基于劃分區(qū)域的機(jī)器魚(yú)水中角力策略

王圣召 張燕 夏慶鋒

摘要：針對(duì)于在水中角力項(xiàng)目中，多數(shù)的策略只是頂最佳點(diǎn)的單一局勢(shì)下，本論文主要講解了一種基于劃分區(qū)域的機(jī)器魚(yú)水中角力策略。通過(guò)控制區(qū)和緩沖區(qū)的作用，能夠使機(jī)器魚(yú)更大程度的減少受到水流等環(huán)境的影響。同時(shí)采用機(jī)器魚(yú)在不同的區(qū)域內(nèi)，不同的游動(dòng)方式，使魚(yú)頭能夠始終保持水平的去撞擊圓環(huán)。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠讓機(jī)器魚(yú)即便處于不同的水環(huán)境中，都能夠較為高效進(jìn)行角力比賽，并且比只頂最佳點(diǎn)的策略省時(shí)很多。該策略在實(shí)際比賽中也取得了不錯(cuò)的成績(jī)。

關(guān)鍵詞：多關(guān)節(jié)仿生智能魚(yú)；水中角力；區(qū)域劃分；力度控制；比賽策略

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）16-0179-03

Competition Policy Based on Robotic Fish in Water Divided Region

WANG Sheng-zhao， ZHANG Yan， XIA Qing-feng

（Jinling College of Nanjing University， Nanjing 210089， China）

Abstract：For the wrestling project in water， the general strategy is only a single situation with the best point. This paper mainly explains a wrestle strategy based on the region-divided machine fish. By controlling the area and the buffer zone， the robotic fish can be reduced to a greater extent by the influence of the environment such as water flow. At the same time， robotic fish are used in different areas and different swimming methods so that the fish head can always maintain a level to hit the ring. The results of several experiments show that this method can make robotic fish more effective in playing games even when they are in different water environments， and it saves a lot of time compared to the strategy that only has the best point. The strategy also achieved good results in the actual game.

Key words：Multi-joint robot fish； Water Competition； Competition strategy

國(guó)際水中機(jī)器人大賽是一項(xiàng)國(guó)際權(quán)威的機(jī)器人大賽，它以智能仿生機(jī)器魚(yú)為主題，在水中進(jìn)行各類(lèi)競(jìng)賽，包括競(jìng)速、花樣游泳、追逐和激烈對(duì)抗的水球比賽。作為水中機(jī)器人比賽中的一個(gè)新興項(xiàng)目，水中角力不同以往的競(jìng)速類(lèi)項(xiàng)目，它既考驗(yàn)選手們的編程策略的能力，同樣需要選手們有著隨機(jī)應(yīng)變以及強(qiáng)大的思維和想象能力。在比賽中由于需要考慮諸多外界因素的干擾，因此多數(shù)策略并不能像理想中的那樣高效率的完成比賽。本論文所介紹的基于劃分區(qū)域的角力策略經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)，最終成了一種高效率的水中角力策略。

1全局視覺(jué)水中角力比賽的要求[1]

參賽隊(duì)各派一條機(jī)器魚(yú)參加比賽。以水池兩個(gè)長(zhǎng)邊池壁的中點(diǎn)連線為分界線，將水池劃分為左區(qū)和右區(qū)兩個(gè)區(qū)域。比賽開(kāi)始時(shí)，裁判員將漂浮物放入水中，要求其圓心與水池中心重合并保持靜止，同時(shí)將比賽雙方的機(jī)器魚(yú)如圖1所示位置靜止放入漂浮物的內(nèi)部。比賽開(kāi)始后，A魚(yú)將漂浮物頂向左區(qū)，B 魚(yú)頂向右區(qū)。

2多關(guān)節(jié)仿生智能機(jī)器魚(yú)

本論文所介紹的是如圖2所示擁有類(lèi)似于自然界中魚(yú)體的外形、運(yùn)動(dòng)模式甚至交互模式的仿生智能機(jī)器魚(yú)，它擁有“3溝道”，“3關(guān)節(jié)”設(shè)計(jì)，仿生人類(lèi)最靈活的手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?！?.4G”自動(dòng)調(diào)頻設(shè)計(jì)，72M高速處理CPU，STM32控制系統(tǒng)。動(dòng)力持久，采用7.4V、1800mAh鋰電池超長(zhǎng)待機(jī)。采用流體力學(xué)控制算法，運(yùn)動(dòng)更快、更流暢。

