机器鱼仿真3对3策略研究

西南民族大学学报·自然科学版第37卷5月专辑 Journal of Southwest University for Nationalities ⋅Natural Science Edition May.2011______________________________________________________________________________________________收稿日期：2011-03-01联系作者：邓彦松(1976-), 男, 讲师.文章编号: 1003-2843(2011)05专-0231-04 机器鱼仿真3对3策略研究谭敏, 张新, 唐霖, 邓彦松(西南民族大学电气信息工程学院, 四川成都 610041)摘 要: 在2D 机器鱼仿真平台上, 本文主要研究了机器鱼的进攻策略和防守策略. 在策略中较详细地叙述了三条鱼之间的配合; 同时, 也较具体地分析了鱼找球, 鱼顶球, 绕开对方鱼和阻挡对方进攻鱼等过程, 并且调试出了两个重要函数的程序. 在仿真实验中取得良好的效果.关键词: 2D 仿真; 机器鱼; 进攻策略; 防守策略中图分类号: G642 文献标志码: Adoi ：10.3969/j.issn.1003-2483.2011.05专.681 引言机器人[1]技术是一项高度交叉的综合性前沿技术, 它融合了信息技术、电子工程、机械工程、控制理论、传感技术以及人工智能等前沿科学技术, 是各种先进技术的综合性平台. 针对目前水下仿生机器鱼和水中机器人比赛研发中遇到的困难, 水中机器人比赛2D 仿真平台提供一种真实的仿生机器鱼水球比赛实时仿真系统, 真实地模拟水下仿生机器鱼[2]各个关节的位姿变化、运动状态变化情况及机器鱼水球比赛运行状况, 能更好地测试水下仿生机器鱼各种运动学理论、水波扰动理论、碰撞理论、运动策略算法等水下仿生机器鱼体系结构, 从而更好地对水下仿生机器鱼结构系统及控制策略系统进行改进, 同时降低了研发成本, 使更多的人加入到研发队伍中来, 更好地促进水下机器人技术的发展. 水中机器人比赛主要以机器鱼水球比赛为正式比赛(包括1vs1和3vs3), 同时还包括3种形式的技术挑战赛：单鱼顶球, 双鱼对游, 自选表演等. 机器鱼水球比赛, 其基本形式是两组机器鱼进行对抗, 将水球顶进对方球门[3].2 机器鱼仿真平台简介水中机器人比赛2D 仿真平台是基于Microsoft Robotics Studio SDK1.5开发的, 充分利用了平台提供的仿真引擎服务. 运行时由CCR 和DSS 两个主要的组件构成, 方便用户编译、监视、发布以及根据需要构建各种各样的应用程序. CCR(Concurrency and Coordination Runtime, 并发和协调运行时)提供一个高度并发的、面向消息的编程模型, 利用强大的消息组织机制替代了锁定、信号量等线程操作, 它是整个开发平台运行时的核心; DSS(Decentralized System Services, 分布式系统软件) 提供了一个轻量级的面向服务的应用程序模型, 融合了传统网络架构的主要特性和一部分网络服务架构的特性, 它是基于CCR 核心运行时开发的.机器鱼仿真比赛的规则：场地环境包括场地尺寸(3000mm ○1*2000mm)、场地线(均为5mm 宽的白线)、球门(宽度450mm 、深度150mm)、禁区、发球点、点球点、争球点; 比赛准备包括加载策略和参数设置; 比赛时间分为常规比赛时间(10分钟)、加时赛时间(1分钟)、点球时间和制胜球时间. 在比赛中, 若常规赛没有分出胜负就进入加时赛, 若加时赛仍分不出胜负就进入点球时间, 若点球还分不出胜负则进入制胜球时间; 记分方法是整个水球越过门线, 则进球得分, 此时进球球队记分牌得分加1, 并根据记分牌得分决定获胜队; 若在比赛过程中出现死球(死球就是水球附近有双方的机器人至少各一个, 并且水球位置变化很小, 这种状态持续10秒以上),西南民族大学学报·自然科学版 就进行争球. 3 策略分析在机器鱼仿真3vs3的策略分析中, 我们详细的研究了进攻策略和防守策略3.1 进攻策略在3vs3比赛的进攻策略中, 我们研究了常规赛、加时赛、点球和制胜球的策略. 其中, 较详细的研究了鱼顶球和我方鱼带绕开对方鱼的具体方法.(1) 常规赛与加时赛的进攻策略如图1所示, 将我方的三条鱼分别标为鱼1, 鱼2, 鱼3. 当比赛开始时, 鱼1游回我方球门处防守, 并且始终面向球. 鱼2、鱼3都以最大的速度游向球. 