南通大学附中机器人活动室建设方案—附件一

附件一

机器人灭火竞赛规则

一、任务

机器人能够在一间平面结构房子模型里运动，在操作规则指导下以最短的时间找到代表火源的一根蜡烛并将它熄灭。模拟现实家庭中机器人处理火警的过程。蜡烛代表家里燃起的火源，机器人必须找到并熄灭火源。

二、竞赛场地及设备标准

1.场地要求：比赛将在图示中的四个房间进行。

场地布局图

上图中：

（1）墙的材料是木质的，高度在27-34cm。

（2）墙壁上可能贴一些黑白图案，模拟家里典型的装饰图案，具体数量、尺寸、位置以比赛现场为准。

（3）场地地面是光滑的，且用黑色乳胶漆刷成黑色。场地上的任意缝隙都刷成黑色。场地的缝隙不超过5mm。

（4）走廊和门口宽46cm。门口没有门，而是一个46cm的开口，由一个贴在地上的白色的2.5cm宽的带子表示房间入口。

（5）比赛场地的地板是黑色的。一些机器人可能用泡沫，粉末或者其他的物质来熄灭蜡烛的火焰。所以每一个机器人比赛后应尽可能清洗好场地，但不保证地板在整个比赛过程中都保持绝对黑色。地板上有3mm直径的红色或蓝色小点代表可能有蜡烛或者家具的地域。

（6）机器人将从一个标有“H”的代表起始位置的圆圈出发（并没有固定在比赛场地上，可以移动）。真实代表起始位置的白圈是实心的，并无标记“H”。30cm直径的白色圆圈在46cm走廊的中心。注意：比赛场地平面图中，代表起始位置的圆圈后面的墙壁没有缺口。

（7）机器人也可以用一些固定装置来校正机器人在圆圈中的位置。机器人必须在圆圈中启动。一旦启动，它可以向任何方向运动。

2.环境照明

参赛者在比赛正式开始之前有机会了解任意组别的照明情况并标定自己的机器人。在比赛正式开始之后，比赛的照明将不会再调整来满足个别竞赛者的要求。比赛的挑战之一就是有一些竞赛要求机器人能够在一个含不确定照明、阴影、闪光等实际情况的环境中运行。灭火机器人使用的许多传感器容易被外部光源干扰，包括含有红外线、紫外线的体育馆的灯光。选手们应该自己发明遮挡、覆盖以及其他等方式降低外部光源干扰。

3.机器人的尺寸

机器人的尺寸必须保持在长31cm、宽31cm、高27cm范围以内。如果机器人带有触角或装饰物，触角或装饰物将被记入机器人的整体尺寸，且永远不能超出允许的尺寸范围。另外机器人在整个运行过程中不能分离成多个部分。

4.机器人的重量

对机器人的重量没有限制。

5.机器人的建造材料及要求

对机器人使用的建造材料没有限制。

6.蜡烛

蜡烛火焰的底部将离地面15～20cm高。蜡烛是直径1-2cm的白蜡烛。蜡烛火焰的确切高度和尺寸是不确定的、变化的，而且由蜡烛条件和周围的环境所决定。比赛开始后不管火焰具体是什么尺寸，都要求机器人能发现蜡烛。蜡烛将随机地放在比赛场地的一个房间里。在机器人所经历的3次测试中，蜡烛将被等概率的放在4个房间的任何一间。但是也可以将蜡烛放在一个房间里两次。如果蜡烛第一次和第二次测试时放在同一房间里，则应确保在第三次及最后一次的测试中蜡烛不放在那个房间里。因此在机器人3次测试中，蜡烛至少会在两个房间里或三个房间里。

蜡烛不能放在走廊上，但是可能恰好放在一间房子的门口。蜡烛周围的白色扇形纸板不会触及到门口的标志线，机器人的前端在进入房间遇到蜡烛前应至少可以移动33cm。在实际比赛中，蜡烛位置抽签确定。参赛者在蜡烛被使用前不允许测量或者接触蜡烛，违反规定者将立即被取消参赛队或参赛机器人的资格。

蜡烛安装在一个漆成黄色的亚光木质基座上。这个基座用来防止蜡烛倾倒。但当机器人撞上时它仍会翻倒（如撞倒，见处罚）。基座下为一个约90度、半径约为30cm的扇形的白色纸版，扇形并不固定在地上，机器人在熄灭蜡烛前拖动白色扇形纸板导致蜡烛倾倒（如撞倒，见处罚）。

