基于數(shù)學(xué)運(yùn)算的機(jī)器魚比賽進(jìn)攻策略

1、 基于數(shù)學(xué)運(yùn)算的機(jī)器魚比賽進(jìn)攻策略 查羿+夏慶鋒Summary：為了提高機(jī)器魚進(jìn)攻的效率，頂球兼?zhèn)渌俣刃院瓦B貫性，提出了一種基于數(shù)學(xué)運(yùn)算的進(jìn)攻策略。無論是準(zhǔn)備進(jìn)攻階段的路徑規(guī)劃，還是到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)之后的頂球算法，都是基于坐標(biāo)系下進(jìn)行的。為了更加直觀，此坐標(biāo)系是原水池坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)而得的。利用數(shù)學(xué)的解析幾何知識(shí)，合理規(guī)劃進(jìn)攻路線，并在到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)之后，根據(jù)機(jī)器魚，球，對(duì)方球門的坐標(biāo)幾何位置關(guān)系，來決策機(jī)器魚的下一步動(dòng)作。Key：機(jī)器魚；路徑規(guī)劃；頂球算法；坐標(biāo)運(yùn)算；水球比賽：TP393 ：A ：1009-3044（2016）28-0265-03由中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)機(jī)器人競(jìng)賽工作委員會(huì)主辦的“中國(guó)水中機(jī)器人大賽

2、”是中國(guó)人完全自主創(chuàng)立的機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目，以智能仿生機(jī)器魚為主體，在水中進(jìn)行各類競(jìng)賽，包括競(jìng)速、追逐和對(duì)抗的水球比賽。無論哪種比賽形式，參賽隊(duì)伍要想取勝，就必須進(jìn)更多的球或是比賽用時(shí)最短，這就涉及進(jìn)攻策略的優(yōu)劣性。進(jìn)攻分為規(guī)劃路徑和頂球策略，高效而有序地規(guī)劃路徑使得魚最快捷地接近水球，搶占進(jìn)球的先機(jī)，而頂球策略的優(yōu)劣是衡量一支隊(duì)伍實(shí)力的關(guān)鍵因素，但由于水中環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性，使機(jī)器魚的頂球點(diǎn)容易出現(xiàn)方向偏差。因此，在分析最基本的頂球算法上，提出了基于坐標(biāo)變換的頂球算法，在已知球、魚、球門的幾何坐標(biāo)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)最合適的頂球動(dòng)作，大大提高了進(jìn)球的效率。1 仿生機(jī)器魚機(jī)器魚總體結(jié)構(gòu)由魚頭、魚身和魚

3、尾三個(gè)部分組成。魚頭是剛性材料的，魚身是橡膠皮套，尾部是新月形尾鰭。魚頭部分由控制電路板、電池、通信模塊、電源開關(guān)和胸鰭組成，其中控制電路板、電池、通信模塊和電源開關(guān)都置于剛性魚頭內(nèi)部，魚頭上面有三個(gè)孔：中間的是天線，負(fù)責(zé)接收和發(fā)出信號(hào)以控制機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)；左邊的是充電頭，充電的時(shí)候紅線在上黑線在下，充電過程中可以看到綠燈一閃一閃的，若綠燈不閃一直亮則說明充電完成；右邊的是氣孔，一般情況下氣孔是被封閉的，如果發(fā)現(xiàn)魚在水中往下沉，則說明是漏氣了。魚身由三個(gè)關(guān)節(jié)串聯(lián)組成，每個(gè)關(guān)節(jié)都是一個(gè)舵機(jī)，機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)主要是通過身體的這三個(gè)擺動(dòng)轉(zhuǎn)化為周圍水的運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)魚的運(yùn)動(dòng)，靠的是反作用力。2 比賽策略在比

4、賽過程中，我方進(jìn)攻主要分為兩個(gè)步驟：有效控制機(jī)器魚游向目標(biāo)點(diǎn)，根據(jù)球、魚、球門三者幾何位置關(guān)系確定魚的基本動(dòng)作。這便涉及如何確定魚的位置，魚的方向，目標(biāo)球門的位置，水球的位置；如何合理高效地進(jìn)行路徑規(guī)劃，從而使得機(jī)器魚能夠在緊張而激烈的比賽環(huán)境中迅速到達(dá)目標(biāo)擊球點(diǎn)；如何在行進(jìn)途中規(guī)避障礙物；以及到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)后選擇怎樣的動(dòng)作決策以確保球更加精準(zhǔn)地進(jìn)入球門。筆者在本文中將詳細(xì)探討機(jī)器魚的路徑規(guī)劃以及到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)之后的頂球算法。2.1 基于坐標(biāo)運(yùn)算的頂球算法目前基本頂球算法和切入圓頂球算法是比賽中常用的方法，其核心思想便是先讓機(jī)器魚沿直線運(yùn)動(dòng)到最佳射門點(diǎn)，再調(diào)整自身方向，然后前游頂球。但是機(jī)器魚的頭部比

