基于2D仿真平臺的斯諾克進球策略

楊崇海

摘 要：近幾年機器人技術不斷發(fā)展，機器魚也成為這一領域的熱門研究對象。文章介紹了2D仿真平臺URWPGSim2D，斯諾克規(guī)則，目前常用的策略和算法，以及為了提高機器魚的速度和效率，提出了策略改進。

關鍵詞：2D仿真；斯諾克；頂球算法

前言

近年來機器人技術不斷發(fā)展，科學家們將機器人技術同仿生學結(jié)合，便考慮利用機器來模仿魚。魚作為脊椎動物，進化出了超強的水中運動能力，不僅能在拉力游速或爆發(fā)游速下實現(xiàn)高機動性，而且能在持久游速下保持低功耗、高效率。機器魚的實用性很強，而且已經(jīng)應用到了多種領域中，如探測水體污染、水下探測、水下救援等。目前專門開發(fā)了一個水中機器人2D仿真比賽平臺，用于解決仿真機器魚和水中機器人比賽項目研發(fā)中遇到的困難，是一款實時仿真系統(tǒng)，水下仿真魚的各個部位的姿態(tài)變化、運動狀態(tài)變化都能模擬出來。通過機器魚水球比賽，能很好地測試水下仿真機器魚的各種運動學理論、水波干擾理論及碰撞檢測理論等體系結(jié)構(gòu)，從而更好地促進了水下機器人技術的發(fā)展。

1 仿真平臺及斯諾克項目簡介

1.1 平臺簡介

水中機器人水球比賽仿真器2D版（Underwater Robot Water Polo Game Simulator 2D Edition， URWPGSim2D）軟件主要作為水中機器人比賽的2D仿真組比賽平臺，包括服務端和客戶端兩大部分。服務端模擬水中比賽環(huán)境，控制和呈現(xiàn)比賽過程及結(jié)果，向客戶端發(fā)送實時比賽環(huán)境和過程信息及結(jié)果；客戶端模擬比賽隊伍，加載比賽策略，完成計算決策過程，向服務端發(fā)送決策結(jié)果。

1.2 開發(fā)環(huán)境

URWPGSim2D采用操作系統(tǒng)Windows XP Professional SP3，Windows Vista或Windows 7，集成開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual Studio Team System 2008 Team Suite with SP1或 Microsoft Visual Studio 2008 Professional with SP1，使用C#（CSharp） V3.0編譯。

1.3 仿真機器魚

魚頭為弧形，魚體為矩形，魚尾為三個首尾相接底邊長遞減的等腰梯形，尾鰭為一個細長矩形和胸鰭為兩個直角三角形。

1.4 仿真水球

仿真水球的2D模型為一個圓形。

1.5 比賽場地

2D仿真水中斯諾克為非對抗性比賽項目，每只隊伍只有一條仿真機器魚，比賽場地大小為4500mm*3000mm，包括6個球門，4個矩形障礙物，10個仿真球。

1.6 斯諾克規(guī)則介紹

（1）第一階段：比賽開始先把1個紅球推入球洞，然后按照一個紅球一個彩球的順序推球入洞，直至全部紅球入洞。其中彩球入洞后自動放回初始位置，若初始位置有其他球，則其他球被自動擠開。（2）第二階段：紅球全部入洞后，按照黃、綠、棕、粉的順序推彩球入洞。（3）符合上述規(guī)則的進球為有效進球，否則為無效進球。無效進球為紅球時彈出提示對話框，裁判確認后，紅球自動放回球門處；無效進球為彩球時不提示，彩球直接放回初始位置，若初始位置有其他球，則其他球被自動擠開。