7.传感器

在不违反任何规则和规范的情况下对传感器的型号没有限制。任何使用激光装置的机器人必须保证该装置不会对参赛者和观赛者的眼睛造成伤害，如果没有采取有效安全措施，检录时裁判会要求拆除该激光装置，否则将取消机器人参加比赛资格。禁止参赛者在场地内外墙上或地上放置任何标记、灯塔或反射物来帮助机器人导航。

参赛者应考虑比赛场地周围可能存在的红外线、可见光和紫外线的光源（如灯光等）。在比赛过程中，太阳光可能会在赛场门打开的情况下照射进来。太阳光不会直射赛场，但仍可能会被较为敏感的传感器感测到。在比赛中，另一个赛场的裁判可能正在点蜡烛或在打火，这些突然出现的火焰将会在赛场上出现并且会比(本赛场的)蜡烛要远，但仍可能会被传感器感测到。在设置赛场时，裁判会伸手到赛场中，这样一些非常敏感的红外传感器会错误认为是由火焰发出的红外线。如果机器人使用光敏传感器找蜡烛或探测墙壁和家具，设计者应采取措施避免这些非故意安排的紫外线、可见光及红外光源影响它的行动。设计一种机器人，它能够识别蜡烛而不受其他光源的影响是本比赛的挑战之一。

13.电气特性

调试区，大赛电源供给为220V [**]C,50Hz。如果机器人或计算机需要电力，请带好足够长导线的插座及电源转换接口。

三、竞赛规则

1.机器人的运行

一旦启动，机器人必须在没有人的干预下自己控制，而非人工控制。机器人在运行过程中可以碰撞或接触墙壁，但是不能标记和破坏墙壁。碰到墙壁不会被处罚，但擦着墙壁行走会被处罚。(见处罚条例)。当机器人经过比赛场地时不能留下任何东西在后面，并且它不能在比赛场地做任何可以帮助它运行的标记。如果裁判认为机器人故意破坏了比赛场地（包括墙壁），机器人将被取消资格，不包括运动中意外的标记或刮擦。

机器人允许在运行过程中碰撞墙壁，但是不能靠碰撞导航，在裁判告知的情况下重复性地碰撞墙壁会被取消比赛资格。

2.熄灭蜡烛

机器人在熄灭蜡烛前必须（由裁判判断）已经找到了它，而不是碰巧（如喷出CO2）熄灭了蜡烛。机器人不能运用任何破坏性的或危险的方法来熄灭蜡烛。它可以运用类似水、空气、CO2等，禁止使用任何危险的或可能破坏比赛场地的方法或物质。可以通过吹气来熄灭蜡烛，但由于这在现实生活中不是一个实用的灭火方法，所以，如果参赛者在比赛中不使用吹气的方式灭火，将会有25%的减分奖励。机器人在熄灭蜡烛之前不允许碰撞蜡烛，包括机器人本身或者它自带的传感器。（见处罚条例）

机器人在试图扑灭火焰前必须到距火焰30cm以内。在距离火焰30cm的圆上有一条白线（如果隔着墙的话，可能是线段），机器人在扑灭火焰之前必须有一部分在圆圈内。蜡烛被放置在圆圈的中心位置。

3.比赛顺序

机器人通过编号来确定比赛先后次序。每一个机器人可以按照比赛顺序在比赛场中作一次试运行。机器人比赛是连续进行的，在所有机器人进行完第一轮的比赛后将接着进行第二轮、第三轮的比赛。前两轮比赛必须有一次成功灭火，如果前两次失败，将没有资格参加第三轮的比赛。

在两轮比赛之间参赛者可以调整、修改和修理机器人。前一个机器人比赛之后，后一个参赛者没有时间进入赛场进行测试。在比赛过程中，每一个赛场将有一个专门的时钟，裁判将在让下一个参赛者做准备时启动时钟。1分钟内没有准备好的机器人将丧失这本轮比赛的机会，但不影响其他几轮的比赛。比赛顺序一旦排好就不再改变。如果你没有准备好，你将错过这轮比赛，每一轮的比赛时间不是固定的，它取决于其他参赛者完成比赛的时间。

