Robocup: Roboter spielen Fußball
Bernhard Frötschl, Wolf LindstrotFreie Universität Berlin
mit freundlicher Unterstützung von Prof. Bernhard Nebel
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Roboterfußball - Wieso ?
• Meilenstein-Projekt (~Apollo)
• Technische Entwicklungen anstoßen
• Übertragung auf Anwendungen
• Lehre
Roboterfußball als Meilenstein
• Ziel: in 50 Jahren mit humanoiden Robotern gegen menschliches Fußballteam antreten
• Erreichbares Langzeit-Ziel
• Neue interessante KI-Aufgabe nach Schach
• Entwicklung neuer Technologien nötig
Roboterfußball versus Schach
• statische Umwelt• diskrete Daten• volle Information• Symbolisch-logisch• zugbasierter Ablauf• Zentrale Kontrolle• Modell implizit
• dynamische Umwelt• unscharfe Daten• nur Teilwelt erfassbar• subsymbolische Daten• Echtzeit• Multiagenten• Weltmodell je Agent
Schach
Warum Humanoide ?
• Machbarkeit: erste Zweibeiner P2/P3 (Honda)• Flexibilität des Verhaltens: Laufen, Springen,
Drehen• Bessere Mobilität als rollende Roboter, kann
Menschen überall hin folgen • Günstige Schnittstelle zum Menschen,
einfache Erlernbarkeit des Umgangs
Warum gerade Fußball ?
• Schach => neues attraktives Spiel mit Langzeit-Ausrichtung
• Robotikprobleme bisher: Echtzeit, Material, physikalische Kräfte, Bildverarbeitung, ...
• Neu: Kooperation von vielen Agenten• Gutes Testfeld für Humanoiden
Technische Entwicklungen
anstoßen
• Materialforschung• Steuerung• Sensoren• Kognitive Systeme
Materialforschung• Oberflächenmaterialien (weich, nicht
verletzend, schützend ... ~Haut)• Rahmenmaterial (leicht, stabil .. ~Knochen)• Energiespeicher (Batterien etc.: leicht,
leistungsstark, geringes Volumen)• Energiesparende Architektur• Bewegungssysteme (Motoren, Getriebe, ...)• Mechanisches Design (Zusammenspiel der
Aktuatoren, Verbindung der Bauteile)
Steuerung
• Hohe Mobilität (z.B. durch Laufen)• Robustes Verhalten (z.B. nach Sturz)• Komplexes Verhalten (angepasst an
Situation )• Viele Freiheitsgrade der Bewegung
(z.B. Honda P3 mit 30 DOF)
Sensoren• Vision (3D-Geometrien verarbeiten, komplexe
Muster erkennen)• Auditorische Sensoren (Spracherkennung,
Geräusche etc.)• Andere Sinnesorgane (Ultraschall, Laser-Echo,
Infrarot, Tastsinn, Motorspannungen.. )• Integration äußerer Sensoren• Integration innerer Sensoren• Integration äußerer und innerer Sensoren
Kognitive Systeme
• Strategieplanung (Bester Weg zum Ziel, Interaktion mit Menschen, Tieren und anderen Robotern)
• Lernen (Bewegungskontrolle, Sensorintegration, Strategien)
• Gehirn-Design (generelle Architektur für Strategieplanung, Lernen, Timing )
Mögliche Anwendungen
• Haushaltsroboter• Fertigungsautomatisierung• Hilfesysteme für Behinderte• Autopiloten• Warnsysteme• Katastropheneinsätze• Fernerkundung (Weltraum ...)• Intelligentes Spielzeug
Video
Robocup in der Lehre
• Grundlegndes technisches Wissen vermitteln
• Teamarbeit erlernen• Integration vieler Disziplinen• Hohe Motivation• Kreativität fördern
Roboter-Fußball
• Seit 1997: RoboCup-Initiative, FIRA/Mirosot• RoboCup - Zusammen mit KI-Konferenz • I - Simulationsliga• II - Kleine Roboter-Liga• III- Mittlere Roboter-Liga• IV- Sony-Hunde