3比賽策略

3.1區(qū)域的劃分

本論文所介紹的策略將整個(gè)圓環(huán)分為左右兩大區(qū)域和上下兩大區(qū)域，下面以向左進(jìn)行角力為例來(lái)介紹一下該策略的具體區(qū)域劃分方法。該策略將圓環(huán)左側(cè)劃分為上下對(duì)稱的10個(gè)區(qū)域，其中白色區(qū)域代表緩沖區(qū)，黑色區(qū)域代表控制區(qū)。如圖3所示：

對(duì)于控制區(qū)域?qū)挾鹊恼{(diào)整，本論文在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)場(chǎng)地經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，最終得出如表1控制區(qū)域?qū)挾葹?厘米更為合適的結(jié)論。

其中表內(nèi)控制區(qū)寬度單位為厘米，魚(yú)頭調(diào)整幅度為魚(yú)頭正方向與水平x軸較小夾角的變化程度。調(diào)整時(shí)間為機(jī)器魚(yú)的魚(yú)中心位置從控制區(qū)調(diào)整到緩沖區(qū)所用的時(shí)間。能否控制是指該控制區(qū)是否能將機(jī)器魚(yú)調(diào)整回緩沖區(qū)。由表可見(jiàn)，控制區(qū)過(guò)于窄不能有效控制機(jī)器魚(yú)的方向調(diào)整，而寬度過(guò)于寬會(huì)導(dǎo)致機(jī)器魚(yú)在上下兩個(gè)控制區(qū)內(nèi)反復(fù)的調(diào)整，并不能將魚(yú)控制在中心緩沖區(qū)內(nèi)。

3.2控制算法

本論文將機(jī)器魚(yú)的擺尾幅度分為十五個(gè)等級(jí)，0至6為向左擺尾，并且0力度最大，8至14為向右擺尾，并且14力度最大。同時(shí)將機(jī)器魚(yú)的速度分為15個(gè)等級(jí)，

0為靜止?fàn)顟B(tài)，14為最大游速狀態(tài)。

本論文主要用到Roundp2p點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的游動(dòng)算法，并且在不同區(qū)域內(nèi)做了相應(yīng)修改。當(dāng)魚(yú)中心點(diǎn)FishPt和目標(biāo)點(diǎn)aimpt之間的距離較遠(yuǎn)時(shí)算法如圖4表示：

流程圖中dist1為魚(yú)中心點(diǎn)FishPt和目標(biāo)點(diǎn)aimpt

之間的距離。距離方程為

dist1=[aimpt.x-FishPt.x2+aimpt.y-FishPt.y2]

dir1為魚(yú)頭和目標(biāo)點(diǎn)之間的角度，dir1的方程為

dir1=atan2（（aimpt.y-FishPt.y），（aimpt.x-FishPt.x））

dir1=dir1-FishDir

其中FishDir為圖6所示的魚(yú)頭方向。

再把dir1換算成[-π～π]之間的數(shù)為：

dir1=Checkangle（dir1）*180/PI

圖中action.direction為魚(yú)的擺尾力度。此Roundp2p算法能夠以較高的效率使機(jī)器魚(yú)從一個(gè)點(diǎn)快速的游往另一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。

3.3 不同區(qū)域間的控制

本論文將圖3內(nèi)上下的1區(qū)稱之為正常區(qū)，即機(jī)器魚(yú)在這個(gè)寬度為10厘米的帶型區(qū)域中撞擊圓環(huán)為最佳撞擊區(qū)域，基于圓環(huán)的弧度影響，機(jī)器魚(yú)在撞擊圓環(huán)的同時(shí)將向圖中最佳點(diǎn)靠近，由于慣性以及水流的制約，機(jī)器魚(yú)勢(shì)必將超過(guò)最佳點(diǎn)，并向另一側(cè)的控制區(qū)域滑動(dòng)。因此合理的控制機(jī)器魚(yú)在中心1區(qū)頂圓環(huán)成了本策略的核心。

