基于障礙物動態(tài)平衡的2D仿真生存挑戰(zhàn)策略

何芮　蔣昊　李欣雨

摘? 要：為充分合理地利用場地，增加防守魚的生存時間，提出一種基于URWPGSim2D仿真平臺的生存挑戰(zhàn)策略：基于障礙物動態(tài)平衡的防守策略。介紹了防守策略的實現(xiàn)方法，一種可控速的位姿到位姿函數(shù)，對動態(tài)平衡路線加以分析。經(jīng)過實驗和比賽驗證表明：防守策略表現(xiàn)出優(yōu)秀的防御性能，能夠有效地躲避進(jìn)攻魚的攻擊，增加了防守魚的存活率。

關(guān)鍵詞：2D仿真;生存挑戰(zhàn);障礙物動態(tài)平衡;可控速的位姿到位姿函數(shù)

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）06-0139-02

Abstract： In order to make use of the site， increase the survival time of defensive fish， puts forward a survival challenge strategy based on URWPGSim2D simulation platform： defense strategy based on dynamic balance of obstacles. This paper introduces the implementation of defense strategy， a controllable speed function and analyzing dynamically balanced routes. The results of experiments and competitions show that： The defense strategy shows excellent defense performance， which can effectively avoid the attack of attacking fish and increase the survival rate of defending fish.

Keywords： 2D simulation; survival challenge strategy; defense strategy based on dynamic balance of obstacles; a controllable speed function

引言

URWPGSim2D仿真平臺提供一種仿真機(jī)器魚的實時系統(tǒng)，采用面向?qū)ο笏枷搿膶ο蠼５慕嵌瓤?，包括仿真機(jī)器魚、仿真環(huán)境和仿真使命（比賽或?qū)嶒烅椖浚┤惸Ｐ?，以仿真使命模型為中心，較真實地仿真出仿生機(jī)器人的運動狀態(tài)。筆者基于使用2018年URWPGSim2D仿真平臺參加比賽時使用的策略對生存挑戰(zhàn)項目進(jìn)行研究和改進(jìn)，提出一種圍繞障礙物動態(tài)平衡的策略和一種可控速的位姿到位姿函數(shù)，能較好的使防守魚和進(jìn)攻魚達(dá)到一種動態(tài)平衡狀態(tài)，延長了防守魚的存活時間。

1 生存挑戰(zhàn)項目介紹

2D 仿真生存挑戰(zhàn)是由2支隊伍參與，每支隊伍4條仿真機(jī)器魚，生存挑戰(zhàn)比賽項目比賽場地采用標(biāo)準(zhǔn)仿真場地（3000mm*2000mm）的1.5倍尺寸的場地，即規(guī)格為4500mm*3000mm，場地中央有三塊固定的正方形障礙物，其邊長為 400mm，中心點坐標(biāo)分別為（0，700），（0，0），（0，-700）。

比賽初始狀態(tài)時，防守方有4條機(jī)器魚，1號魚為特殊魚，充當(dāng)“防御手”的角色;2，3，4號魚為常規(guī)魚，充當(dāng)“躲避手”的角色，進(jìn)攻方只有一條魚，為特殊魚，充當(dāng)“捉捕手”的角色。比賽總時長10分鐘，分上下半場，一個半場時長5分鐘，上下半場切換，進(jìn)攻方和防守方亦交換。

比賽時，“捉捕手”要盡量抓捕“躲避手”， “躲避手”要盡量躲避“捉捕手”。比賽結(jié)束后，通過“捉捕手”抓捕的“躲避手”數(shù)量和抓捕時間判斷輸贏。

2 動態(tài)平衡路線分析

由生存挑戰(zhàn)項目介紹可知，進(jìn)攻魚的最大速度檔是15檔，而防守2、3、4號魚的最大速度檔是8檔。假設(shè)進(jìn)攻魚和防守魚暴露在一條直線上，憑借進(jìn)攻魚在速度上的優(yōu)勢，進(jìn)攻魚可以很輕松的抓捕到防守魚。而當(dāng)進(jìn)攻魚的路線為一條曲線時，進(jìn)攻魚的速度不能時刻保持15檔，運動曲線的半徑越小，進(jìn)攻魚能達(dá)到的最大速度檔越小。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)筆者反復(fù)測試后得出結(jié)論：當(dāng)運動曲線半徑趨近于0時，進(jìn)攻魚的速度檔位為0檔;當(dāng)進(jìn)攻魚的前進(jìn)路線大致是一個半徑約300mm的圓時，進(jìn)攻魚的速度在8檔左右。考慮到障礙物對角線長約為566mm，對角線長度小于計劃路徑圓的直徑600mm，所以當(dāng)以平臺的三個障礙物的中心為前進(jìn)路線的圓心，300mm為半徑時的前進(jìn)路線時，防守魚和進(jìn)攻魚之間至少存在一個障礙物，進(jìn)攻魚改變進(jìn)攻策略時，防守魚也有充足的時間和機(jī)會做出相應(yīng)的調(diào)整，大大增加了防守魚的容錯率，使防守2、3、4號魚的生存機(jī)會得到提升。

3 防守策略

針對目前主流的進(jìn)攻策略，筆者以進(jìn)攻魚抓捕防守3號魚為例來說明防守策略（防守2、4號魚策略與防守3號魚策略相同）。首先，以障礙物的對角線為分割可將平臺分割為4個區(qū)域（如圖1）。