Die Simulationsliga
Soccer server
Einfache Aktionen
Autonome Spieler
Schneller Einstieg
Die Liga der mittelgroßen Roboter
Spielfeld9 5 Meter
Vier gegenvier
Das Freiburger Team (Prof. Nebel)
Pioneer 1 RoboterLibretto NotebookWaveLan Radio-EthernetSchußapparat
Vision System7 SonarsSICK Laser ScannerInterne Odometrie
Team-Architektur
Spieler Spieler Spieler Spieler
GlobaleSensor-Integration
UserInterface
Kommunikation
ExternerRechner
Funk
Spieler-Architektur
Perzeptions-Module
Verhaltens-basierteSteuerung
Pfadplanung
Sensoren
Kommunikation
Aktuatoren
Perzeptions-Modul
Selbst-findung
Spieler-Erkennung
Ball-Erkennung
Modell-Bildung
Laser-scanner
Odometrie
Vision
Sonar
Roboter-Position
Sensor-Integration
scan
Welt-Modell
Selbstlokalisation und Scan-Matching
Scanlinien werden in Korrespondenz zu Modellinien gebracht
Spieler-Erkennung
Laserscan-Punkte
LokalesWeltmodell:enthält allewahrgenom-menen Objekte
Nicht sichtbareObjekte werdenerinnert
Globales Weltmodell
Multi-Roboter-Sensorintegration
Alle Spieler melden ihre Schätzungen (mit Zeitstempel).
Schätzungen der Spieler werden gemittelt.
Objekte werden lokal verfolgt.
Freund-Gegner Unterscheidung: die eigenen Spieler melden ihre Position !
Die Information wird an alle Spieler zurückgeschickt.
Verhaltensbasierte Steuerung(Torwart)
Minimierendes Winkels
Ball fangen Zum Ball drehen
Raumdeckung
Kooperation durch Nachrichten
Video - Middle Size League
Robocup-Regel-Design
• Glatter Spielverlauf• Nähe zum echten
Fußball (Regeln, Verhalten)
• Vermittelbarkeit (Öffentlichkeit: Zuschauer, Sponsoren)
• Interessante KI-Aufgabe
• Integration verschiedener Robotikdisziplinen
• Ergebnisse gut verwertbar
Die Liga der kleinen Roboter
18 cm maximalerDurchmesser
Robocup-Regeln kleine Liga
• Fairplay• 5 gegen 5, 2 x 10 Minuten, Golfball• Spielfeld Tischtennisplatte mit Rand• Robbi: 180 cm^2, d: 18cm, h:15cm• Verwarnung bis rote Karte bei Schieben• Nur 1 Verteidiger im Strafraum• Kamera von oben erlaubt, Farben und Beleuchtung festgelegt• Eingeklemmter Ball => Freistoß für zuletzt berührenden Robbi
Spielfeldaufbau
Globale KameraExterner RechnerFunkverbindung
Bild aus der Videokamera
1,52
2,74 Meter
640480 Pixel
RoboCup: Gruppe D, Stockholm
On-board-ElektronikFunk
Motoren
Die Motoren
Ein Motor pro Rad
1 m/s
16 Impulse pro Drehung
Feed-back-Schleife: Elektronik gleicht Soll-und Ist-Wert aus
Unser Board-Computer
• M6805-Mikrocontroller• 8K EEPROM• 16 Digitale I/O-Ports• 8 Analog-Eingaben• 2 Analog-Ausgaben
(PWM)• Status-LEDs• RS-232-Schnittstelle
Funkverbindung
Mikrocontroller
Wireless link SE-200(9600 Baud,433-434 MHz)
Roboter-ID
Der Schußapparat
RotierendePlatte
Video - Small Size League
Block-Diagramm der Software
Benutzer-schnittstelle
Funk-verbindung
ReaktivesVerhalten
Vision-System
Benutzerschnittstelle
Vision AutomatischeSteuerung
Initialisierung
Visualisierung
ManuelleSteuerung
Bilderkennung
Ball-Modul
Team-Modul
Team-Modul
Update-Modul
Frame Grabber
Koordinatentransformtion: Roboter, Ball, Hindernisse
Ballverfolgung
FU-Fighters versus Big Red
Die FU-Fighters
Lindstrot, Rojas, de Melo, Behnke, TenchioSprengel, Frötschl, Simon, Akers, Schebesch
Und was kommt jetzt?