基于障礙物動(dòng)態(tài)平衡的2D仿真生存挑戰(zhàn)策略

何芮　蔣昊　李欣雨

摘? 要：為充分合理地利用場(chǎng)地，增加防守魚(yú)的生存時(shí)間，提出一種基于URWPGSim2D仿真平臺(tái)的生存挑戰(zhàn)策略：基于障礙物動(dòng)態(tài)平衡的防守策略。介紹了防守策略的實(shí)現(xiàn)方法，一種可控速的位姿到位姿函數(shù)，對(duì)動(dòng)態(tài)平衡路線加以分析。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和比賽驗(yàn)證表明：防守策略表現(xiàn)出優(yōu)秀的防御性能，能夠有效地躲避進(jìn)攻魚(yú)的攻擊，增加了防守魚(yú)的存活率。

關(guān)鍵詞：2D仿真;生存挑戰(zhàn);障礙物動(dòng)態(tài)平衡;可控速的位姿到位姿函數(shù)

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）06-0139-02

Abstract： In order to make use of the site， increase the survival time of defensive fish， puts forward a survival challenge strategy based on URWPGSim2D simulation platform： defense strategy based on dynamic balance of obstacles. This paper introduces the implementation of defense strategy， a controllable speed function and analyzing dynamically balanced routes. The results of experiments and competitions show that： The defense strategy shows excellent defense performance， which can effectively avoid the attack of attacking fish and increase the survival rate of defending fish.

Keywords： 2D simulation; survival challenge strategy; defense strategy based on dynamic balance of obstacles; a controllable speed function

引言

URWPGSim2D仿真平臺(tái)提供一種仿真機(jī)器魚(yú)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，采用面向?qū)ο笏枷搿膶?duì)象建模的角度看，包括仿真機(jī)器魚(yú)、仿真環(huán)境和仿真使命（比賽或?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目）三類模型，以仿真使命模型為中心，較真實(shí)地仿真出仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。筆者基于使用2018年URWPGSim2D仿真平臺(tái)參加比賽時(shí)使用的策略對(duì)生存挑戰(zhàn)項(xiàng)目進(jìn)行研究和改進(jìn)，提出一種圍繞障礙物動(dòng)態(tài)平衡的策略和一種可控速的位姿到位姿函數(shù)，能較好的使防守魚(yú)和進(jìn)攻魚(yú)達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，延長(zhǎng)了防守魚(yú)的存活時(shí)間。

1 生存挑戰(zhàn)項(xiàng)目介紹

2D 仿真生存挑戰(zhàn)是由2支隊(duì)伍參與，每支隊(duì)伍4條仿真機(jī)器魚(yú)，生存挑戰(zhàn)比賽項(xiàng)目比賽場(chǎng)地采用標(biāo)準(zhǔn)仿真場(chǎng)地（3000mm*2000mm）的1.5倍尺寸的場(chǎng)地，即規(guī)格為4500mm*3000mm，場(chǎng)地中央有三塊固定的正方形障礙物，其邊長(zhǎng)為 400mm，中心點(diǎn)坐標(biāo)分別為（0，700），（0，0），（0，-700）。

比賽初始狀態(tài)時(shí)，防守方有4條機(jī)器魚(yú)，1號(hào)魚(yú)為特殊魚(yú)，充當(dāng)“防御手”的角色;2，3，4號(hào)魚(yú)為常規(guī)魚(yú)，充當(dāng)“躲避手”的角色，進(jìn)攻方只有一條魚(yú)，為特殊魚(yú)，充當(dāng)“捉捕手”的角色。比賽總時(shí)長(zhǎng)10分鐘，分上下半場(chǎng)，一個(gè)半場(chǎng)時(shí)長(zhǎng)5分鐘，上下半場(chǎng)切換，進(jìn)攻方和防守方亦交換。

比賽時(shí)，“捉捕手”要盡量抓捕“躲避手”， “躲避手”要盡量躲避“捉捕手”。比賽結(jié)束后，通過(guò)“捉捕手”抓捕的“躲避手”數(shù)量和抓捕時(shí)間判斷輸贏。

