对话|机器人足球世界杯冠军队队长:决赛前夜突破关键技术

2018-07-18 06:42

中国,足球,世界冠军。


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浙大ZJUNlict队


6月下旬,就在2018俄罗斯世界杯足球赛赛事正酣时,浙大ZJUNlict队在加拿大蒙特利尔获得了第22届机器人足球世界杯(RoboCup)小型组的世界冠军。


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RoboCup是当前国际上级别最高、规模最大、影响力最广泛的机器人赛事,同时也是学术成分最高的赛事之一,今年聚集了来自全球35个国家和地区的5000台机器人和4000名人类与会者。

此次是浙大ZJUNlict队继2013年、2014年后第三次夺得机器人足球世界杯小型组冠军。


在机器人足球赛中,比拼的是从人工智能到机械电气的一系列软硬件技术。开场哨一响,任何队员都不能再碰触计算机或机器人。


小型组今年共有18支来自世界顶尖高校学生组成的球队参赛。近日,浙大ZJUNlict团队队长、控制科学与工程学院研究生黄哲远向澎湃新闻(www.thepaper.cn)介绍,小型组主要承载的是优化机器人策略层面的计算能力,以及多目标同时进行多机器人的协作能力。


今年,比赛规则有了重大变化:场地扩大至12米*9米,通过8台全景摄像机采集两队各8个机器球员和比赛用球的实时信息数据,然后传输到参赛队位于场外的计算机,再由这台“总指挥”运算后生成球场模拟景象,分析后将下一步策略通过无线技术发送给每一个机器人,后者接收后即采取相应行动——奔跑、传接、拦截、射门……灵活又稳定。让人惊叹的是,从摄像机采集信息到机器人做出反应,整个过程仅耗时16毫秒。


按规则,小型组的机器人高度需控制在15厘米以内,圆柱形的身材,直径不超过18厘米。黄哲远表示,每队“队员”外形虽然看着差不多,但实际内部还是有很大的不同。此次浙大ZJUNlict团队夺冠的机器人约3000克重,腿脚是4个全向轮,由塑料、钢圈、铝和橡胶等多种材料制成,轮子外面还有金属的保护套。机器人从电池获得动力,运转速度很快,一秒钟能行驶3至4米。


比赛的用球是一枚染成橙色的高尔夫球。机器人通过身子底下一个类似滚筒的装置把球吸住,可以“带球跑动”,而通过体内的电磁铁装置,将小球推射出去,就可以完成“传球”或“射门”,加上坚固的挑射铲,还可以踢出越顶弧线球。


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浙江大学ZJUNlict小型足球机器人团队成立于2003年。每年,来自机械、电机、信电、光电、控制等不同学科的本科生会加入进来。今年,浙大参赛阵容由10位学生组成,其中8人是本科生。喜欢踢足球和研发机器人是队员们的共同爱好。课余时间,他们都会往ZJUNlict实验室跑,调试机器人。


黄哲远说,比赛中采用的16个机器人,从硬件到软件,都是参赛队员设计组装出来的,每个上场的机器人上还刻有队员名字。对于比赛中的战术、策略、代码框架等细节,也是整个团队不断琢磨、调整的结果。


在淘汰赛首场遭遇美国卡耐基梅隆大学CMμs队时,浙大ZJUNlict队由于定位球程序存在问题被抓住,以一球之差落败。但此后该团队通过修正问题、优化程序,接连击败几个对手最终闯入决赛,并最终以4:0大比分战胜了对手,斩获冠军。


“面对强队能够打出这样的分差,在赛场上非常少见。”该团队主教练、浙江大学智能系统与控制研究所机器人实验室主任熊蓉此前接受媒体访问时表示。


此外,今年的比赛首次启用了机器全自动裁判和机器人自行放置足球。熊蓉教授介绍,随着图像系统在判罚中的引入,机器人足球赛正朝着全自动化迈进。她表示,机器人性能经过多年来的发展越来越稳定,多机器人协作也引领该领域技术发展,可以用在工业机器人等领域,促进人工智能的发展。


近年来,浙大团队在机器人足球比赛中的部分关键技术正在现实生活中逐步得到应用。目前,该团队就已经制造出了拥有优秀导航路径规划和轨迹规划能力的轮式服务机器人和搬运机器人。


“技术的提升真的能够改变这个世界。这项比赛中运用的很多技术将转化成好的产品,为现实中的人们带去生活的便捷。这对于我们整个实验室来说是一件值得骄傲的事”,黄哲远说。


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[对话]

澎湃新闻:

比赛回来之后有什么安排?


