基于位姿状态的机器鱼水中角力策略

贾静雯 陈 鉴 夏庆锋 秦晨芝 黄瑞琛



基于位姿状态的机器鱼水中角力策略

贾静雯 陈 鉴 夏庆锋 秦晨芝 黄瑞琛

为了使机器鱼在水中角力项目中取得时间上的优势，对机器鱼水中角力策略进行改进。姿态调整可使机器鱼对漂浮物保持最佳的施力方向，区域划分可减少机器鱼寻点的时间，这两点在策略中的应用可以有效地缩短机器鱼在游动过程中调整姿态的时间，通过理论分析和实验得到根据位姿寻点的进攻策略为最佳。应用此策略我队在2015年各级比赛中取得优异成绩。

随着人类的发展，对资源的需求不断增加，陆上资源的日益紧缺，于是人类把目光投向海洋。21世纪是海洋开发的世纪，水下机器人在海洋环境研究、海洋资源探测、海洋军事等方面具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值，吸引了人们更多的注意力。水下机器人竞赛是首个由中国人自己提出的竞赛项目，涉及的领域十分广泛，包括机械电子学、机器人学、传感器信息融合、智能控制、通讯、计算机视觉、计算机图形学、人工智能等，促进了研究和教育的结合，激发青年学生的强烈兴趣的同时，也培养了青年学生严谨的科学研究态度和良好的技能。

水中角力项目不同于以往的竞速项目，它还要考虑实时性、机器鱼水中受力、机器鱼进攻方向等方面。它是水中机器人比赛中一个非常考验选手策略编写能力和实际操作能力的项目。关于它的策略实现有很多种，例如设置单一球门，直接顶漂浮物某一点，撞击漂浮物等，但是这些策略忽略了水波阻力，对方机器鱼的干扰以及机器鱼在水中产生的撞击力不足以产生较大位移等方面。通过比较测试，笔者找出了一种相对高效的基于位姿状态的机器鱼水中角力策略，利用区域划分和姿态调整来减少机器鱼因受水波阻力以及对方机器鱼的干扰造成较大程度地偏转从而难以保持最佳的施力状态的情况。

全局视觉组水中角力项目简介

参赛队各派一条机器鱼参加比赛。以水池两个长边池壁的中点连线为分界线，将水池划分为左区和右区两个区域，每个区域尺寸均为 1.5 m×2 m。比赛开始时，裁判员将漂浮物放入水中，要求其圆心与水池中心重合并保持静止，同时将比赛双方的机器鱼如图1所示位姿静止放入漂浮物的内部。比赛开始后，A鱼将漂浮物顶向左区，B鱼顶向右区。

若在 1 分钟内，A队机器鱼率先将漂浮物完全顶入左区，则 A队获胜，比赛结束；反之若 B队机器鱼率先将漂浮物完全顶入右区，则 B队获胜，比赛结束。若上述两种情况均未出现，则比较 1 min达到时刻双方占有漂浮物的面积，面积较大一方获胜，比赛结束。若此时双方面积相等，比赛将直接进入加时赛，直至两方占有漂浮物的面积不等时为止，面积较大的一方获胜，比赛结束。

基于位姿状态的机器鱼水中角力策略

当ball_point.y

姿态调整法

rAim［0］.x =fishheader_point.x + 200；

于是要想实现该策略，有三个状态必须要知道：1）鱼头坐标fishheader_point；2）鱼中心坐标fishcenter_point；3）漂浮物的中心位置ball_point。

RX2=XOriginalEX + XThresholdEX，

求出鱼头到鱼中心的距离L1以及其y坐标的差值L2，利用三角函数求得鱼身与x轴的实际夹角ϴr ，公式如下：

关于系统工程素养问题，我只想开个头，这个问题很大、很复杂，需要深入的研究，对系统工程人才培养、系统工程研究和实践以及系统工程活动提供一些参考。

图1　全局视觉水中角力

图2　直接顶点法

假设进攻方向为由左至右，当ϴr >ϴ时，进攻点为（ fishcenter_point.x + XT1，fishcenter_point.y） ，XT1取略大于L1的值；当ϴr <=ϴ时，进攻点为（ball_point.x +XT2，ball_point.y），XT2取略大于漂浮物半径的值。

