楊云　張森　宋要斌　苗新敏　趙瑋

摘要：針對國際水中機(jī)器人大賽2D仿真項目搶球博弈，提出了一種基于場地區(qū)域劃分的運(yùn)球策略。該策略合理利用比賽場地，進(jìn)行區(qū)域劃分，在直線運(yùn)球時設(shè)置多個中間目標(biāo)點(diǎn)降低了運(yùn)球誤差，以及在狹窄區(qū)域利用仿真機(jī)器魚的身體、魚鰭和魚尾等魚體各部位進(jìn)行運(yùn)球。此策略避免了因魚體與場地邊緣相互作用而導(dǎo)致的失真現(xiàn)象，提高了進(jìn)球效率。

關(guān)鍵詞：機(jī)器魚；2D仿真；區(qū)域劃分；運(yùn)球策略

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）44-0103-03

一、前言

近年來，隨著仿生學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，仿生機(jī)器人取得了很大的進(jìn)步。魚類在游動的時候具有高推進(jìn)效率和機(jī)動性、低噪聲、高隱蔽性等優(yōu)點(diǎn)[1]，這些優(yōu)點(diǎn)引發(fā)了研究魚類的運(yùn)動機(jī)理和開發(fā)仿魚類水中機(jī)器人的熱潮。

URWPGSim2D仿真平臺提供了一種仿生機(jī)器魚的實(shí)時仿真系統(tǒng)，它可以模擬仿生機(jī)器魚的游動規(guī)律和位姿變化，驗證仿生機(jī)器魚協(xié)作算法與執(zhí)行任務(wù)的策略。在此基礎(chǔ)上，國際水中機(jī)器人聯(lián)盟組織了國際水中機(jī)器人大賽，并設(shè)立2D仿真項目。搶球博弈是在URWPGSim2D仿真平臺版本更新后新增的2D仿真項目，任務(wù)較為復(fù)雜，對抗性強(qiáng)，尤其是系統(tǒng)隨機(jī)產(chǎn)生的模擬水波以及仿真機(jī)器魚和場地邊緣相互作用時的失真情況，導(dǎo)致了魚體坐標(biāo)和位姿的跳變[2]，使仿生機(jī)器魚對水球的控制難度提高了很多。此項比賽目前還沒有優(yōu)勢較為明顯的策略，因此本文提出了一種基于比賽場地區(qū)域劃分的仿真機(jī)器魚運(yùn)球策略以解決這些問題。

二、搶球博弈比賽平臺簡介

2D仿真搶球博弈比賽平臺是URWPGSim2D仿真平臺中的一個對抗類比賽項目。它由兩支隊伍參與，每支隊伍有2條仿生機(jī)器魚，初始狀態(tài)時呈對稱分布在左、右半場，場中共有9個仿真水球，3個藍(lán)色水球（編號為0、1、2，每球各3分）位于場地正中央，2個紅色水球（編號為7、8，每球各2分）位于場地中線上下方，4個紫色水球（編號為3、4、5、6，每球各1分）位于場地四角。左、右各有一個球門，在初始狀態(tài)時，各隊球門都在其身后，通過計算10分鐘內(nèi)機(jī)器魚的進(jìn)入己方球門的所有球?qū)?yīng)的總分判定勝負(fù)，分?jǐn)?shù)高者獲得勝利。比賽場地、仿真機(jī)器魚編號及水球編號如圖1所示。

三、比賽場地區(qū)域劃分

在此項比賽中，參賽隊伍一般傾向于通過確定目標(biāo)點(diǎn)與水球的位置，使魚體、水球和目標(biāo)點(diǎn)的方向達(dá)成一線，通過魚頭的頂點(diǎn)頂球達(dá)到進(jìn)球得分的目的。具體來講，當(dāng)比賽計時開始后，仿真機(jī)器魚以最大速度游到藍(lán)色3分球后方，運(yùn)行基本的直線運(yùn)球策略，使水球向己方球門兩側(cè)運(yùn)行；如果出現(xiàn)對方機(jī)器魚與己方機(jī)器魚爭搶水球時，運(yùn)行搶球策略。當(dāng)籃球進(jìn)入球門后，再將紅色2分球運(yùn)回球門，最后運(yùn)輸離球門最近的紫色1分球。

但是相對于場地中央的寬闊區(qū)域，球門后方及靠近場地邊緣的區(qū)域比較特殊，這些區(qū)域由于系統(tǒng)隨機(jī)產(chǎn)生的模擬水波以及仿真機(jī)器魚和場地邊緣相互作用時的失真情況，使得魚體難以控制。如在這些特殊區(qū)域使用全程直線的運(yùn)球方式，將很難實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)球，從而造成較多的時間浪費(fèi)。將比賽場地進(jìn)行劃分并分別選擇運(yùn)球策略，并結(jié)合仿真機(jī)器魚的游動特點(diǎn)和身體形狀，對魚的運(yùn)球及進(jìn)球策略進(jìn)行規(guī)劃是非常有必要的。

搶球博弈的比賽場地由于球門居中設(shè)置在場地內(nèi)，使其復(fù)雜程度有所提升。本文將其分為5個區(qū)域：中央?yún)^(qū)、球門區(qū)、球門前緩沖區(qū)、目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置區(qū)、對方球門區(qū)。每個區(qū)域有各自的作用，對應(yīng)著不同的運(yùn)球策略。

