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作者：Hanker

机器人足球比赛是目前机器人活动中最引人关注的项目之一，也是最令参与者感兴趣的项目，机器人足球比赛以其刺激的对抗性、广博的知识性、潜在的社会性为目前许多大学所青睐，在专家眼里，机器人足球的意义不亚于美国阿波罗登月计划。

目前机器人足球有两大国际组织：

1. 国际机器人足球联盟 ―― FIRA
2. 机器人世界杯（Robot World Cup） ―― RoboCup

这两大组织均定期举办国际比赛，目前有越来越多国家的大学参与此项赛事，我国也在此领域取得了不俗的成绩。

这样好的一项活动为什么在广大青少年中没有影响呢？问题出在了活动的门槛上，因为目前的组织者太注重其学术性和竞赛性了，忽略了普及。

据说一所RoboCup上颇有建树的大学其投入是很大的，一个RoboCup足球机器人（直径18cm高22cm的圆柱形）造价近1万元。而看似不起眼的FIRA所用的机器人（一个7.5cm见方的小车）单个成本也要7000元，其中两个电机为瑞士进口产品，单价150美元。这对于普通百姓而言是可望而不可及的，对于许多大学来说都有些望而生畏，所以这项活动至今影响很小。

RoboCup组织为了普及这项活动，设置了一种门槛相对较低的青少年组比赛 RoboCup Junior 。目前已在中小学中推广，但是由于传感器技术的限制，竞赛的对抗性、观赏性欠佳，很难吸引普通孩子参与。同时，对个人而言不菲的价格，仍难于在国内普及，而且由于目前国内过于注重比赛结果，导致这项活动的门槛越来越高，有很多学校一个参赛机器人的造价已超过 5000 元，由此导致能接触到的学生极少，这无疑给这项活动的普及带来了障碍，失去了活动的根本目的。

我们所做的尝试就是希望能将这项活动成为一项青少年乐于参与、可以参与的普及活动，以弥补目前青少年业余科技活动能够匮乏的缺陷。

通过图像采集、处理将场地上的小车和球的位置确定（眼睛），通过编写好的程序产生对策，并以无线方式发送命令给小车，小车产生相应的运动，将球推入对方的球门。

图1 机器人足球赛示意图（FIRA）

机器人足球赛的门槛高的原因究竟在哪里？上面所述的资金门槛只是表象、结果，而实质是什么呢？
根据笔者对机器人足球赛的了解，问题出现在两个方面，一个在技术层面上，一个在目标层面上。
机器人足球赛的组成可以分为三大部分：

1. 包含图像采集、识别处理、对策、控制等的软件部分；
2. 包含摄像机、灯光、场地等的赛场部分；
3. 可接受控制的机器人（符合规则的小车）；

从技术层面上分析，其最大的难点在于图像采集和识别处理，这部分大大提高了此项目的技术门槛。
从目标层面上分析，由于目前的参与者过于在乎自己所表现出的学术水平和成绩，所以一味的提高小车的性能，采用了诸如瑞士电机、蓝牙通讯、DSP电机控制等高级部件，使得小车的成本日益提升。

基于上述分析，我们构想如下:

既然我们的目标是普及，使更多的青少年能够从这项活动中受益，降低技术门槛和参与成本是我们的主要工作。

我们把这项活动的期望限定为：

1. 让计算机编程成为对弈的手段；
2. 让数学、物理、计算机技术等科学知识成为对弈的基础；
3. 以能够方便参与为最终衡量指标。

虽然机器人足球比赛的目标不仅包含了编程及控制理论的探索，还涉及到物理智能实体（即机器人）的研究，但是就目前的国内消费能力而言，让普通大众参与到这样的活动中有些不太现实，所以我们将目标缩小为只涉及编程部分，而放弃物理实体。随着项目的普及以及被大众的认可，逐步向物理实体的探索延伸。
在此想法指导下，我们设想：