区域定点法

所谓区域定点法，指的是考虑漂浮物的直径将水池均分为三个区域，然后机器鱼根据漂浮物中心点的位置在相应的区域内进攻对应的球门（球门实际并不存在，而是笔者设置的静态环境），以减少机器鱼寻点的时间，如图4所示。

图3　鱼身偏移ϴ

图4　区域定点

要想实现该策略，有四个状态必须要知道：1） 漂浮物的中心位置ball_point；2）球门1坐标channel［0］. center；3） 球门2坐标channel.center；4） 球门3坐标channel.center。

“打糍粑喽！”我高兴极了。家里陆陆续续来了许多大人。这个时候，厨房里飘来阵阵糯米清香。我跑进厨房一看，大灶台里正蒸着糯米，奶奶在不断地往灶膛里添柴火。过了一会儿，只听爷爷喊：“米好啦！米好啦！”于是，叔叔伯伯们便走进厨房，用竹匾（）装好蒸熟的糯米，放入石磨里。大人们“嘿哟、嘿哟”地忙活了好一阵子，糯米都被磨成了米糊。妈妈将米糊倒入那个“大石碗”中，一旁的爸爸和几位伯伯，都举起了手中的大木槌，“啪”的一声，再一声，你一槌、他一槌，把糯米捶出一个大窟窿。才一会儿，大人们头上都布满了细密的汗珠。

假设机器鱼进攻方向为由左至右，则

所谓的位姿状态，主要指机器鱼在水池中所处的位置及其姿态。根据力学知识可知，要使漂浮物的受力达到最大，鱼头和鱼中心的连线应与过漂浮物中心点且与水池y轴垂直的直线重合，即当要求机器鱼由左至右进攻时顶球位置应在AB连线上，如图2所示。但是由于受水波以及对方鱼的干扰，我方机器鱼几乎不可能保持对漂浮物的最佳施力方向。于是笔者依据机器鱼的位姿状态进行策略改善。

rAim.y =ball_point.y；

当ball_point.y>Y2时，进攻方向为channel.center。

“还记得橡树湾动物园的管理员爷爷吗？”园长爷爷说，“他是我学生时代的朋友。去年他打电话给我，说有一个小男孩也许会联系我，询问一头小象的事。他说，‘他是一个很孤独的小男孩，小象安琪儿是他唯一的朋友。我不想告诉他，那头小象在周末患急症离世了，这会让他非常伤心。所以——’”

基于位姿状态的机器鱼水中角力策略

为了使机器鱼的进攻效果更好、效率更高，笔者从漂浮物的大小以及机器鱼游动的位置考虑大致将水池分为15个区域（横向先划分3个区域，纵向再划分5个区域）以减少机器鱼进攻位置不佳浪费时间的情况，并且考虑机器鱼的姿态即鱼身与x轴的偏离程度从而帮助机器鱼在游动过程中找寻最佳的进攻位置以减少机器鱼调整姿态的时间，基于这两点笔者提出了一种基于位姿状态的机器鱼水中角力策略，以下将详细说明该方法。

实现该策略，有四个状态必须要知道：1）鱼头坐标fishheader_point；2）鱼中心坐标fishcenter_ point；3）漂浮物的中心位置ball_point；4）鱼的方向 fish.GetDirection即为了获取鱼身与x轴的夹角ϴ。此外，还需要定义三个常量：1）水池中心x的坐标值XOriginalEX 375（需实际确认）；2）阈值一XThreshold 150；3） 阈值二：XThresholdEX 260。注：两个阈值根据水池大小实际设定。

假设进攻方向为从左至右，首先根据鱼头y坐标、漂浮物中心的y坐标以及漂浮物直径大小将环内区域划分为三部分也相当于将场地横向划分为三区域如图5，分别为

I区：ball_point.y - 60< fishheader_point.y < ball_point.y + 60，

II区：fishheader_point.y < ball_point.y - 60，

III区：fishheader_point.y > ball_point.y + 60；

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然后再根据鱼头x坐标继续纵向划分5个区域如图5所示，划分点为：