2 動(dòng)態(tài)平衡路線分析

由生存挑戰(zhàn)項(xiàng)目介紹可知，進(jìn)攻魚(yú)的最大速度檔是15檔，而防守2、3、4號(hào)魚(yú)的最大速度檔是8檔。假設(shè)進(jìn)攻魚(yú)和防守魚(yú)暴露在一條直線上，憑借進(jìn)攻魚(yú)在速度上的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)攻魚(yú)可以很輕松的抓捕到防守魚(yú)。而當(dāng)進(jìn)攻魚(yú)的路線為一條曲線時(shí)，進(jìn)攻魚(yú)的速度不能時(shí)刻保持15檔，運(yùn)動(dòng)曲線的半徑越小，進(jìn)攻魚(yú)能達(dá)到的最大速度檔越小。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)筆者反復(fù)測(cè)試后得出結(jié)論：當(dāng)運(yùn)動(dòng)曲線半徑趨近于0時(shí)，進(jìn)攻魚(yú)的速度檔位為0檔;當(dāng)進(jìn)攻魚(yú)的前進(jìn)路線大致是一個(gè)半徑約300mm的圓時(shí)，進(jìn)攻魚(yú)的速度在8檔左右。考慮到障礙物對(duì)角線長(zhǎng)約為566mm，對(duì)角線長(zhǎng)度小于計(jì)劃路徑圓的直徑600mm，所以當(dāng)以平臺(tái)的三個(gè)障礙物的中心為前進(jìn)路線的圓心，300mm為半徑時(shí)的前進(jìn)路線時(shí)，防守魚(yú)和進(jìn)攻魚(yú)之間至少存在一個(gè)障礙物，進(jìn)攻魚(yú)改變進(jìn)攻策略時(shí)，防守魚(yú)也有充足的時(shí)間和機(jī)會(huì)做出相應(yīng)的調(diào)整，大大增加了防守魚(yú)的容錯(cuò)率，使防守2、3、4號(hào)魚(yú)的生存機(jī)會(huì)得到提升。

3 防守策略

針對(duì)目前主流的進(jìn)攻策略，筆者以進(jìn)攻魚(yú)抓捕防守3號(hào)魚(yú)為例來(lái)說(shuō)明防守策略（防守2、4號(hào)魚(yú)策略與防守3號(hào)魚(yú)策略相同）。首先，以障礙物的對(duì)角線為分割可將平臺(tái)分割為4個(gè)區(qū)域（如圖1）。

根據(jù)進(jìn)攻魚(yú)所在區(qū)域，判斷防守3號(hào)魚(yú)的目標(biāo)區(qū)域。具體代碼如下：

Z31=mission.TeamsRef[（1+teamId）%2].Fishes[0].PositionMm.x;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

Z32=mission.TeamsRef[（1+teamId）%2].Fishes[0].PositionMm.x*-1;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

判斷進(jìn)攻魚(yú)的X坐標(biāo)與0的大小關(guān)系和Z坐標(biāo)與Z31、Z32的大小關(guān)系，可以判斷進(jìn)攻魚(yú)所在區(qū)域。而防守魚(yú)所在區(qū)域，應(yīng)是和進(jìn)攻魚(yú)所在區(qū)域相對(duì)的區(qū)域，這樣才能確保進(jìn)攻魚(yú)和防守魚(yú)之間至少有一個(gè)障礙物。

3.1 如果進(jìn)攻魚(yú)在1號(hào)區(qū)域

此時(shí)防守3號(hào)魚(yú)目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)應(yīng)在3號(hào)區(qū)域。根據(jù)進(jìn)攻魚(yú)的坐標(biāo)和障礙物的中心坐標(biāo)可通過(guò)兩點(diǎn)確定一條直線，將Z=300帶入直線中，可以得到防守3號(hào)魚(yú)的目標(biāo)點(diǎn)X坐標(biāo)。

3.2 如果進(jìn)攻魚(yú)在2號(hào)區(qū)域

此時(shí)防守3號(hào)魚(yú)應(yīng)在4號(hào)區(qū)域。根據(jù)進(jìn)攻魚(yú)的坐標(biāo)和障礙物的中心坐標(biāo)可通過(guò)兩點(diǎn)確定一條直線，將X=300，帶入直線中，可以得到防守3號(hào)魚(yú)的目標(biāo)點(diǎn)Z坐標(biāo)。

以此類推，可以得到進(jìn)攻魚(yú)在3號(hào)區(qū)域、4號(hào)區(qū)域時(shí)防守3號(hào)魚(yú)的目標(biāo)點(diǎn)。通過(guò)控制防守魚(yú)的運(yùn)動(dòng)軌跡可使進(jìn)攻魚(yú)的前進(jìn)路線大致是一個(gè)半徑約300mm的圓，初步達(dá)到預(yù)想方案。

4 可控速的位姿到位姿函數(shù)