一旦机器人准备好，就不再允许参赛队员接触机器人。此后参赛选手应告知裁判机器人启动方式和本轮所选模式，然后抽签确定火焰所在房间编号、火焰位置以及所选模式中需要抽签确定的相关位置。场地准备好后，裁判将启动机器人，比赛开始计时。如果在此过程中，非选手因素或机器人自身因素导致机器人误启动，裁判可以要求选手重新准备机器人，再次准备好后将重新抽签。

4.时间限制

为了达到尽早能发现并熄灭火源的机器人的比赛目的，在合理的时间内发现火源是非常重要的。机器人找到并熄灭蜡烛的最大时间限制是3分钟。在3分钟之后比赛将被终止。回家模式下机器人回家的最大时间是2分钟。如果机器人在测试中进入转圈状态，并且转了5个同样的圈，则这轮比赛将被终止。任何时候机器人超过30秒没有移动，则本轮比赛将被终止。由于上述原因被终止的机器人，另外两轮比赛将不会受到影响。

5.比赛得分

最后得分（FS）最低的机器人将获胜，最后得分的计算取决于以下阐述的不同系数。

6.运行模式

模式系数，实际灭火时间（[**]T），罚分（PP），以及房间系数，都会用来计算操作分数（OS），以此决定机器人的名次。

任何一个机器人可以使用任何适合其阶段的可选模式去提高比赛成绩。

标准模式

在这种模式下，没有导线与机器人连接。判断这种模式的决定因素是机器人是否带有拖线。

标准模式得分系数是1.0（MF=1.0）。

声音启动模式

在这种方式下，机器人在检测接收到3.0~4.0KHz声音信号后自行启动，代替一般的用手工按键的方式启动机器人。所使用的频率在烟雾检测器中广泛使用，它是由压电装置发出的，这种装置可以在无线电商店和其他许多地方买到。一旦机器人电源打开，只有发出声音机器人才会启动。如果没有接收到声音时机器人就启动，如错误地检测到周围的室内噪声（甚至是其他赛场用于启动机器人的声音），那么这场测试仍然有效，但机器人将不作为声音启动模式来计分。如果机器人不能响应声音信号，那在本次测试中将不会给第二次机会（如再次按声音键）来运行声音启动模式。裁判将会用“ST[**]RT”启动开关启动机器。

比赛计时从声音信号发出时开始，而不是从机器人对声音信号做出响应开始。在机器人比赛现场会有官方提供的发声装置，参赛者也可以自己携带和使用自己的发生装置，只要该装置的频率在允许的频率范围内。声音传感器附近要标以“MIC”字样。

在这种模式下，会有20%的减分奖励，比赛的得分系数是0.80（OM=0.80）。

任意启动位置模式

模式系数0.8（OM=0.8）。裁判会把机器人放在任意位置或方位（包括没有蜡烛的房间），具体位置在比赛开始前由现场抽签决定。机器人可能面向一堵墙或面对一个角落，但不会被家具堵着。如果机器人被放在一个房间，那么这个房间将不会作为其第一个搜索房间，当机器人离开这个开始房间，下一个房间才被认为是第一个搜索房间。

回家模式

机器人熄灭蜡烛后回到代表起始位置的圆圈内。不要求按原路返回及选择最优路径，回去即可，但必须回到起始的圆圈内且在回家路上不能完全进入其他房间里。如果机器人的任何一部分进入代表起始位置的30cm白圈内，就认为机器人回到了家中，而不必和刚开始的位置一样。在任意启动模式中，机器人必须回到起始的房间里面（整个底盘越过门口的白线）。

如果机器人进入回家模式，且找到并熄灭了蜡烛，但不能回到起始位置的圆圈中，机器人不会丧失资格，不过它就只能算作标准模式，且只能得到不是回家模式下的得分系数。

实际灭火时间([**]T)分数只包括机器人找到并熄灭蜡烛的时间，不包括机器人回家时间。机器人必须在2分钟内完成回家模式，否则回家模式无效。采用这种模式下，会有20%的减分奖励，得分系数是0.8。（OM=0.8）

灭火器模式

由于使用风扇灭火在现实世界中并不实用，因此，如果参赛者不使用吹风灭火的方式（惰性气体、水或其他机械方式）将火灭掉，会有25%的减分奖励（OM=0.75），使用任何吹风方式灭火的机器人的得分系数为1.0。