（1）中央?yún)^(qū)：此區(qū)域空間廣闊，無障礙物，雙方機(jī)器魚爭奪水球。

（2）球門區(qū)：水球進(jìn)入此區(qū)域即可獲得相應(yīng)分?jǐn)?shù)。

（3）球門前緩沖區(qū)：此區(qū)域進(jìn)球容易，但非常狹窄，障礙物較多，魚體與場地邊緣相互作用易產(chǎn)生失真現(xiàn)象。

（4）目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置區(qū)：此區(qū)域可設(shè)置中央?yún)^(qū)的運(yùn)球目標(biāo)點(diǎn)，使水球靠近己方球門。

（5）對方球門區(qū)：水球進(jìn)入此區(qū)域后，我方爭奪非常困難，對方易得分。

四、仿真機(jī)器魚運(yùn)球策略

在運(yùn)球過程中，由于仿真平臺的原因，每當(dāng)魚體靠近場地邊緣時總會出現(xiàn)失真現(xiàn)象，使得魚體反復(fù)調(diào)整自身位姿，從而嚴(yán)重影響仿真機(jī)器魚的運(yùn)球過程。因此，在寬闊區(qū)域和場地邊緣應(yīng)該考慮不同的運(yùn)球策略以達(dá)到高效進(jìn)球的目的。具體可以分為以下三種情況。

1.當(dāng)水球在比賽場地的中央?yún)^(qū)，采用直線運(yùn)球是最簡單快捷、高效的方法，即通過頭部頂球使球到達(dá)靠近己方球門的目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置區(qū)。然而當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)較遠(yuǎn)時，由于隨機(jī)水波的影響，很容易在運(yùn)球過程中產(chǎn)生方向角度的偏差，從而導(dǎo)致運(yùn)球路徑的加長。這里可以在較遠(yuǎn)的目標(biāo)點(diǎn)和仿真機(jī)器魚之間建立數(shù)個距離較短的中間目標(biāo)點(diǎn)，從而縮小單次的運(yùn)行路徑，提高運(yùn)球準(zhǔn)確性。

2.當(dāng)水球在中央?yún)^(qū)和目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置區(qū)，當(dāng)球靠近場地邊緣時，為防止仿真機(jī)器魚魚體與邊界相互作用產(chǎn)生失真現(xiàn)象，可以利用魚鰭側(cè)身運(yùn)球[3]，提高運(yùn)球的平穩(wěn)性，仿真機(jī)器魚利用魚鰭側(cè)身運(yùn)球進(jìn)入球門前緩沖區(qū)的過程如圖3所示。

利用魚鰭側(cè)身運(yùn)球的實(shí)現(xiàn)過程如下：

Step1：當(dāng)球靠近墻體時改原先球上的擊球點(diǎn)為另外的目標(biāo)點(diǎn)以達(dá)到斜體運(yùn)球的目的，可將目標(biāo)點(diǎn)設(shè)為：xna，Vector3 Point = new xna，Vector3（fishes[1].PositionMm.X+N，0，fishes[1].PositionMm.Z+M），M、N為常數(shù)。

Step2：通過改變M、N的數(shù)值來控制魚體傾斜游動的角度。

Step3：通過調(diào)用機(jī)器魚游動函數(shù)Dribble達(dá)到控制魚體頂球的目的。

3.當(dāng)水球由目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置區(qū)運(yùn)輸?shù)角蜷T前緩沖區(qū)時，由于球門后的空間狹小，仿真機(jī)器魚運(yùn)球時容易與場地邊緣相互作用造成失真現(xiàn)象，魚體不受控制地在同一地點(diǎn)反復(fù)調(diào)整角度和位姿，較為浪費(fèi)時間。為了避免此現(xiàn)象，本文提出一種在球門后方狹窄區(qū)域直接擊球入球門的算法，即通過判斷魚體相對于球的位置來選擇進(jìn)球方式，在旋轉(zhuǎn)魚體的過程中利用仿真機(jī)器魚的身體和尾巴掃球進(jìn)門，過程如圖4所示。

利用身體和尾巴掃球的實(shí)現(xiàn)過程如下：

Step1：當(dāng)魚與球同時出現(xiàn)在目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置區(qū)時，以球門前緩沖區(qū)內(nèi)一點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)，使球運(yùn)向球門后的中間區(qū)域。

Step2：當(dāng)球中心超過橫線進(jìn)入框體內(nèi)側(cè)時，判斷魚體中心與球中心的距離。

Step3：當(dāng)此距離大于300時，按照直線頂球策略，將球運(yùn)向目標(biāo)點(diǎn)；當(dāng)此距離小于300時，判斷魚體是在球體的左側(cè)還是右側(cè)。當(dāng)魚體在球右側(cè)時，執(zhí)行以目標(biāo)點(diǎn)在其左上方60°為目標(biāo)點(diǎn)的直線頂球策略，直到球進(jìn)框計數(shù)得分；當(dāng)魚體在球左側(cè)時，使魚體逆時針旋轉(zhuǎn)，由于魚體與球相距距離較小，球會向球門方向掃去，這樣避免了由于框內(nèi)空間狹小而出現(xiàn)失真的現(xiàn)象，同時增加了魚體右側(cè)的活動范圍。

五、結(jié)論

本文針對國際水中機(jī)器人大賽2D仿真新增項目搶球博弈提出了新的運(yùn)球策略。在充分考慮了比賽場地地形和因魚體與場地邊緣相互作用而導(dǎo)致的失真現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，對比賽場地進(jìn)行了區(qū)域劃分，提出了設(shè)置多個中間目標(biāo)點(diǎn)的直線運(yùn)球策略，以及在狹窄區(qū)域利用仿真機(jī)器魚的身體、魚鰭和魚尾等魚體各部位進(jìn)行運(yùn)球的運(yùn)球策略。通過多次的實(shí)驗驗證，與全場直線運(yùn)球策略相比，本策略在規(guī)定時間內(nèi)的進(jìn)球數(shù)目有明顯提升。

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