黄哲远:

这两天回来有空,正在打一个与物联网相关的比赛。我们准备开一个总结会后再定一下第二年的计划。暑假,我也打算再学习一些和机器人相关的知识。


澎湃新闻:

总体来看,你觉得这一次团队能够夺冠的主要原因是什么?


黄哲远:

这次有一个关键技能——横向带球,是我们队独有的创新。相关的硬件在赛前一周做了出来,只是当时软件还没有开发得很完善。到了最后一天决赛前,我们完善了代码,完整地开发了这个动作。这个技术点也让我们的控球部件变得更强,更容易抢到球。


打比赛的时候分成正常比赛和开定位球,其实参赛队伍之间的水平差距并没有很大。可以看到,这次决赛我们大部分进球其实靠的是定位球,新开发的这个动作让其他的队伍很难防守,他们没有想到有这样一个动作可以进球,打了对手一个措手不及。其实这个技术并不难,只是大家之前没有想到去做而已。


澎湃新闻:

在首场淘汰赛中,你们遭遇美国卡耐基梅隆大CMμs队,由于定位球程序存在问题以一球之差落败。而在决赛上最终以4:0大比分战胜了同一对手。这期间,你们是如何去修正问题、优化程序的?整个团队的心态如何去调整?


黄哲远:

现在这个比别人强一点的控球部件是赛前一周才产生出来的,其实是有一点晚了的。只留下了一周时间去开发软件,有些困难,因此一开始没能完全开发。第一场淘汰赛输了以后,我们意识到了差距,比如车速不够快、传授点的计算没有那么精准,但是觉得硬件条件其实并不输给对方,所以赛后就抓紧分析改进了软件。


决赛之前,我们还去看其他队伍之间的比赛,决定当天晚上必须要把硬件的可能性开发出来,不然第二天的比赛是一定会输。所以那天所有比赛打完后,所有队伍都走了,11点多我们开始赶工加夜班,做到约凌晨一点,直到保安和工作人员说要闭馆我们才离开。第二天,带着新技能打的三场比赛就相对比较顺畅,获得了大比分胜利。我们也觉得运气比较好,开发效果不错,返场有了不一样的表现。


澎湃新闻:

你怎么来理解机器人足球这个项目?它和其他竞技体育有什么不同?


黄哲远:

它本身还是一项比赛,是体育运动的一个缩影。不同的是,对于机器人比赛来说,所有的出发点都是为了全人类的发展。它是为了技术的提升而开展的,只不过借鉴了大众喜爱的体育平台。


澎湃新闻:

机器人足球比赛中是否也同样强调团队合作?


黄哲远:

这个比赛最困难的地方在于,它是一个多学科交叉的项目,来自多个学科背景的人怎么互相配合、沟通,去实现一个单一的目标。其中,在整个开发过程中会有一个指导为主轴,因此团队之间的凝聚力非常关键。


我们团内大致可以分为机械、电路、软件和策略四个小组。每个小组都有自己的目标,也需要相对的配合。为了让机器人可以实现一个动作,每个小组都要很明确其他组的需求,再合力实现。此外,小组之间也会产生一个互相弥补的过程。一旦碰到了某个困难,各组也会从各自的角度考虑能不能从不同的层面来解决问题,包括每一组该做到什么样的程度,都需要大量的沟通和协调。


澎湃新闻

:继2013、2014年夺冠之后,团队沉寂了3年。在这段蛰伏期,你们经历了什么?