LX1=XOriginalEX - Xthreshold，

LX2=XOriginalEX - XThresholdEX，

RX1=XOriginalEX + XThreshold，

rAim.x =fishheader_point.x + 200；

我一边想着、一边独自漫步在罗马街头，两边的霓虹灯总是在以出乎人意料的节奏闪烁，汽车一辆接着一辆，各种音乐的喇叭在高歌、啼叫、冷笑、哀呜。车灯闪烁而过，映得行人的脸庞阴晴不定，似滑稽剧中的角色。罗马的歌剧总是以热闹著称，每个角色都有自己的任务。街上的行人就似歌剧中的角色，匆匆赶赴自己的夜生活。罗马是一个以夜生活为目的的城市，每个人都有自己的夜生活。

造成学生作业质量差的因素是多种多样的，要想使学生改变现状，我们可以采取客观评价与鼓励上进相结合的策略。当学生通过努力，在作业的某方面有所进步时，就可以适当抬高评价等级，对他们进行鼓励，使其体会到战胜困难取得成功的快乐。这种策略，对中下的学生非常实用。

大致将水池的x轴以比例3：3：8：3：3进行划分。

高职院校的学生营养素摄入少、三餐不合理、进食快、活动量少、经常熬夜，从而造成营养不良、肥胖发生率较高。调查发现，由于学生的营养知识的匮乏与营养意识的淡薄，普遍存在着膳食结构不合理的现象；并且高职院校学生大多数不注意奶制品的摄入，这与他们从小的生活习惯和饮食习惯有关[4]。

同时根据鱼的方向选取合适的进攻点。笔者根据鱼头y坐标所属区域定义了一类进攻点，定义如下：

CPoint rAim；

查阅文献[1-3]可知，塑料打包带(绳)的成分主要有聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

所谓姿态调整法，指的是当鱼身偏离水平位置即鱼头和鱼中心的连线与x轴夹角大于某一临界角ϴ（ϴ根据实际情况选取最佳值）时，先使鱼身尽量与x轴平行以保持最佳施力方向使漂浮物产生最大位移，如图3所示。

rAim［0］.y = fishheader_point.y + 120；

rAim.x =ball_point.x+ 340 ；

当ball_point.y∈［Y1，Y2］时， 进 攻 方 向 为channel.center；

传染病专科医院收治对象主要为各类肝病和艾滋病患者，这类人群大部分免疫力低下，极易发生医院感染[1]，且因病种的特殊，医院病原菌谱和耐药性也与综合性医院有差异[2，3]。为了解三级传染病医院病原菌分布及耐药性的特点，更好的控制医院感染及合理使用抗菌药物，我们对医院2012年1月-2016年12月临床分离的病原菌进行了分析，现报告如下。

此外,本次研究中发现经治疗后,患者治疗第8周与第12周PANSS评分显著降低(P<0.05);与此同时,相对治疗前,治疗后患者在各项TESS评分上均无显著差异(P>0.05)。

rAim.y = fishheader_point.y - 120；

又根据鱼的偏转方向定义了一类进攻点，定义如下：

“引江换水”实现了外秦淮河水体流动，有效改善了外秦淮河水质及城区水环境。由于秦淮河是流域行洪河道，河面漂浮物及沿河居民的生活垃圾随水流源源不断聚积到武定门节制闸上游，造成武定门节制闸上游闸区水面脏乱不堪，严重影响引江调水水质和周边水环境。节制闸上游河道较多的水草漂浮物长期以来打捞工作量很大。2013年年底江苏省秦淮河管理处采购打捞船一艘，打捞效率成倍提高，基本能够满足河道打捞需要。应继续做好这项工作。

