王圣召 張燕 夏慶鋒

摘要：針對于在水中角力項目中，多數(shù)的策略只是頂最佳點的單一局勢下，本論文主要講解了一種基于劃分區(qū)域的機器魚水中角力策略。通過控制區(qū)和緩沖區(qū)的作用，能夠使機器魚更大程度的減少受到水流等環(huán)境的影響。同時采用機器魚在不同的區(qū)域內，不同的游動方式，使魚頭能夠始終保持水平的去撞擊圓環(huán)。多次實驗結果表明，該方法能夠讓機器魚即便處于不同的水環(huán)境中，都能夠較為高效進行角力比賽，并且比只頂最佳點的策略省時很多。該策略在實際比賽中也取得了不錯的成績。

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

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：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

國際水中機器人大賽是一項國際權威的機器人大賽，它以智能仿生機器魚為主題，在水中進行各類競賽，包括競速、花樣游泳、追逐和激烈對抗的水球比賽。作為水中機器人比賽中的一個新興項目，水中角力不同以往的競速類項目，它既考驗選手們的編程策略的能力，同樣需要選手們有著隨機應變以及強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)過多次實驗和改進，最終成了一種高效率的水中角力策略。

1全局視覺水中角力比賽的要求[1]

參賽隊各派一條機器魚參加比賽。以水池兩個長邊池壁的中點連線為分界線，將水池劃分為左區(qū)和右區(qū)兩個區(qū)域。比賽開始時，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，同時將比賽雙方的機器魚如圖1所示位置靜止放入漂浮物的內部。比賽開始后，A魚將漂浮物頂向左區(qū)，B 魚頂向右區(qū)。

2多關節(jié)仿生智能機器魚

本論文所介紹的是如圖2所示擁有類似于自然界中魚體的外形、運動模式甚至交互模式的仿生智能機器魚，它擁有“3溝道”，“3關節(jié)”設計，仿生人類最靈活的手指結構設計。“2.4G”自動調頻設計，72M高速處理CPU，STM32控制系統(tǒng)。動力持久，采用7.4V、1800mAh鋰電池超長待機。采用流體力學控制算法，運動更快、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，下面以向左進行角力為例來介紹一下該策略的具體區(qū)域劃分方法。該策略將圓環(huán)左側劃分為上下對稱的10個區(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：

對于控制區(qū)域寬度的調整，本論文在標準試驗場地經(jīng)過多次實驗，最終得出如表1控制區(qū)域寬度為5厘米更為合適的結論。

其中表內控制區(qū)寬度單位為厘米，魚頭調整幅度為魚頭正方向與水平x軸較小夾角的變化程度。調整時間為機器魚的魚中心位置從控制區(qū)調整到緩沖區(qū)所用的時間。能否控制是指該控制區(qū)是否能將機器魚調整回緩沖區(qū)。由表可見，控制區(qū)過于窄不能有效控制機器魚的方向調整，而寬度過于寬會導致機器魚在上下兩個控制區(qū)內反復的調整，并不能將魚控制在中心緩沖區(qū)內。

3.2控制算法

本論文將機器魚的擺尾幅度分為十五個等級，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。同時將機器魚的速度分為15個等級，

0為靜止狀態(tài)，14為最大游速狀態(tài)。

本論文主要用到Roundp2p點對點的游動算法，并且在不同區(qū)域內做了相應修改。當魚中心點FishPt和目標點aimpt之間的距離較遠時算法如圖4表示：

流程圖中dist1為魚中心點FishPt和目標點aimpt

之間的距離。距離方程為

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

dir1為魚頭和目標點之間的角度，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為魚的擺尾力度。此Roundp2p算法能夠以較高的效率使機器魚從一個點快速的游往另一個目標點。

3.3 不同區(qū)域間的控制

本論文將圖3內上下的1區(qū)稱之為正常區(qū)，即機器魚在這個寬度為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，機器魚在撞擊圓環(huán)的同時將向圖中最佳點靠近，由于慣性以及水流的制約，機器魚勢必將超過最佳點，并向另一側的控制區(qū)域滑動。因此合理的控制機器魚在中心1區(qū)頂圓環(huán)成了本策略的核心。

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

在圓環(huán)的右半部分，全部執(zhí)行以魚中心點和最佳點的Roundp2p策略，讓魚最快地進入到左半部分。從而開始執(zhí)行相應代碼。對于不同的控制區(qū)，例如圖3-1-1上部分的2和4。如果機器魚位于4控制區(qū)，說明機器魚已經(jīng)較大程度的偏離了正常區(qū)，從而需要更快地進行方向和力度的調整，因此2和4區(qū)域的代碼也可以進行改進，本論文在比賽中將2區(qū)域的擺尾力度設置為2，將4區(qū)域的擺尾力度設置為1，下部分也進行相應整改。因此在比賽中取得了不錯的表現(xiàn)。

3.4策略優(yōu)勢

其他策略可能會采取直接頂最佳點的算法，例如引入微分來進行建模，采取以最大速度一直頂住漂浮物的方式來進行建模分析[3]，這也是一個很好的算法。但是相比于本論文所提到的策略來講，基于區(qū)域劃分的好處是能夠使魚無論在哪個區(qū)域內魚頭方向都能始終保持水平狀態(tài)，這是一般策略所不能達到的效果。這樣頂圓環(huán)會使魚的動能更大化的作用于圓環(huán)上，如果只頂圓環(huán)最佳點，由于機器魚各個關節(jié)的銜接機理并不是簡單的鉸鏈連接[4]，所以勢必魚頭的方向將不斷的隨水流而改變，由于角度原因使分力減少，從而就降低了機器魚頂圓環(huán)的力度。

4 總結

（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)過多次角力比賽的考驗，本策略能夠做到使機器魚處于不同的水環(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)量和寬度的調整，控制區(qū)力度大小的調整。機器魚從較遠的緩沖區(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)域的機器魚水中角力策略能夠提供一個良好的啟發(fā)。

參考文獻：

[1]謝廣明. 機器人水球比賽項目推介書[M]. 北京： 北京 大學工學院， 2009：1-5.

[2]譚焜予， 買智源， 向偉. 機器魚水球比賽中精確與模糊 協(xié)作頂球策略[J]. 兵工自動化， 2013， 32（12）： 72-74.

[3]于飛，李擎，蘇中，原鑫.基于微分對策的水中機器人角力模型[J]. 兵工自動化， 2017， 36（12）： 94-96.

[4]黃伯崢，董輝躍，史豪斌.水中機器人帶球接力策略[J] . 兵工自動化 ，2013，32（12）：5962.