家具模式

这种模式下每个房间里有一件或多件家具。如果选择任意启动位置模式，启动的那个房间也可能有家具。机器人可以接触家具，但是不能推开家具。如果机器人推开了家具，那么本轮比赛将没有家具模式减分奖励。家具是用11cm直径的涂了半光泽黄色的圆柱体，柱高30cm、重量大于1公斤。

家具不会放在门口，机器人在碰到家具前至少可以走一半的路程。而家具放的地方会容许至少有31cm宽的路让机器人行走。家具也许会挡住机器人看蜡烛的视线或者机器人要绕过家具才能看到蜡烛。这增加了家具方式的趣味性、真实感和挑战性。机器人为了找到蜡烛，也许要从不同角度来查看房间，如果蜡烛真的在家具后边，机器人将需要确定接近蜡烛的最佳路径。比赛中家具的具体摆放位置在比赛开始前由现场抽签决定。

如果成功完成这个模式的比赛，会有25%的减分奖励，即家具模式的得分系数为0.75（OM=0.75）。

衣帽架模式

比赛中会在房间或走廊中放入如下图的衣帽架，上面会挂一些丝质物品，该衣帽架不会完全挡住机器人的行进方向。衣帽架可能放在任意房间或者走廊的任意位置。衣帽架不妨碍机器人的行进，衣帽架的摆放要求与家具模式中家具的摆放要求相同，具体位置在比赛开始前由现场抽签决定。

机器人不能移动该衣帽架，否则取消该模式加分。该模式系数0.8（OM=0.8）

非平坦地面模式

许多机器人在比赛场地上采用推测航行法。如果开始时导向正确，可以通过将移动的距离和转过的角度加到原来位置上来获得新的位置和方向。在比赛场地上这是一种合理的方法，但在现实生活中并不实用，因为现实中的地面经常是不平坦且不规则的。为了鼓励机器人采用更加复杂的方法来定位，我们给不使用推测航行法的机器人予以减分奖励。

使用推测航行法的关键是事先知道到比赛场地中不同房间的距离。在一般的导航模式下，赛场地面是平滑且是均匀的。如果你采用不平坦地面模式，我们将在比赛场地的走廊中加斜面来改变地面的一致性，且改变机器人轮子通过它的方式。比如在地面上放置一个模块使得地面略微抬高，这样让机器人的一个轮子走更长的距离。如果你决定采用非平坦地面模式，裁判将放置一个斜坡在赛场的走廊里，这将使进入房间的路径改变。因为机器人无法知道改变路径模块的确切位置，或者无法知道哪只轮子将受到影响以及影响多少，机器人将不得不采用其他的方法包括导航法来决定自己在赛场上的位置和方位。

在比赛中地面上会有一个斜坡。该斜坡将仅仅放置在走廊里而非房间里，斜坡不会被放置在门口的正前方，但有可能放在紧靠门口的地方。斜坡的位置在比赛开始前由现场抽签决定，将随着赛次改变。而斜坡将在回家模式比赛中的回家阶段保持不变。不要认为斜坡是一个路障，目的通过改变地面条件来破坏导航模式运行。机器人事先不知道斜坡的安放位置。

斜坡的最大高度是5cm，斜面与地面的夹角为15度。且尽量与地面光滑连接。地面模块的颜色和地面一样被漆成黑色。

成功运行这个模式，会有20%的减分奖励，即非平坦地面模式的得分系数是0.8（OM=0.8）。

变门模式

模式系数0.45（OM=0.45）这个模式中房间1和房间4的门的位置不确定（如下图的四种情况）。开始比赛前由现场抽签确定门的开口方向。

火焰位置模式

裁判会在每轮比赛前选择任意位置放置蜡烛，蜡烛可能被放在房间的任何位置，不会挡住门口，不会紧挨着墙壁，其他摆放的要求与家具模式中家具的摆放要求相同，具体位置在比赛开始前由现场抽签决定。

该模式的得分系数为0.75（OM=0.75）。相对于非火焰位置模式，有以下几点不同：

蜡烛位置任意;

蜡烛前面没有白色扇形纸板，只有蜡烛支架;