CPoint rFishForward；

在个体在进行自我表露的过程中，也就是真诚地与他人分享自我的想法与感觉时，他们往往会表现得更加专注。[19]在同步沟通情境下，由于信息沟通是及时和快节奏的，沟通双方都被要求给出即时的反馈，这也就要求用户更加集中注意力并快速做出回应。在这种表露自我个人见解和反思其他用户的答复的过程中，个体往往会表现出更长时间地集中注意力，也就更有利于他们达到心流体验的状态。[10]而在异步沟通模式中，由于沟通主体之间的交流频率较低[8]，个体自我表露的程度较低，则很难保持高度专注力，因而心流体验产生的可能性也较低。因此本研究提出如下假设：

rFishForward.x =fishcenter_point.x + 60；rFishForward.y = fishcenter_point.y；

部分代码实现流程如图6（注x为鱼头x坐标）。

基于位姿状态的机器鱼水中角力策略优点

在比赛中，笔者观察到某些学校的策略是设置单一的顶球点，例如只设置一个球门或是直接顶漂浮物的某一点，该方式比较适合漂浮物位移较小的情况，但是比赛时由于水波阻力以及双方鱼的影响漂浮物很容易移动。还有些是采取撞击的方式，但是事实上机器鱼在水中撞击的冲力并不大，反而在准备撞击的过程中由于机器鱼没有在顶点脱离了漂浮物使得对方机器鱼赢得先机。

笔者考虑到机器鱼易受水波的阻力以及对方机器鱼的干扰造成较大程度地偏转从而难以保持最佳的施力状态，因此提出了一种基于位姿状态的机器鱼水中角力策略。该策略充分利用了水池的区域，也同时考虑了机器鱼偏转的角度，笔者根据机器鱼偏转角度的不同以及所处区域的不同设置了不同的进攻点以减少机器鱼进攻位置不佳浪费时间的情况，同时使机器鱼在游动过程中找寻最佳的进攻位置以减少机器鱼调整姿态的时间，从而达到更好的进攻效果、更高的进攻效率。

该策略基于区域划分和姿态调整，与之前只基于其中一点的策略有较大改善。与区域定点法相比，该策略划分区域更加细致，不仅仅是在纵向上有划分，横向上也有划分，将水池区域充分利用，从而更能减少机器鱼因寻点而造成延误进攻的时间。与姿态调整法相比，该策略因对区域划分特别细致，因而对进攻点的选取也有所不同。该策略不需要先调整姿态以保证施力方向最佳而是在游向进攻点的时候调整姿态即可以掌握更多的进攻时间。

位于巴黎蒙马特的Lesage刺绣坊，经过跨越世纪的甄选积淀，迄今已拥有超过60吨的收藏，流苏、水钻、饰带、珍珠、幻彩水晶以及精致宝石都在其中，当中包括自19世纪70年代保存至今的闪光水晶、20世纪的蛋面切割宝石、莱茵石、琉璃珠等。客户包括：Givenchy、Christian Dior、Scherrer、Calvin Klein、Oscar de la Renta、Christian Lacroix、Yves Saint Lauren 等。

图5　区域划分

基于位姿状态的机器鱼水中角力策略显示

基于文中所提出的方法，笔者做了大量实验进行验证，实验现象如图7所示。

从图中可以看出机器鱼在游动过程中确实很容易受水波以及对方鱼的干扰而造成较大程度偏转，用基于位姿状态的方法确实可以帮助机器鱼调整姿态并且根据机器鱼所属区域找到最佳顶点位置。

图7　顶点位置显示

结束语

笔者通过区域划分和姿态调整有效地减小了水波阻力以及对方机器鱼干扰的影响，该策略在南京大学金陵学院参加的多次比赛中已得到成功应用，并在2015年各级比赛中取得优异成绩，证明了该策略的有效性。

贾静雯 陈 鉴 夏庆锋 秦晨芝 黄瑞琛

南京大学金陵学院机器人实验室

贾静雯，1994，女（汉族），籍贯 江苏徐州，本科在读，通信工程专业。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.003

（1）2015江苏省高等学校大学生创新创业训练计划，“竞赛机器人关键技术研究”，项目编号：201513646009Y；（2）2015江苏省高校自然科学研究面上项目，“面向搜索的未知环境下多机器人感知与路径规划方法研究”，项目编号：15KJB510013；（3）南京大学金陵学院2014年教学改革与研究立项项目，“机器人创新设计实训”，项目编号：0010521508