将机器人比赛的硬件平台（赛场、灯光、摄像机、小车等）、软件平台（图像采集、识别等）从参赛者中分离出来，构建一个标准的机器人足球竞赛平台。

参赛者只需拥有一台PC机即可，因为原来参赛者要涉及的图像采集、识别等内容已分离，降低了技术门槛，参赛者只需编写对策程序，而这部分程序可以只用较初级的知识和技能，也可以使用很高深的理论，从而实现了游戏的延伸性。

虽然将技术门槛降低了，可独立出来的比赛平台如果按原来的方式成本依然很高，仍不能达到普及的目的，因为成本高对参与人和管理者的要求就高，否则损坏了难以交待，尤其是小车，属于易损部分。

基于我们的初衷以及对小车所扮演角色的理解，我们决定选用最普通的遥控玩具车（模型车）代替原来价格不菲的小车，只要能让电脑控制遥控器就可以实现原来小车所完成的任务。

遥控玩具（模型）车是一个极大的资源，其性价比奇高，但其发展却由于没有跟上时代的游戏项目而处于停滞，优异的性能得不到发挥。选用遥控车不但可以大大降低机器人足球赛的成本，而且也为遥控玩具（模型）提供了一个新的发展方向。

这样的改变后，机器人足球赛就演变成了“遥控车足球赛”。

我们为了普及，初次只设计了一对一的比赛，这样对策的难度大大降低。
我们所构成的比赛平台示意如下：

图2 遥控车足球赛示意图

从上图可以看出，此竞赛平台由以下部分构成：

1. 摄像机；
2. 负责图像采集和处理的计算机；
3. 将遥控车和球的坐标输出给参赛PC的通讯接口；
4. 竞赛服务程序，完成图像识别、坐标发送等功能；
5. 场地（含摄像机、灯光、摄像机架，赛场）；
6. 两辆遥控车（我们目前选用的是奥迪玩具公司出的291系列1/32遥控车）；
7. 两个带USB接口的遥控器（在原产品上改制，保留了原手动功能）；
8. 球（我们选用的是乒乓球）；

参与者只需使用有两个USB口的PC机即可实现对弈。一个USB口负责接收坐标信息（也可以使用网口），一个USB口负责控制遥控器，实现对遥控车的控制。

对照图1，可以发现两者的实质是相同的，只是图像采集和处理由公共的部分完成，而小车、控制器也划归比赛平台，使参赛者只需关注于竞赛的对策，而这也是整个比赛中最有趣、最具变化的部分。

参与者根据提供的通讯协议信息及控制命令，得到双方的坐标和球的位置，编写控制程序，实现对弈，因为有了一双好“眼睛”，可以充分发挥参与者的策略意识，真正体现出机器人足球的智力属性。

为了方便参赛者，我们还使用C++语言编写了一个参赛程序框架，将坐标信息的接收、控制信号的发出均编写好，使用者无需了通讯协议、控制命令等细节，直接编写对策。

还可以进一步编写一些使用更简单的程序框架，使更低龄的孩子可以参与其中，得到快乐并从中受益。

我们保留了普通遥控器原有的控制功能，为人机对弈提供了可能，这对引导孩子（尤其是低龄儿童）对计算机编程、科学知识的兴趣很有帮助。孩子可以使用手控方式和成人对弈，让其亲身感受到知识的重要、科学的伟大。

因为竞赛服务程序完全掌控了比赛的全部信息，所以可以胜任裁判的角色，基本取消了人工裁判，比赛过程由服务程序控制，除了开球时球的归位，其余都不需人干预。

为了让参与者能够不断提高，竞赛服务程序还提供了比赛过程保存和回放功能，参赛者可以通过反复观看比赛过程分析对手的策略，优化自己的对策，就像围棋复盘一样。

由于遥控车价格低廉，参赛者如果需要自己调试、练习车的控制性能，可以自己制备，为提高比赛水平、降低参与门槛提供了可能。

目前所编制的竞赛服务程序为遥控车足球1对1比赛。随着项目的普及，参与者水平的提高，可以逐步向足球2对 2、3对3比赛发展，给出更高的挑战，引导青少年追求更高深的知识，形成一个良好的社会氛围。