机器人灭火之前不需要距离蜡烛30cm,但是机器人必须做一个特殊的动作、亮灯或者其他的方式表示它找到了蜡烛，比赛开始前可以告知裁判是某种方式。如果同时选择家具模式，家具可能挡住机器人的视线，但是机器人还是要自主地搜寻火焰位置。

7.手动启动机器人

如果机器人不是用声音启动模式，那么机器人将用手动启动。即由裁判启动指示的按键。

外部计算机：如果机器人由电线连接到外部计算机，那么只能由计算机键盘上的一个ENTER或者Return键来启动机器人。这将由比赛官员来启动它。需要执行的程序必须事先安装好并在机器人放入赛场前准备好。一旦机器人和蜡烛就位，只能通过按“Enter”或“Return”键来启动计算机，由于任何原因导致机器人不能启动，比赛将终止。

内部计算机：如果机器人采用内部计算机，那么只能由一个键被按下来启动机器人。这个键必须在机器人上、位置清晰且被标以如“ST[**]RT”“RUN”“GO”等字样。

程序下载：任何需要的程序必须在机器人进入赛场前下载到机器人中，在这之后只能通过按“启动键”来启动机器人。任何原因导致机器人不能启动，本轮比赛将终止。

8.处罚

每轮比赛的时间为3分钟，3分钟之后比赛结束，没有找到并熄灭蜡烛的参赛队本轮成绩记为600；

如果机器人在原地同方向转了5圈及以上，则本轮比赛结束，本轮成绩记为600；

如果机器人在熄灭蜡烛前碰倒蜡烛或因带动白色扇形纸板导致蜡烛倾倒，则本轮比赛结束，本轮成绩记为600；

机器人30秒钟内没有移动，则本轮比赛结束，本轮成绩记为600；

若本轮成绩为600，本轮其它的处罚不计。

两轮比赛失败，将没有机会进入第三轮；

错误的启动按钮：如果启动按钮没有按照机器人要求布置，将被增加35秒的时间惩罚。

触碰蜡烛：在蜡烛被扑灭前，机器人用触角或身体的任何部分接触蜡烛或其机座，不论是有意的还是无意的都加50分。如果是在灭火过程中（如用湿的海绵来灭火）或者是蜡烛熄灭后碰到蜡烛，将不予以处罚。接触部分指机器人本体部分，不包括机器人用来灭火的水、气体或其他东西。（PP=50）

连续触碰墙壁：机器人每沿墙壁滑动2cm加1分罚分（1分）。机器人仍然可以通过接触墙壁来调整方向，扑灭蜡烛后回家过程中接触墙壁不加分。

9.房间系数

机器人找到蜡烛前搜索的房间越多，房间系数就会越低。

蜡烛在所搜索的第1个房间，房间系数为1.0

蜡烛在所搜索的第2个房间，房间系数为0.85

蜡烛在所搜索的第3个房间，房间系数为0.50

蜡烛在所搜索的第4个房间，房间系数为0.35

机器人按什么顺序搜索房间并不重要。重要的是机器人找到蜡烛前搜索了多少房间。在搜索完有蜡烛的房间后，不会再有房间系数的变化，此后不管机器人搜索了多少房间，对房间系数都没有影响。有些机器人的传感器非常灵敏，能在刚进入房间门口时往里一看就知道里面是否有蜡烛。机器人任意部分垂直投影越过门口白线，就算机器人搜索了该房间。重复地搜索同一个房间，该房间将不被重复计算。

10.评分过程

任意一轮比赛，裁判都会记录实际灭火时间（[**]T），运行模式和罚分。[**]T先通过罚分调整得到时间分数（TS）然后再乘以模式系数。将所有运行模式系数相乘得到模式系数（MF）。这些运行模式系数为：声音模式系数为0.8，回家模式系数为0.8，任意启动位置模式0.8，灭火器模式（风吹方式灭火为1.0，其他为0.75），衣帽架模式系数为0.8，非平坦地面模式系数为0.8，变门模式为0.45，火焰位置模式为0.75。

[**].如果没有使用任何一种运行模式，且机器人运行于标准模式，则MF=1.0。

B.记录实际灭火时间（[**]T）(以秒为单位)

C.加上所有处罚分数（PP）沿墙滑动=1秒/2cm；在蜡烛没有灭之前接触蜡烛或其基座=50分

D.记录房间系数（RF）[第1个房间系数1.0，第2个房间系数0.85，第3个房间系数0.50，第4个房间系数0.35]

