36 机器人技术与应用双月刊 第4期利用关系因子解决机器鱼的转向问题赫胜杰 张建新 柴仲明(华北电力大学自动化系, 北京, 102206)摘 要:本文以单鱼顶球为例，根据鱼到击球点的方向与鱼球到球门中心位置方向的相对夹角，划分进攻 区域，同时根据鱼的方向与鱼到击球点的方向的相对夹角划分鱼的方向状态。在确定进攻区域和方向状 态后，考虑关系因子的权重，参考关系因子设计动作，最后经过实验的反复调试、校正、制定出有效地 动作集。 关键词: 机器鱼1 引言水下机器人(AUVAutonomous Underwater Vehicle)是人们开发和利用海洋资源的重要手段。由于机器鱼的转弯半径小、推进效率高、动作灵活等特点，使其在水下机器人领域有着较好的发展前景。机器鱼比赛为大学生了解机器鱼的仿生特性、机械原理及其控制方式搭建了良好的平台。在机器鱼比赛中，对于机器鱼如何转弯、到达期望位置，可谓仁者见仁，智者见智。本文以单鱼顶球为例，对机器鱼进攻的动作集做以研究。2 动作集的制定在制定动作集之前，要根据鱼到击球点的方向与鱼球到球门中心位置方向的相对夹角对进攻区域进行划分，分出主进攻区、辅助进攻去、不利进攻区，再根据鱼的方向与鱼到击球点的方向的相对夹角确定位置状态，根据进攻区和位置状态的不同组合，参考影响动作集的关系因子作出有效的进攻决策。2.1 划分进攻状态采用在这种进攻方式中，首先设定好球门中心点的位置 ,球的半径 。利用图像采集方式，采集鱼的位置 ,鱼头方向 ，球的位置 。然后通过计算得到一些重要参数：鱼的方向： 击球点的位置坐标：鱼到击球点的方向： 球到球门中心位置的方向：鱼到击球点的方向与鱼球到球门中心位置的方向的相对夹角：鱼的方向与鱼到击球点的方向的相对夹角：先假设一个前提，鱼和击球点的距离小于球半径的3倍。在这个前提下根据鱼的方向 、鱼到击球点的方向与鱼球到球门中心位置的方向的相对夹角 、鱼的方向与遇到球的方向的相对夹角将进攻状态进行如下划分：首先根据 划分，以鱼到击球点的方向准，将鱼到击球点的方向与鱼球到球门中心位置方向的相对夹角从-到等分为8分，其中 -/4到 -/4为主进攻区，在这个区域内，从鱼中心点观察，球基本是正对球门，进攻最有效。 /4到 3/4以及 -3/4到 -/4为辅助进攻区域，在这些区域内，鱼需要做相应的调节，才能到达较好的进攻位置，得到有效地进攻方向；或者当球和球门距离较近时，考虑到用鱼尾甩球的方式进攻。当3/4 或者- -3/4时，从鱼的中心位置观察，球背对球门。这个区域不利于进攻，机器鱼要做出高效的调节，快速调整到有效进攻位置（图1）。在划分好进攻区域后，根据鱼的方向与鱼到击球点的方向的相对夹角 对鱼的位置状态进行划分，依然是以鱼到击球点的方向为准，同样是把GatePtradFishdir.*cos()GoalPt xBallPt xradDirGateToBall=+ .*sin()GoalPt yBallPt yradDirGateToBall=+FishdirDirFishToGoalFishdir1tempdirDirFishToGoalDirBallToGate=2tempdirFishdirDirFishToGoal=1tempdir 2tempdir 1tempdir1tempdir 1tempdir 1tempdir 1tempdir1tempdir1tempdir1tempdir1tempdir2tempdirDirBallToGate专题报道 Special Reports2009年7月30日 机器人技术与应用 37动。所以，根据 和 划分完进攻区域以及位置状态后，应尽量避免在两个相邻状态鱼的进攻动作有较大变化，而且这可以作为衡量动作集是否高效的标准。因为在相邻状态交界处临近的区域，鱼的进攻动作应该基本相似。2.2.3 权重一般鱼头到击球点的距离 ；这个关系因子，在决定鱼以多大的转弯角度前进或转向的时候发挥作用。在确定鱼的转弯方向后，要参考 确定转弯角，当较小的时候，需要在短距离内调整角度，转弯角度要大。当较大的时候，对前进速度的要求就比较大，这时候转弯角要小，从而能在合适的转弯角度基础上得到较快的速度。2.2.4 权重最低鱼尾到击球点的距离 ；当用到鱼尾甩球的时候要考虑到鱼尾到击球点的距离 ，这是鱼尾能不能触球的前提。因为用到鱼尾甩球做进攻动作的机会比较少，而且这个进攻动作会对后续进攻带来不良影响，所以把鱼尾甩球的前提 加的权重较低，只有 满足要求时，才做考虑（图3）。表1（关系因子权重表）图3 做动作决策时依次参考关系因子2.3 动作集当进攻区域和位置状态完成划分后，根据机器鱼在不同进攻状态下需要的转弯角度和转弯半径，以及前进速度制定动作。进攻动作的制定要按照权重依次从-到等分为八份。在确定了鱼到击球点的方向与鱼球到球门中心位置的方向的相对夹角 后，在不同的进攻区域内，鱼都有不同的方向状态，它们共同组成了鱼的进攻状态。要解决的问题是针对这些进攻状态，根据一些关系因子来完成鱼的动作集（图2）。2.2 影响动作集的关系因子影响动作集的关系因子有很多，这里只考虑了比较重要的几个：球到球门的距离； 鱼当前的动作方向 ；鱼头到击球点的距离 ：鱼尾到击球点的距离。对这些关系因子加权如表1所示：2.2.1 权重最高球到球门的距离 ；因为比赛中得分是最关键的，当 足够小的时候，可以利用鱼尾部甩球等动作进攻。