5、較光滑，寬度較窄，而且目標(biāo)為球形，機(jī)器魚和球的接觸面積很小，機(jī)器魚要持續(xù)帶球前進(jìn)相當(dāng)困難。機(jī)器魚更多的是采取用頭部和尾部甩動(dòng)方式推動(dòng)水球前進(jìn)。在機(jī)器魚到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)之后，根據(jù)魚、球以及對(duì)方球門的坐標(biāo)幾何位置關(guān)系設(shè)計(jì)動(dòng)作決策機(jī)制，來選擇機(jī)器魚動(dòng)作，其算法結(jié)構(gòu)如圖1所示。在實(shí)際比賽中，機(jī)器魚帶球的方向可能是任意的，因此為使機(jī)器魚可以向任意球門位置帶球，首先需要進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)變換，如圖2所示。3 實(shí)驗(yàn)使用以上方法進(jìn)行單魚頂球?qū)嶒?yàn)，對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)分為以下幾個(gè)過程：a）實(shí)驗(yàn)開始，魚向目標(biāo)點(diǎn)游動(dòng)；b）機(jī)器魚到達(dá)擊球點(diǎn)，左甩頭將球甩進(jìn)球門； c）機(jī)器魚到達(dá)左甩尾將球甩進(jìn)球門；d）機(jī)器魚到達(dá)向右擺頭甩球前進(jìn)

6、；e）機(jī)器魚到達(dá)右甩尾甩球前進(jìn)；f）機(jī)器魚頂球徑直入門。整個(gè)過程用時(shí)30s。該實(shí)驗(yàn)重復(fù)50次，記錄下進(jìn)球的時(shí)間，機(jī)器魚每次進(jìn)球時(shí)間基本維持在20s到50s左右（由于實(shí)驗(yàn)的偶然性，有幾次時(shí)間超過50s，但不具有代表性），而運(yùn)用前面提及的基本頂球算法，則發(fā)現(xiàn)進(jìn)球時(shí)間大多數(shù)在70s以上，甚至出現(xiàn)數(shù)次6min之內(nèi)任務(wù)不能完成情況。4 小結(jié)該策略能夠使機(jī)器魚沿著一條比較平滑的路徑準(zhǔn)確地到達(dá)頂球點(diǎn)，參與進(jìn)攻，使機(jī)器魚的進(jìn)攻具有連續(xù)性和針對(duì)性。同時(shí)，避免了角度變化引起的震動(dòng)和水的波動(dòng)等不穩(wěn)定因素，以及機(jī)器魚自身機(jī)械和運(yùn)動(dòng)的特殊性，并且以魚的方向?yàn)榭v坐標(biāo)軸建立新的坐標(biāo)系，將機(jī)器魚，球門，水球坐標(biāo)全部在新的坐標(biāo)

7、系中求解出來，利用數(shù)學(xué)運(yùn)算來簡(jiǎn)單進(jìn)行的基本動(dòng)作和決策規(guī)則設(shè)計(jì)，使機(jī)器魚的進(jìn)攻更有效，提高了帶球進(jìn)攻的成功率。Reference：1 謝超平， 孔峰， 陶金. 基于模糊控制的仿生機(jī)器魚轉(zhuǎn)向控制研究J. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用， 2009（4）： 26-28.2 孔峰， 陶金， 謝超平. 移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)研究J. 廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)， 2009（4）： 70-74.3 機(jī)器人水球比賽項(xiàng)目推介書M. 北京： 北京大學(xué)工學(xué)院， 2009.4 王月海， 董天禎， 洪基于動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)圓的機(jī)器人足球射門算法研究J. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2005， 37（7）： 953-955.5 臧軍旗， 趙臣， 崔煒， 等. 基于區(qū)域和切圓弧的足球機(jī)器人射門動(dòng)作研究J. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2005， 37（7）： 950-9526 柴仲明， 禹梅， 劉舒. 基于遺傳算法的機(jī)器魚路徑規(guī)劃J. 兵工自動(dòng)化， 2010， 29（11）： 92-96.7 Triantafyllou M S， Triantafyllou G 5. An efficient swimming machineJ. Scientific American， 1995（5）：64-70.8 Tse F， Mores I E，