2 比賽策略分析

2.1 目標球的選擇

在比賽中，對于目標球的選擇時，考慮是分數(shù)最大化。因此在選擇彩球時，通常優(yōu)先選擇粉球。選擇紅球時，通常選擇的是離目標球門最近的紅球。

2.2 目標球門的選擇

在比賽中，選擇球門時，大多考慮的是減少機器魚頂球的時間，爭取在有限的時間里獲得更高的分數(shù)。

2.3 頂球算法的選擇

2.3.1 基本頂球算法。在基本頂球算法中，可以設置目標球設置目標點與最佳頂球點，目標點為球到球門的正方向的射線上的一個點，最佳頂球點為反方向的一個點。魚會先游到最佳頂球點，再把球按著目標點的方向游動，將球頂進球門。魚在靠近最佳頂球點的過程中，先加速再減速到最佳頂球點，然后轉(zhuǎn)彎，最后加速頂球。此算法原理簡單，容易實現(xiàn)，但是實際比賽和測試中效果并不好，主要原因是：水中的環(huán)境在不斷變化，每次都不能到達相同的效果，水中阻力比較小，魚不能準確的停在最佳頂球點，魚會按照原來的運行軌跡運動一段的時間，為了達到最佳頂球點，還需要不斷調(diào)整姿態(tài)，浪費了比賽的時間，不能取得良好的成績。

2.3.2 切入圓頂球算法。切入圓頂球算法先運動到切入圓上，再沿著圓的軌跡運動到最佳頂球點，再把球頂?shù)角蜷T，實現(xiàn)了魚到球路徑的規(guī)劃?；舅惴ㄟ^程描述為：

（2）確定切入圓。過A點做直線L1的垂線L2，L1為過球的一條直線，在L2上向圓內(nèi)取距離A點為r的圓心O，然后以r為半徑，做圓。即圓心為O，半徑為r，最佳頂球點A為圓上的一個切點。

（3）半徑r的選擇。r為魚旋轉(zhuǎn)最流暢的轉(zhuǎn)彎半徑，即在一定的轉(zhuǎn)彎檔位下，游動速度最快的轉(zhuǎn)彎半徑。

切入圓頂球算法達到了引導球按照指定的路徑運動到最佳頂球點A的效果，同時魚的姿態(tài)調(diào)整簡潔，減少了調(diào)整角度的時間，但在比賽中和測試中效果并不理想，主要是因為：由于水波的擾動，球隨時處于一個變化的狀態(tài)，從而使切入圓不斷變化，導致魚長期處于位姿不斷調(diào)整的狀態(tài)，增加了進球的時間。

3 策略改進

3.1 目標球選擇改進

選擇距離最短的紅球可能會受到其他紅球的阻礙，導致魚頂球困難，浪費更多的時間，可能會出現(xiàn)其他不可控的狀況。因此可以根據(jù)自己的路徑規(guī)劃來選擇紅球，減少其他紅球的阻礙，增加穩(wěn)定性。

3.2 目標球門選擇改進

影響頂球時間的因素為魚要旋轉(zhuǎn)的角度和前進的距離以及球到球門的距離。通過比賽的實踐和平時的測試，我們能夠得出，平臺中水流是向下的，因此逆水流頂球可能會導致球發(fā)生偏移，再次調(diào)整魚的姿態(tài)需要花費大量的時間，導致策略不穩(wěn)定，影響比賽成績。所以選擇球門時要盡量選擇下方球門，根據(jù)對路線的規(guī)劃的距離的選擇，中下球門和左下球門為最近目標球門。

3.3 頂球算法選擇改進

在實際中發(fā)現(xiàn)，基本頂球算法較切入圓算法有更高的效率，因此如果能在基本頂球算法的基礎上，提出一些對算法的改進，可以有效的提高成績?；卷斍蛩惴ㄊ侵苯邮骨虻竭_最佳頂球點，魚的轉(zhuǎn)彎會隨著慣性而出現(xiàn)偏移，導致消耗更多的時間?？梢詫⒒卷斍蛩惴ǖ倪^程分為多個階段，使魚一步一步達到目標點，有助于對路徑的規(guī)劃，使比賽的得分得到提高，同時也可以在不同階段設置不同的速度，以達到分段控制的目的。

4 結(jié)束語

本文對目標球、目標球門進行了合理選擇，并且提出了將魚的進球分成多個階段的策略，提高了策略的穩(wěn)定性，使得機器魚的進球效率得到了很大的提升。目前此策略在比賽中得到了很好的應用，能夠取得不錯的成績。

參考文獻

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