防守魚(yú)如果使用自帶的PoseToPose函數(shù)，當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)的變化程度較大時(shí)，防守魚(yú)會(huì)出現(xiàn)先轉(zhuǎn)向在前行的情況。在這種情況下，進(jìn)攻魚(yú)會(huì)以最大直線速度抓捕防守魚(yú)，防守魚(yú)毫無(wú)逃生機(jī)會(huì)。為不出現(xiàn)此類情況，筆者根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)和仿生魚(yú)當(dāng)前坐標(biāo)開(kāi)發(fā)了一個(gè)可控速的位姿到位姿函數(shù)，可根據(jù)具體的魚(yú)體轉(zhuǎn)向角度，調(diào)整轉(zhuǎn)向速度、前行速度。有效的克服了仿生魚(yú)先轉(zhuǎn)向再前行的困難。

魚(yú)體所需轉(zhuǎn)向角度=仿生魚(yú)此時(shí)的魚(yú)體方向角度-目標(biāo)點(diǎn)角度。其中，仿生魚(yú)此時(shí)的魚(yú)體方向可由TeamsRef [teamId].Fishes[i].BodyDirectionRad得到當(dāng)前隊(duì)伍第 i 條魚(yú)魚(yú)體方向。

目標(biāo)點(diǎn)角度可通過(guò)此方式得到：目標(biāo)點(diǎn)和魚(yú)體前端剛體中心兩點(diǎn)得到一個(gè)向量，將該向量單位化。因?yàn)閳?chǎng)地是從正X軸到負(fù)X軸，順時(shí)針為0～π，逆時(shí)針為0～-π，所以將單位化后的向量與（1， 0， 0）單位向量做點(diǎn)積運(yùn)算，并對(duì)結(jié)果做反三角函數(shù)運(yùn)算。應(yīng)該注意的是所得到的角度應(yīng)控制在-π～π之間。

最后，將-π～π區(qū)間劃分為很多個(gè)小區(qū)間，為每一個(gè)小區(qū)間分配不同的速度值和角速度值，當(dāng)某一時(shí)刻魚(yú)體所需轉(zhuǎn)向角度在該小區(qū)間內(nèi)，就會(huì)按照設(shè)定速度檔和轉(zhuǎn)向檔前進(jìn)。魚(yú)體所需轉(zhuǎn)向角度不斷變化，就會(huì)導(dǎo)致速度檔和轉(zhuǎn)向檔變化，從而達(dá)到可控速的位姿到位姿的要求。

采用該區(qū)間的速度值、角速度值。不斷調(diào)整后，可使防守魚(yú)游動(dòng)路線為一個(gè)半徑約300mm的圓。當(dāng)面臨更加復(fù)雜的情況時(shí)，比如進(jìn)攻魚(yú)在一段時(shí)間沒(méi)有任何進(jìn)展時(shí)，采取掉頭、停止等動(dòng)作都可以離開(kāi)設(shè)定的規(guī)劃路線。

筆者根據(jù)所寫(xiě)防守策略和所使用的可控速的位姿到位姿函數(shù)分析，當(dāng)進(jìn)攻魚(yú)采取掉頭時(shí)，對(duì)于防守魚(yú)來(lái)說(shuō)，目標(biāo)點(diǎn)變化程度不大且目標(biāo)點(diǎn)均位于防守魚(yú)原定路線的前方，防守魚(yú)幾乎不可能出現(xiàn)用魚(yú)身塞住障礙物之間的通道。并且目標(biāo)點(diǎn)和進(jìn)攻魚(yú)之間一直存在一個(gè)障礙物，當(dāng)進(jìn)攻魚(yú)再次發(fā)動(dòng)進(jìn)攻時(shí)，防守魚(yú)有充足的時(shí)間，調(diào)整路線，再次進(jìn)入計(jì)劃路線。當(dāng)進(jìn)攻魚(yú)采取停止游動(dòng)時(shí)，目標(biāo)點(diǎn)沒(méi)有變化，防守魚(yú)到了目標(biāo)點(diǎn)后也會(huì)采取停止游動(dòng)的動(dòng)作，而當(dāng)進(jìn)攻魚(yú)再次發(fā)起進(jìn)攻時(shí)，目標(biāo)點(diǎn)同樣會(huì)變化，防守魚(yú)也同時(shí)游動(dòng)，再次進(jìn)入計(jì)劃路線。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用該防守策略，大大增加了防守魚(yú)的生存率，增加了防守魚(yú)的存活時(shí)間。而可控速的位姿到位姿函數(shù)不僅能應(yīng)用躲避對(duì)方魚(yú)的攻擊，用于進(jìn)攻魚(yú)時(shí)也能達(dá)到比較好抓捕的效果。

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