若鱼2抢到球, 则鱼3向对方禁区游去; 若鱼3抢到球, 则鱼2向对方禁区游去(此时后面的鱼2相当于鱼3, 鱼3相当于鱼2). 当鱼2抢到后, 向对方球门处带球, 如果发现对方的某条鱼与球的距离越来越靠近时, 此时应判断这条鱼的方向和位置, 找到合适的路径绕开它. 若鱼2绕开对方鱼后, 就带球向对方禁区游去, 并准备射门. 此时, 再判断对方禁区和球门是否有鱼防守, 若对方无鱼防守, 我方鱼则带球直接射门; 若对方有鱼守门, 则鱼2带球向对方球门中心处行进, 若有其它鱼来阻挡, 则绕开它, 此时鱼3已经游入对方禁区, 鱼3应尽力阻挡对方守门鱼, 鱼2在鱼3的掩护下带球向鱼3的另一侧前进, 并在适当的位置将球射入对方球门. 如果在对方禁区内鱼2被断球, 则鱼3应立即游回球场中心处, 并极力阻挡对方带球鱼和设法将球抢断. 鱼2也游回球场中心处, 并尽力阻挡对方进攻. 若鱼3能将球抢断, 重复上面的过程(此时鱼3相当于前面的鱼2).(2) 点球策略首先我方鱼带球, 以对方球门的中心点),(b a 为射门的点. 我方鱼以一定的速度带球前进, 若对方球门中心处无鱼防守, 我方鱼则直接带球射门; 当我方鱼发现对方球门中心点处有对方的防守鱼, 且我方鱼离对方防守鱼之间的距离小于某一数值时, 我方鱼应以对方球门的另一点),(yd b a +○4为射门的点, 并以最大速度将球向该点顶, 直至顶入对方球门.(3) 制胜球策略首先我方鱼向球门的边角带球, 以吸引对方防守鱼. 当我方鱼带球前进一半后向另一个边角带去, 若对方防守鱼也朝这个方向游来, 当与我方鱼距离小于某一值时, 我方又向另一个边角带球过去, 并争取比对方防守鱼先游到此边角处, 然后将球顶进. 若我方鱼在游的过程中判断出比对方鱼后到, 并且与球门的距离很短时, 我方鱼直接带球射门.函数1○2:public static double Distancetopoint (doule x,doule y,double a,double b){ return Math.Sqrt((a-x)*(a-x)+(b-y)*(b-y));}函数2○3:public static double Angletopoint (doule x,doule y,double a,double b){ double distance X=a-x;Double distance Y=b-y;If(distance X<0){ if (distance Y>0){return Math.PI+Math.Atan(distance Y/distance X);}Else if (distance Y<0)5月专辑 {return Math.Atan(distance Y/distance X)-Math.PI;}}Else if (distance X>0){return Math.Atan(distance Y/distance X);}Return;}鱼顶球的图形分析：图1 比赛开始的画面 图2 鱼顶球分析图如图2所示, 设球的坐标为),(y x , 对方球门中心点坐标为),(b a , 则两者之间距离为：r= ))(())((b y b y a x a x −−+−− (调用函数1), y mm −=1000y1,)/1sin(ar r y c =θ (调用函数2). 我方进攻鱼顶球的点应在对方球门的中心与球心延长线上, 因此, 设顶球点与球心的相对距离为rd , θsin )(2r rd y +=, θtan /22y x =. 所以, 鱼顶球的点的坐标应为：)sin )(1000,cos )(3000(θθrd r mm rd r mm +−+− (rd 是可以调的).我方鱼带球绕开对方鱼的图形分析：图3 绕开对方鱼分析图 图4 我方鱼防守分析图如图3所示, 设球的坐标为),(y x ,对方鱼的正上方点的坐标为),(b a , 顶球点与球心的相对距离为rd(rd仍为可调), b y y −=1,x a x −=1,)1/1arctan(x y =θ (调用函数2), 球与该点的坐标之间的距离为： ))(())((b y b y a x a x r −−+−−= (调用函数1). 所以, θsin )(2rd r y +=,θcos)(2rd r x +=. 因此, 鱼顶球的点的坐标又为：)2,2(b y x a +−,即)sin )(,cos )((θθrd r rd r a ++−.3.2 防守策略如图4所示, 比赛一开始, 若我方鱼2未抢到球, 则鱼3停止向对方禁区游去. 此时, 我方鱼2游向球, 并设法将其抢断, 若我方鱼2能够将球抢断, 则进入进攻策略. 