黄哲远:

队伍有一个传承的过程。之前那两次夺冠的学长们毕业后,2015年开始团队成员基本算是换了一批,现在我们的队伍中的成员都是此前没有拿过第一的。今年的成绩相当于3年前开始所有人的努力和经验积累的结果。


近几年,这项比赛对硬件的限制更多了,希望大家多花精力在软件开发上。比如以前要求平射的速度不能超过8米,今年改成了6.5米,就需要通过程控的复杂计算去完成这个任务,而不是简单粗暴地拿到球直接射门。此外,场地扩大了四倍,增加了机器人的数量,机器人球员之间的交流和配合变得更多,很多原来技巧性的经验变得不太实用了,也对于计算机器人动作力度上的精准度要求更高,而且对手也在变化。所以我们需要针对这些变化去进一步优化如何去传控,要能够保证接到球,有机会射门,有机会得分,同时不让对方接到球。传球时,我们会根据传出速度估算出落点,保证比敌方争先到点。而在射门时,计算出敌方防守队员没有遮挡后才更容易把球射中。


澎湃新闻:

队里其实都是男孩子。作为一队之长,你怎么来融合这支队伍?


黄哲远:

我是第一年当队长,之前两年都是以队员都身份来参与这项工作的。作为队长,要规划整个团队的方向,脑袋里一直要装着一张图谱,把控好节点和进度。


大家性格肯定会有不一样,所以跟每个人的沟通会注意一些小技巧,比方说对于本身性格比较着急的就要心平气和地去沟通。最好能预想到整个流程中会有哪些难点,然后提前跟队员讲通。


我们都是一个实验室的,相当于一个科研团队。虽然来自不同的专业,但相处时间很多,平时无论是在学业、考试还是吃住、做实验基本都在一起,会相互照顾。大家心里都知道,如果真的想有所进步,一定不能吝惜投入时间,所以基本上大部分队员,除了平常学习吃饭,其他所有时间都泡在实验室。


这完全是自愿的,没有什么报酬,都是出于自身的热爱和兴趣。有做机械的,对技术比较热衷,按照想法实现了一个满意的突破后,自己就非常开心。对于我来说,把产品做出来后,发现通过自己写的代码,真真切切能够一点一点去优化、提升效果的过程也很有成就感。我很喜欢这个集体,在和大家一起工作的过程中相处磨合、一起奋斗的感觉是我最大的收获。


澎湃新闻:

参加这样的国际比赛,在和其他国家的同龄接触中,有什么让你印象深刻的事吗?


黄哲远:

确实,各个国家的队伍间的交流还是比较多,大家也比较开放,都带着交流的心态来参加,我觉得这个挺难得的。并且,每个国家,或者说每个学校的学生身上会感受到一些非常鲜明的特质。比如我们接触得比较多的美国学生,会比较重视自己的学术背景。他们的目标不是简单赢得比赛,更多是尽可能去实现某一项技术的进步。而在德国学生身上,我们也学习到了他们对待研究的那种严谨程度。这项比赛让全世界的爱好者聚集在一起,有一个共同的目标,确实是特别好。


澎湃新闻:

机器人世界杯创立的初衷是通过一个易于评价的标准平台促进人工智能与机器人技术的发展,而且定下了一个终极目标:到2050年,能组建一支机器人足球队战胜当年的人类世界杯冠军。你怎么看待这一目标?


黄哲远:

这是一个很有意思的设置。我个人还是比较相信这一目标能够达成,甚至提前能够达成。思考一下,各种科技的发展将越来越快,呈指数级迭代,很难想象未来30年后世界将会是何种状态。


目前,足球机器人还没有“四肢”,只能依靠机器人和球之间这两个点去做一些表现,而明年,各队的足球机器人可能会增至11个,更接近真人比赛。每一年机器人世界杯中研发的学术进步都在为推动人工智能的发展做出重要的贡献,所以我蛮期待这项目标的推进。


澎湃新闻:

即将升入研二,对今后的发展,你有什么期待吗?


黄哲远:

明年我还会参赛,所以首先要考虑的是怎么去防守这次我们创新的这个动作(笑)。我现在学习的是控制科学与工程,我想今后应该会一直往这个方继续去努力。不用考虑太多,我只需要不停去研究这项技术本身就够了。