根據(jù)進(jìn)攻魚所在區(qū)域，判斷防守3號魚的目標(biāo)區(qū)域。具體代碼如下：

Z31=mission.TeamsRef[（1+teamId）%2].Fishes[0].PositionMm.x;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

Z32=mission.TeamsRef[（1+teamId）%2].Fishes[0].PositionMm.x*-1;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

判斷進(jìn)攻魚的X坐標(biāo)與0的大小關(guān)系和Z坐標(biāo)與Z31、Z32的大小關(guān)系，可以判斷進(jìn)攻魚所在區(qū)域。而防守魚所在區(qū)域，應(yīng)是和進(jìn)攻魚所在區(qū)域相對的區(qū)域，這樣才能確保進(jìn)攻魚和防守魚之間至少有一個障礙物。

3.1 如果進(jìn)攻魚在1號區(qū)域

此時防守3號魚目標(biāo)點坐標(biāo)應(yīng)在3號區(qū)域。根據(jù)進(jìn)攻魚的坐標(biāo)和障礙物的中心坐標(biāo)可通過兩點確定一條直線，將Z=300帶入直線中，可以得到防守3號魚的目標(biāo)點X坐標(biāo)。

3.2 如果進(jìn)攻魚在2號區(qū)域

此時防守3號魚應(yīng)在4號區(qū)域。根據(jù)進(jìn)攻魚的坐標(biāo)和障礙物的中心坐標(biāo)可通過兩點確定一條直線，將X=300，帶入直線中，可以得到防守3號魚的目標(biāo)點Z坐標(biāo)。

以此類推，可以得到進(jìn)攻魚在3號區(qū)域、4號區(qū)域時防守3號魚的目標(biāo)點。通過控制防守魚的運動軌跡可使進(jìn)攻魚的前進(jìn)路線大致是一個半徑約300mm的圓，初步達(dá)到預(yù)想方案。

4 可控速的位姿到位姿函數(shù)

防守魚如果使用自帶的PoseToPose函數(shù)，當(dāng)目標(biāo)點的變化程度較大時，防守魚會出現(xiàn)先轉(zhuǎn)向在前行的情況。在這種情況下，進(jìn)攻魚會以最大直線速度抓捕防守魚，防守魚毫無逃生機(jī)會。為不出現(xiàn)此類情況，筆者根據(jù)目標(biāo)點和仿生魚當(dāng)前坐標(biāo)開發(fā)了一個可控速的位姿到位姿函數(shù)，可根據(jù)具體的魚體轉(zhuǎn)向角度，調(diào)整轉(zhuǎn)向速度、前行速度。有效的克服了仿生魚先轉(zhuǎn)向再前行的困難。

魚體所需轉(zhuǎn)向角度=仿生魚此時的魚體方向角度-目標(biāo)點角度。其中，仿生魚此時的魚體方向可由TeamsRef [teamId].Fishes[i].BodyDirectionRad得到當(dāng)前隊伍第 i 條魚魚體方向。

目標(biāo)點角度可通過此方式得到：目標(biāo)點和魚體前端剛體中心兩點得到一個向量，將該向量單位化。因為場地是從正X軸到負(fù)X軸，順時針為0～π，逆時針為0～-π，所以將單位化后的向量與（1， 0， 0）單位向量做點積運算，并對結(jié)果做反三角函數(shù)運算。應(yīng)該注意的是所得到的角度應(yīng)控制在-π～π之間。

最后，將-π～π區(qū)間劃分為很多個小區(qū)間，為每一個小區(qū)間分配不同的速度值和角速度值，當(dāng)某一時刻魚體所需轉(zhuǎn)向角度在該小區(qū)間內(nèi)，就會按照設(shè)定速度檔和轉(zhuǎn)向檔前進(jìn)。魚體所需轉(zhuǎn)向角度不斷變化，就會導(dǎo)致速度檔和轉(zhuǎn)向檔變化，從而達(dá)到可控速的位姿到位姿的要求。

采用該區(qū)間的速度值、角速度值。不斷調(diào)整后，可使防守魚游動路線為一個半徑約300mm的圓。當(dāng)面臨更加復(fù)雜的情況時，比如進(jìn)攻魚在一段時間沒有任何進(jìn)展時，采取掉頭、停止等動作都可以離開設(shè)定的規(guī)劃路線。

筆者根據(jù)所寫防守策略和所使用的可控速的位姿到位姿函數(shù)分析，當(dāng)進(jìn)攻魚采取掉頭時，對于防守魚來說，目標(biāo)點變化程度不大且目標(biāo)點均位于防守魚原定路線的前方，防守魚幾乎不可能出現(xiàn)用魚身塞住障礙物之間的通道。并且目標(biāo)點和進(jìn)攻魚之間一直存在一個障礙物，當(dāng)進(jìn)攻魚再次發(fā)動進(jìn)攻時，防守魚有充足的時間，調(diào)整路線，再次進(jìn)入計劃路線。當(dāng)進(jìn)攻魚采取停止游動時，目標(biāo)點沒有變化，防守魚到了目標(biāo)點后也會采取停止游動的動作，而當(dāng)進(jìn)攻魚再次發(fā)起進(jìn)攻時，目標(biāo)點同樣會變化，防守魚也同時游動，再次進(jìn)入計劃路線。

5 結(jié)束語

采用該防守策略，大大增加了防守魚的生存率，增加了防守魚的存活時間。而可控速的位姿到位姿函數(shù)不僅能應(yīng)用躲避對方魚的攻擊，用于進(jìn)攻魚時也能達(dá)到比較好抓捕的效果。

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