目前“青少年组机器人足球赛”由于受传感器制约，机器人不知道自己的绝对位置、对手的位置，所以策略的发挥大受影响。为了取胜，逐渐将机器人“足球赛”变成了“美式橄榄球赛”，以提升冲撞能力为主要奋斗目标，岂不有违机器人足球这项活动的宗旨。

基于这个思路可以很方便的派生出多种游戏项目，如：遥控车桌球赛，用遥控车代替撞球和球杆，这个竞赛与足球赛正好互补，一动一静，对编程的要求完全不同。

实际上还有很多类似的游戏项目可以开发，只需根据需要修改赛场和服务程序即可。

一个有趣的、健康的、富于知识性的游戏对青少年乃至整个社会都是十分重要的，当初的航模、无线电活动培育了多少科技精英，可这两项活动没有跟上时代的发展，已少有青少年问津。

我们的社会急需一些有趣的、健康的知识性游戏来丰富青少年的课余生活，尤其是在网络游戏泛滥的今天。
体育竞赛平台可以锻炼人的体魄，棋类竞技项目可以提高人的智力，可是什么竞技或娱乐平台能提高人的知识水平、科学素养？尤其是对青少年科技素养的培养？曾经出现的四驱车游戏平台，借一部国外动画片的影响，也风行了一时。客观的说，四驱车对低龄儿童的动手能力有一定帮助。可是由于没有合上时代的节拍，如今是电脑时代，光靠简单的拼装不可能长时间吸引孩子，所以难免是昙花一现。

遥控车模比赛也由于其参与的智力成分欠缺而处于停滞。

电脑在目前的社会、家庭中已是一件十分平常的电器产品，每个家庭在为孩子添置电脑的时候都在梦想孩子能用它学会编程等计算机知识，可事与愿违，有多少家庭的孩子在用电脑编程？会编程的孩子又有多少？电脑成了高级玩具。

不过，这不能完全归咎于孩子，仔细观察一下，就可以发现：有什么事情可以激励孩子去学习编程？不要说孩子，即使是学习计算机的大学生，或是工作中需要编程的年轻人，他们又有什么内容可以练习编程？计算机竞赛是提供了许多编程的素材，可是去问问那些参赛学生，有多少愿意没事时琢磨那些赛题？关键是这些内容不是枯燥无味，就是缺乏展现的机会，更少有动力切磋、提高。而机器人竞赛在目前的消费水平下又难于普及。
编程是计算机的核心，对青少年而言，编程不仅意味着学习电脑知识，还对其思维逻辑、知识运用起着相当重要的作用，特别是如今越来越多的选择题型，弱化了他们的严谨推理能力，编程却容不得半点投机取巧，必须严格的按照逻辑一步不少的编写，否则不会有任何结果。

编程语言本身只是一种表述手段，关键是程序所表达的思想，而这些思想正是一个人知识综合运用的体现，所以编程对学生知识的掌握、理解以及灵活运用有很大帮助。

同时，计算机这个行业是如今发展最为迅速的行业之一，其产生的思维方式不光对其自身产业有影响，而且对整个社会都有帮助，对人的思考问题方式影响尤为明显，近期提出的面向对象编程就是一个很好的例子。

虽然这种方式只注重了编程，但是，对于我们这个人力资源大国而言，要想走出劳动密集型产业为主的落后模式，软件产业无疑是最好的选择。印度和我们同样是一个人口众多的国度，目前综合实力不见得超过我们，但他们的软件产业发展却优于我们，这很大程度上得益于他们编程培训的普及。我们如果能在青少年中建立起对软件编程的兴趣，在此基础上将会引导更多的青少年向这个方向发展。