本論文讓機(jī)器魚(yú)在每個(gè)控制區(qū)內(nèi)都執(zhí)行速度為14，擺尾力度為7的算法，從而使魚(yú)每分每秒都在盡力頂圓環(huán)。由于不同的機(jī)器魚(yú)它的動(dòng)力不盡相同，因此這個(gè)擺尾力度需要進(jìn)行多次下水調(diào)試，本論文建議將該區(qū)域的力度設(shè)置為上方控制區(qū)擺尾力度為2，下方控制區(qū)擺尾力度為12。通過(guò)短暫的大力擺尾操作以起到修正魚(yú)身和魚(yú)頭方向的作用。這種算法也在一定程度上解決了快速進(jìn)攻與最佳進(jìn)攻位置之間的矛盾[2]。也就是快速進(jìn)攻使得機(jī)器魚(yú)不能選擇最佳的進(jìn)攻位置，最佳進(jìn)攻位置使得機(jī)器魚(yú)的調(diào)整時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

在圓環(huán)的右半部分，全部執(zhí)行以魚(yú)中心點(diǎn)和最佳點(diǎn)的Roundp2p策略，讓魚(yú)最快地進(jìn)入到左半部分。從而開(kāi)始執(zhí)行相應(yīng)代碼。對(duì)于不同的控制區(qū)，例如圖3-1-1上部分的2和4。如果機(jī)器魚(yú)位于4控制區(qū)，說(shuō)明機(jī)器魚(yú)已經(jīng)較大程度的偏離了正常區(qū)，從而需要更快地進(jìn)行方向和力度的調(diào)整，因此2和4區(qū)域的代碼也可以進(jìn)行改進(jìn)，本論文在比賽中將2區(qū)域的擺尾力度設(shè)置為2，將4區(qū)域的擺尾力度設(shè)置為1，下部分也進(jìn)行相應(yīng)整改。因此在比賽中取得了不錯(cuò)的表現(xiàn)。

3.4策略優(yōu)勢(shì)

其他策略可能會(huì)采取直接頂最佳點(diǎn)的算法，例如引入微分來(lái)進(jìn)行建模，采取以最大速度一直頂住漂浮物的方式來(lái)進(jìn)行建模分析[3]，這也是一個(gè)很好的算法。但是相比于本論文所提到的策略來(lái)講，基于區(qū)域劃分的好處是能夠使魚(yú)無(wú)論在哪個(gè)區(qū)域內(nèi)魚(yú)頭方向都能始終保持水平狀態(tài)，這是一般策略所不能達(dá)到的效果。這樣頂圓環(huán)會(huì)使魚(yú)的動(dòng)能更大化的作用于圓環(huán)上，如果只頂圓環(huán)最佳點(diǎn)，由于機(jī)器魚(yú)各個(gè)關(guān)節(jié)的銜接機(jī)理并不是簡(jiǎn)單的鉸鏈連接[4]，所以勢(shì)必魚(yú)頭的方向?qū)⒉粩嗟碾S水流而改變，由于角度原因使分力減少，從而就降低了機(jī)器魚(yú)頂圓環(huán)的力度。

4 總結(jié)

（a）本論文所討論的基于區(qū)域劃分的水中角力策略已經(jīng)成為一種較為高效的比賽策略。經(jīng)過(guò)多次角力比賽的考驗(yàn)，本策略能夠做到使機(jī)器魚(yú)處于不同的水環(huán)境中都能較為高效地完成比賽。

（b）本論文所介紹的這種角力策略也有許多新的地方可以嘗試，例如控制區(qū)數(shù)量和寬度的調(diào)整，控制區(qū)力度大小的調(diào)整。機(jī)器魚(yú)從較遠(yuǎn)的緩沖區(qū)到控制區(qū)和從較近的緩沖區(qū)到控制區(qū)，代碼也可以有所變化。希望本論文所提出的基于劃分區(qū)域的機(jī)器魚(yú)水中角力策略能夠提供一個(gè)良好的啟發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

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