野外生存赛项思路算法分析

李强

● 野外生存赛项概述

野外生存自2012年开始成为NOC活动赛项，参加人数逐年增加。2014年参加人数更是达到了180人，占参加决赛学生人数的五分之一。其算法难度更是对参赛学生的极大考验，不但要求学生在两个小时内完成机器人搭建、程序编写、完成仿真任务，更是要求师生发挥集体智慧在赛前做好各种应变。每次正式比赛中会存在一些变化的元素，但变化只有进入赛场才被告知，这使得整个比赛充满着不确定性，学生的实力可以充分得到验证：对算法一定是深刻理解并掌握，死板照抄根本不可行。正是这样的变化可能，要求师生在赛前对算法的通用性及易用性做较为深入的研究和准备。回顾三年来成绩较为突出的队伍，无一不是学生参与研究过程，甚至学生远超过教师的现象也时有发生。这一现象无疑是非常喜人的。比较突出的事例是：第一季时，淄博一对父子为了不泄露其真实的算法设计，连续一周内疯狂研究，最终探索出另外一套算法，并以全市第四的成绩拿到全国出线权。当其把真实算法思路公布于众时，我有种惊为天人的感觉。

● 野外生存赛项思路算法分析

三年来，野外生存的场景任务年年推陈出新，难度年年增加，任务特色鲜明、趋近现实。现在，我们以探索水源为例，分析其思路算法。

1.竞赛目标

基于虚拟的野外生存网络环境，参赛选手通过编程来智能操控机器人完成各种生存挑战，考核选手对编程语言理论知识的掌握与应用能力，既培训选手对机器人知识的学习兴趣，又促进了其对野外生存技巧的了解，以及在复杂环境下快速的判断能力、理性的冒险精神。

2.竞赛任务

机器人由起始区出发，经不同路线寻找到水源，任务成功完成。

3.变化的元素

（1）机器人起始区的位置和朝向可能会发生变化（起始区出发的两条线路中反向延长某一条作为出发区）。

（2）机器人行进路线上标志块的位置可能发生变化（红色标志块不一定就在护栏部分的入口和出口）。

（3）机器人行进路线上可能会增设一些障碍（增设类似石头类的障碍，干扰机器人正常行走）。

（4）三类路线的形状可能会发生变化（可能会变成S型或者急转弯类型的路线）。

4.基本算法思路

（1）如图1所示，当机器人行进至1位置时，打开套索滑下，然后进入水潭。滑绳索路线的算法思路是走最简单的路，拿最多的分。其中，蓝色区域可以被灰度传感器检测到，当检测到达蓝色区域时，机器人直流电机停止，伺服电机打开滑索。当滑索扣紧时，机器人重心升高离地，依靠重力滑下绳索，直接越过下方断桥，同时获取周边得分物。当海拔高度差小于高度差或计时大于4秒时（车身晃动，防止海拔高度误测过早掉落），伺服电机回收，机器人自然掉落地面，直达水源。

（2）过木板桥路线的算法思路是把木板推倒搭桥。

①利用指南针传感器在起点处左转至270度（代码略）。

②利用左手法则，使机器人一直沿左侧墙壁行走的代码如下所示。

public static void zuoshou （） //定义左手法则算法

{

if （（GetObst（32） == 1）） // GetObst（32）为障碍传感器_左近

{

youchasu（）； //向右 差速转弯

}

else

{

if （（GetObst（33） == 0）） //GetObst（33）为障碍传感器_左远

{

ZuoChaSu（）； //向左 差速转弯

}

else

{

ZhiHang（）； //直行

}

}

}

③for循环3次走完3个红色块。

while （（GetGray（34） ！= 76）） 和 while （（GetGray（34） == 76））

//利用不等于走到红色块处，利用等于走出红色区域

④慢速延时推木板搭桥。

sd = 7； //定义直流电机速度为7

ZhiHang（）； //直行

Sleep（500）； //延时500ms

StopAllMotor（）；//停止所有电机动作

（3）过悬空桥路线的算法思路是绕山体跑，至悬空桥处，模拟火车轨道自动变向。

①沿用过木板桥算法直至悬空桥处。

②悬空桥过法：一是依靠程序，二是模拟火车轨道自动变向。

当我第一次把模拟火车轨道自动变向的思路提出来后，得到了热烈的反响，从实际使用来看，效果非常好。

③路线虽然增长了，但算法结构并没有增加很多，同时可以得到更多的加分。

5.综合思路

（1）木板桥处，利用伸杆横扫所有得分。

算法的难点是：

①伸杆什么时候展开？

②以怎样的角度展开？

③如何展开？（不能影响机器人正常的行进）

解决办法是：

A.伸杆的展开以最近红色区域为定位基准（如图2）。

不管机器人什么时候到达，只要知道机器人什么时候离开。

while （（GetGray（34） == 76）） //当机器人离开红色区域时，退出循环。

从机器人离开红色区域时，便开始计时算法。算法设计可以设计为计时控制（但由于机器人下坡时并不稳定，所以计时控制并不能较好地把握时机）。更好的办法是采用“海拔高度传感器+指南针传感器”双控制。海拔高度传感器可以精确探测是否已经下坡，而根据环绕山体跑的电机设置，指南针传感器可以准确定位其位置。在极坐标点（r，θ）时，r的值可以被电机的定值速度差唯一设定，而θ角由指南针传感器测得。

B.展开的角度采用渐进叉形栅格慢速展开，类似于日常生活中的叉型拉闸门。需要注意的是，每个顶点伺服电机正负展开，一侧正向则其顶端另一侧为反向。

C.展开的方式是先给速度差固定的电机设置，然后给固定时间的伺服电机设置。在伸杆打开的这段时间内，机器人按照一定的转弯半径做绕山体转动，转动时间由伺服电机打开的时间决定。

（2）木板桥处，利用伸杆推倒木板桥竖向横扫所有得分。此处皆为伺服电机的动作设计，故略。

（3）悬空桥处，机器人前行过程中伸展手臂做运动的分（如图3）。

● 综述

在该任务场景中，共有三条基本路线，五个“较难得分物”，总分455分。多任务性、多选择性所带来的抉择不同，必然导致最后得分的不同。走一条路线的同时能否获得其他路线的物品？怎么走才能获得更多的任务物品？吊桥可以过去也可以不过去，如何设计？多任务性和多选择性的任务场景设计，要求教师和学生们的思路必须一再突破，机器人行走路线的选择趋向同时完成多个任务。在完成了一条路线得分的同时，又完成了第二条路线的得分，但是能不能再同时获取第三条路线的得分？即便是拿到了三条路线的任务物品，能不能将所有的得分物都拿到？这就是多任务、多选择性的野外生存的魅力！多任务、多选择性场景任务原则的确立，使其在整整一年的比赛准备期间都充满着竞争，分数一再刷新、不断刷新。野外生存成为NOC活动中竞争最激烈的项目，究其原因就在于此。endprint