我们期望它能发展成一个与乒乓球台、棋盘一样普及的竞技、娱乐设施，成为锻炼人的知识能力、提高科学素养的大众娱乐平台。

目前青少年中（尤其男孩子）真正得到尊重的并不是那些学习成绩优秀的好学生，而是体育有特长、文艺有特长甚至是游戏有特长的学生，这一方面反映了社会的舆论导向存在问题（很少在媒体上炒作科技人员，而体育明星、演艺明星却比比皆是），另一方面也是由于没有给这些孩子展示的机会、平台，考试是不会被孩子认同的，因为里面有太多的因素。

但是，这个竞赛平台却可以让他们有施展的空间，而且一定是“智者为王”，这里的智与棋类不同，它不是某一方面的特长，是你对所学知识的综合运用。我们期望：借此能唤回学生们对知识的尊重，而非对考试的应付。
此外，在学生中，除了被老师、成人们认可的好学生以及那些问题学生外，还有很大一部分聪明但不擅于应试，或是不屑于应试的学生，他们游离于“好”与“坏”之间，他们学习上不拔尖，体育上通常也不具备优势；他们往往有独立的思想、有追求，只是与现有的应试氛围不相容，他们的实质应当是素质教育这个核心宗旨所推崇的，但却被应试这种一元化的评价指标所压抑（扼杀），这部分人中最有可能出现对社会有极大影响的人。但是，如不加以合理引导，他们将会失去原有的潜力、冲动、激情，甚至走向反面；因为人是需要表现的，尤其是青少年，他们需要得到肯定，需要赞许，这就是赏识教育成功所在。一种能得到认可、又能展现他们创意的、有趣的竞赛无疑会给他们带来希望，他们太需要一种证明自己“实力”的平台了。

这种方式最大的优势在于其广泛的适应面和大跨度的知识层次。

对于小学生，可以使用遥控器和成人或大孩子对弈，并在成人的启发下初步涉及初级编程，即在编好的程序框架下修改，以培养对知识的兴趣。

对于中学生，可以运用所学得数学、物理知识，自学或结合所学的计算机语言，用知识对弈，交流切磋、不断提高，同时可以尝试与大学生或成人对弈，学习他们的思维方式，感受他们所用的高一层次知识。

对于大学生，可以结合所学专业，将这个平台作为尝试的对象，验证所学知识的作用，加深理解，学会灵活运用，因为是在同样的平台上，可以充分的感受不同知识运用带来的差别。这时，他们可以综合运用很多原来很抽象地知识，体验这些知识理论的价值。

对于已毕业、工作上需要编程的年轻人，可以把这个平台作为再学习的工具，可以在上面尝试一些新的技术进步，比如说Linux下的实时控制、RTOS等，通过这种娱乐性的练习，可以帮助他们尽快掌握新的知识，而且也便于交流，因为这不会涉及商业机密。

涉及编程较多地企业甚至可以把它作为技术人员交流、提高的工具，以及新技术人员考核的手段，以前工人可以考核其能力，可专业技术人员却很难，一个人的编程能力如何很难判定，这个平台也许会提供意想不到的帮助。

实际上，作为参赛的计算机并非只局限于PC，任何一个具有2个通讯接口，可以编程的设备都可以使用，这对那些搞嵌入式控制的技术人员和企业都是福音，因为没有控制得对象很难评估一个新CPU适用与否，而采用了一个新的CPU或一种新的操作系统又很难找到可以练习、又不乏味的对象。这个平台完全可以胜任这样的角色。

Hanker
2006年6月12日

参考资料：
http://www.nlict.zju.edu.cn/robot2003/fira/
http://www.robocup.org/
http://www.robot.sjtu.edu.cn/robocup/brief.htm

视频资料：
http://www.embedream.com/propic/www.embedream.com-足球比赛.wmv
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