E.实际灭火时间和处罚分数加起来得到时间分数（TS）

TS=[**]T＋PP

F.时间分数、房间系数和模式系数相乘得本次操作分数（OS）

OS=TS×RF×MF

G.要获得成绩，机器人必须有两次以上成功灭火：

·有三次灭火成功的机器人将组成第一梯队，在这个梯队中，将依据上面[**]-F规定计算三轮分数，并计算总和以排定前三名。

·如果任何组别中有三次灭火成功的机器人少于三个，那么三个最高奖项中剩下的将依据总分，完成次数来决定，即成功完成两次灭火的机器人。

11.评分示例

第1次：机器人采用标准模式，声音和返回模式，用1分23秒在第二个房间发现并熄灭蜡烛，期间机器人沿墙壁滑行42cm，机器人通过风扇灭火，则本次比赛它的操作分数如下：

[**].操作模式（OM）相乘得到模式系数（MF）（声音系数0.8，返回系数0.8，灭火器模式系数1.0）

MF=S×R=0.8×0.8×1.0=0.64

B.实际灭火时间（[**]T）(以秒为单位)

[**]T=83

C.处罚分数（PP）（沿墙壁走42cm，2cm/分）

PP=42/2=21。

D.房间系数（RF）（第2个房间=0.85）

RF=0.85

E.处罚时间和实际灭火时间相加得到时间分数（TS）

TS=[**]T＋PP=83＋21=104

F.时间分数、房间系数和模式系数相乘得到操作分数（OS）

OS=TS×RF×MF=104×0.85×0.64=56.576

第2次：机器人采用标准模式、声音模式但没有能够回到初始位置，用1分41秒在第四个房间发现并熄灭蜡烛，期间机器人不慎碰到蜡烛一次，则它的操作分数如下：

[**].操作模式（OM）相乘得到模式系数（MF）（标准模式系数1.0，声音系数为0.8，灭火系数1.0）

MF=S×R×NDR=1.0×0.8×1.0=0.8

B.实际灭火时间（[**]T）(以秒为单位)

[**]T=101

C.处罚分数（PP）（碰撞蜡烛50分）

PP=50

D.房间系数（RF）（第4个房间系数0.35）

RF=0.35

E.处罚时间和实际灭火时间相加得到时间分数（TS）

TS=[**]T＋PP=101＋50=151

F.时间分数，房间系数和模式系数相乘得到操作分数（OS）

OS=TS×RF×MF=151×0.35×0.8=42.28

第3次：机器人采用声音、回家模式，，在声音启动时失败，并通过按启动按钮运行机器人，用1分10秒在第一个房间内发现并熄灭蜡烛，但是，它没能回到起始点。

[**].操作模式相乘得到模式系数（MF）。由于机器人没能实现声控，且没能返回起始点，所以声控模式和回家模式不计

MF=1.0

B.实际灭火时间（[**]T）(以秒为单位)

[**]T=70

C.处罚分数（PP）

PP=0

D.房间系数（RF）（第1个房间系数为1.0）

RF=1.0

E.处罚时间和实际灭火时间相加得时间分数（TS）

TS=[**]T＋PP=70＋0=70

F.时间分数、房间系数和模式系数相乘得操作分数（OS）

OS=TS×RF×MF=70×1.0×1.0=70.0

G.最终计算：

该机器人完成了三次成功灭火，因此被归为最高级别组。

三次比赛成绩相加得到最后的总成绩（TOS）

TOS=67.184+50.2075＋70.0=187.3915

注：在三次比赛中，机器人可以选择不同的模式，在每次比赛中，蜡烛和家具放置的地方在每个房间中是固定的。

计分举例：在这个例子中，机器人两轮比赛成绩相同，但是在第三轮比赛时没有能够灭掉蜡烛。

第一次成绩：OS=60.181

第二次成绩：OS=34.141

第三次成绩：OS=600（没有成功时计分为600）

机器人将被归为两次成功的机器人组，且总分为：OS=60.181+34.141+600=694.322

12.安全

如果比赛裁判认为机器人的行为对人员或设备有危险或可能有危险，他们可以在任何时候终止比赛。参赛机器人不能使用任何易燃易爆物质。