而尾部甩球动作完成后，鱼的方向与球到球门的方向夹角往往在/2到之间或者在-到-/2之间，而且鱼到球的距离大于3倍球半径。也就是说，鱼不进入进攻区，对后续进攻造成不良影响。所以，只有球到球门的距离足够小时，才能使用鱼尾甩球得分。2.2.2 权重较高鱼当前的动作方向 ；水波是能量的载体，能传递能量，推动球向水波前进的方向前进，这种前进趋势是不好操控的，是控制系统的扰1tempdir图1 根据 划分的进攻区域1tempdir2tempdir图2 根据 划分的进攻区域2tempdirDisFishheadToGoalDisBallToGate .actiondirectionDisBallToGate DisBallToGateDisBallToGate1tempdir2tempdirDisFishheadToGoalDisFishheadToGoalDisFishheadToGoal权重 关系因子最重 球到球门的距离较重 鱼当前的动作方向一般 鱼头到击球点的距离最低 鱼尾到击球点的距离DisFishheadToGoal38 机器人技术与应用双月刊 第4期参考影响动作集的关系因子。制定好的动作要经过反复校正，在实验中，利用北京大学提供的比赛用平台进行调试和更改，得到能有效进攻的动作集。检验进攻动作是否有效的最主要标准，是鱼推动球的方向和球到球门的方向 是否一致，即：（1）鱼触球位置与触球点 的偏差 越小越好，当偏差为零时，为期望触球位置；（2）鱼作用在触球位置的力的方向与球到球门的方向 的夹角 越小越好，当夹角为零时，为期望进攻方向。关于动作集的制定流程，如图4所示。图4 制定动作集的流程3 利用摄影技术辅助制定动作集上述方法提到的动作集的制定要经过反复试验来校正，在校正过程中，要多次观察对比机器鱼在同一进攻状态下不同动作的效率，从而得出有效进攻动作。可以利用摄影技术辅助制定动作集。固定相机位置，固定快门时间，在同一进攻状态下，对不同的进攻动作进行连续拍摄。由于快门的时间是一定的，通过图像对比我们可以得到：（1）鱼、球、球门的位置状态和方向状态一致的情况下，鱼在不同进攻动作下到达的触球位置与触球点 的偏差 ；（2）鱼、球、球门的位置状态和方向状态一致的情况下，鱼在不同进攻动作下作用在触球位置上的力的方向与球到球门的方向 的偏差 （3）鱼、球、球门的位置状态和方向状态一致的情况下，鱼在不同进攻动作下到达触球点或者合理触球位置（与触球点偏差较小的触球位置）的时间；（4）鱼动作集的方向变量 影响转弯半径，速度变量 影响推进速度和触球后球前进的动量。通过对比计算 出 不 同 的 、 对鱼触球后球前进速度的影响，这个工作对尾部甩球等动作研究很有意义。4 结论本文在理想状态下讨论了一种进攻方式，一些现实因素没有考虑，例如鱼在转弯的时候可能发生碰壁现象等问题。但是，这种理想情况下的研究具有普遍性，解决了鱼和球距离较近情况下，如何决策鱼的进攻动作这个问题。文中提到的前两个问题：进攻区域、位置状态，考虑了所有情况下鱼、球、球门的位置和方向问题，对指定进攻动作提供了思路。四个关系因子是在反复实验的基础上提出来的，是制定进攻动作一条原则，同时也在理论上判断了动作的合理性。利用摄影技术辅助制定动作集，可以帮助解决进攻动作的制定。当机器鱼在水中运动时，利用高速摄像机进行连续拍摄，用一组静态的画面表述机器鱼在水中连续的动作，通过观察分解后的动作，分析机器鱼的进攻效率，以便对动作集进行改善。参考文献1Shao J,Wang L,Yu J.Development of an artificial fish-like robot and its application in cooperative transportation J. Control Engineering Practice.2008,(16):569-584. 2周超，曹志强，王硕等.微小型机器鱼的设计与实时路径规划 J.自动化学报.2008,34(7):772-777. 3喻俊志,陈尔奎,王朔等.一种多仿生机器鱼协作系统的设计与初 步实现J.系统仿真学报, 2002,14(10):1316-1320. 4梁建宏，王田苗，魏洪兴.仿生机器鱼技术研究进展及关键问题 探讨J.机器人技术与应用.2003,(3):14-19.GoalPtPtDirDirBallToGate ；.actiondirection .action speedGoalPtPtDirBallToGateDir.actiondirection.action speedUsing the relationship factor to solve the turning issue of the robotic fishshengjie He, jianxin Zhang, zhongming ChaiNorth China Electric Power University, Beijing 102206Abstract: Single fish pushing ball is taken for an example in this paper .Pushing region is divided according to the relative angle between the