略模塊是用于多移動機器人控制的一個任務(wù)規(guī)劃與實施平臺，主要解決機器人的傳感、通信、控制、規(guī)劃和協(xié)作等關(guān)鍵問題，可以完成多移動機器人的編隊、合作導(dǎo)航、定位、踢足球等多種復(fù)雜任務(wù)，其中涉及技術(shù)領(lǐng)域較多，如多機器人學(xué)、任務(wù)規(guī)劃、多智能體系統(tǒng)、分布式感知、人機交互、網(wǎng)絡(luò)通信等。4)運動控制模塊實現(xiàn)對機器人運動系統(tǒng)的控制，可實現(xiàn)位置、速度控制。5)網(wǎng)絡(luò)模塊實現(xiàn)視覺模塊、個體策略模塊、教練模塊、運動控制模塊之間信息傳遞的功能。

3.4 參賽經(jīng)驗?zāi)贤ù髮W(xué)從2005年起積極參加省機器人大賽和中國機器人大賽，經(jīng)過幾年的努力，在2008年第三屆江蘇省機器人大賽中有多個項目分獲冠、亞、季軍，“勝利11人”足球隊在2008中國機器人大賽暨RoboCup公開賽中獲“RoboCup中型組”第四名的好成績(圖2)?；仡櫧鼛啄甑陌l(fā)展歷程，筆者深有感觸，是競賽促使大家提高認識，推動學(xué)習(xí)兄弟院校的經(jīng)驗。

實踐表明，機器人比賽是素質(zhì)教育、創(chuàng)新教育與前沿研究相結(jié)合的一條可行途徑。與傳統(tǒng)的以知識傳授和技能培養(yǎng)為目標的課程不同，足球機器人具有實踐性強、探索性強和綜合性強的特點。通過開展機器人足球賽，有利于促進教學(xué)與科研的結(jié)合;有利于及時了解前沿研究;有利于探索教育改革和人才培養(yǎng)的新途徑、新方法;有利于提高教師的科學(xué)研究能力;通過為學(xué)生提供參與科研的平臺，有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高和良好學(xué)風(fēng)的形成，并促進學(xué)生創(chuàng)新能力和專業(yè)素質(zhì)的提高;作為一種很好的課外科技活動形式，有利于促進校園文化建設(shè)。

4 結(jié)論

機器人研究所涉及的技術(shù)在當(dāng)前企業(yè)單位應(yīng)用甚廣，人才缺口很大。同時由于機器人具有優(yōu)于其他項目的開放性和趣味性，能夠通過豐富的實驗活動充分調(diào)動學(xué)生參與，吸引學(xué)生投入學(xué)習(xí)和動手研究，其創(chuàng)新型研究的理念也符合當(dāng)前培養(yǎng)具有創(chuàng)造力人才的需求。因此，如果能夠應(yīng)用這種平臺進行實踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練，將更有效地為社會提供專業(yè)型的動手和創(chuàng)新能力強的人才。機器人比賽是促進機器人教育和研究的重要手段，比賽中設(shè)置明確的目標、開放式的解決方案、充滿挑戰(zhàn)的對抗方式，這些特點都能激發(fā)學(xué)生的研究學(xué)習(xí)興趣，從而提高動手能力、創(chuàng)造能力、協(xié)作能力和綜合能力。

參考文獻

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