在我方鱼2向球游去的同时, 我方鱼3游回我方禁区线外, 若鱼2未能将球抢断, 并且对方鱼正带球向我方球门处靠近, 这时鱼3应选择有效的路径去断球. 若鱼3断球成功, 则进入进攻策略(此时鱼3相当于鱼2). 如果鱼2, 鱼3都未能将球抢断, 则鱼1就应在球门处防守. 鱼西南民族大学学报·自然科学版 1的纵坐标应随球的纵坐标改变而改变, 并且鱼1始终面向球. 当对方进攻鱼带球越来越靠近球门时, 鱼1应选择合适的路径并以最大的速度游向球, 并将其抢断, 若鱼1能将球抢断, 则进入进攻策略(此时鱼1相当于鱼2), 而鱼2则游回球门处防守.4 仿真实验与结果分析为了验证本文提出的进攻和防守策略的适用性和正确性, 在水中机器人比赛2D 仿真平台上进行了仿真实验. 首先将本文中的进攻与防守策略用程序编写出来, 然后加载到实验的平台上, 并观察其实验的过程. 实验内容主要包括我方鱼能否将球顶入对方球门和我方鱼能否阻挡对方鱼进攻. 如图5所示, 该图为我方鱼进攻时的画面.实验结果表明：在进攻中, 我方鱼能够迅速地找到球, 在带球的过程中也能够较容易的绕开对方防守鱼, 同时还能较准确的找到射门点射门; 在防守中, 我方鱼也能够抢断对方进攻鱼的球, 有效的阻挡对方鱼的进攻; 3条鱼之间的配合在实验中也充分地体现出来了, 尤其是在防守的过程中. 实验达到了预期的效果, 并验证了本文中的进攻策略与防守策略的可行性与适用性.5 结束语本文所叙述的进攻与防守策略是一种基本的算法, 也即是一种数学模型. 在仿真实验中, 将此算法以程序的方式加载到仿真平台上, 就能表现出该算法的核心和主旨. 2D 仿真平台为仿生机器鱼的改进与创新提供了较为真实的环境, 对仿生机器鱼理论的研究有相应的帮助. 随着社会的不断进步和科学技术的不断升华, 仿生机器鱼也将变得越来越智能化[4], 同时也会有不错的发展前景, 而2D 仿真平台在仿生机器鱼的发展道路上扮演着重要的角色.注释：○1mm 表示毫米, 以后出现的mm 都表示毫米 ○2该函数是用来计算两点间的距离○3该函数是用来计算两点间的方向角○4yd 为可调实数, 范围为：0=<yd=<255毫米参考文献：[1] 谭民, 王硕, 曹志强. 多机器人系统[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005.[2] 陈尔奎, 喻俊志, 王硕, 等.一种基于视觉的仿生机器鱼实时避障方法[J]. 控制与决策, 2004(4).[3] 陈言俊, 李果, 陈宏达, 等. 仿生机器鱼水球比赛策略系统的初步探究[J]. 机器人技术与应用, 2009(4).[4] 王硕, 谭民. 机器鱼人工智能科普丛书[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2006.Study on the 3 VS 3 Strategies of Emulation of Robotic FishTAN Min, ZHANG Xin, TANG Lin, DENG Yan-song(College of Electrical and Information Engineering, Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, P.R.C.)Abstraction: This paper explores the offensive and defensive strategies applied in the emulation experiment of 2D robotic fish. The paper gives a detailed description of the cooperation among the three robotic fish and analyzes how the fish detects and butts the ball and the way it avoids and stops the defensive fish. Besides, two important function programs have been debugged during the process, and the emulation experiment turns out quite well.Key words:The 2D emulation; Robotic fish; Offensive strategies; Defensive strategies 图5。