基于数学运算的机器鱼比赛进攻策略

查羿+夏庆锋

摘要：为了提高机器鱼进攻的效率，顶球兼备速度性和连贯性，提出了一种基于数学运算的进攻策略。无论是准备进攻阶段的路径规划，还是到达目标点之后的顶球算法，都是基于坐标系下进行的。为了更加直观，此坐标系是原水池坐标系旋转而得的。利用数学的解析几何知识，合理规划进攻路线，并在到达目标点之后，根据机器鱼，球，对方球门的坐标几何位置关系，来决策机器鱼的下一步动作。

关键词：机器鱼；路径规划；顶球算法；坐标运算；水球比赛

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）28-0265-03

由中国自动化学会机器人竞赛工作委员会主办的“中国水中机器人大赛”是中国人完全自主创立的机器人竞赛项目，以智能仿生机器鱼为主体，在水中进行各类竞赛，包括竞速、追逐和对抗的水球比赛。无论哪种比赛形式，参赛队伍要想取胜，就必须进更多的球或是比赛用时最短，这就涉及进攻策略的优劣性。进攻分为规划路径和顶球策略，高效而有序地规划路径使得鱼最快捷地接近水球，抢占进球的先机，而顶球策略的优劣是衡量一支队伍实力的关键因素，但由于水中环境的复杂性和不确定性，使机器鱼的顶球点容易出现方向偏差。因此，在分析最基本的顶球算法上，提出了基于坐标变换的顶球算法，在已知球、鱼、球门的几何坐标的基础上设计最合适的顶球动作，大大提高了进球的效率。

1 仿生机器鱼

机器鱼总体结构由鱼头、鱼身和鱼尾三个部分组成。鱼头是刚性材料的，鱼身是橡胶皮套，尾部是新月形尾鳍。鱼头部分由控制电路板、电池、通信模块、电源开关和胸鳍组成，其中控制电路板、电池、通信模块和电源开关都置于刚性鱼头内部，鱼头上面有三个孔：中间的是天线，负责接收和发出信号以控制机器鱼的运动；左边的是充电头，充电的时候红线在上黑线在下，充电过程中可以看到绿灯一闪一闪的，若绿灯不闪一直亮则说明充电完成；右边的是气孔，一般情况下气孔是被封闭的，如果发现鱼在水中往下沉，则说明是漏气了。鱼身由三个关节串联组成，每个关节都是一个舵机，机器鱼的运动主要是通过身体的这三个摆动转化为周围水的运动，从而推动鱼的运动，靠的是反作用力。

2 比赛策略

在比赛过程中，我方进攻主要分为两个步骤：有效控制机器鱼游向目标点，根据球、鱼、球门三者几何位置关系确定鱼的基本动作。这便涉及如何确定鱼的位置，鱼的方向，目标球门的位置，水球的位置；如何合理高效地进行路径规划，从而使得机器鱼能够在紧张而激烈的比赛环境中迅速到达目标击球点；如何在行进途中规避障碍物；以及到达目标点后选择怎样的动作决策以确保球更加精准地进入球门。笔者在本文中将详细探讨机器鱼的路径规划以及到达目标点之后的顶球算法。

2.1 基于坐标运算的顶球算法

目前基本顶球算法和切入圆顶球算法是比赛中常用的方法，其核心思想便是先让机器鱼沿直线运动到最佳射门点，再调整自身方向，然后前游顶球。但是机器鱼的头部比较光滑，宽度较窄，而且目标为球形，机器鱼和球的接触面积很小，机器鱼要持续带球前进相当困难。机器鱼更多的是采取用头部和尾部甩动方式推动水球前进。在机器鱼到达目标点之后，根据鱼、球以及对方球门的坐标几何位置关系设计动作决策机制，来选择机器鱼动作，其算法结构如图1所示。

在实际比赛中，机器鱼带球的方向可能是任意的，因此为使机器鱼可以向任意球门位置带球，首先需要进行相应的坐标变换，如图2所示。

3 实验

使用以上方法进行单鱼顶球实验，对算法进行验证。实验分为以下几个过程：a）实验开始，鱼向目标点游动；b）机器鱼到达击球点，左甩头将球甩进球门； c）机器鱼到达左甩尾将球甩进球门；d）机器鱼到达向右摆头甩球前进；e）机器鱼到达右甩尾甩球前进；f）机器鱼顶球径直入门。整个过程用时30s。

该实验重复50次，记录下进球的时间，机器鱼每次进球时间基本维持在20s到50s左右（由于实验的偶然性，有几次时间超过50s，但不具有代表性），而运用前面提及的基本顶球算法，则发现进球时间大多数在70s以上，甚至出现数次6min之内任务不能完成情况。

4 小结

该策略能够使机器鱼沿着一条比较平滑的路径准确地到达顶球点，参与进攻，使机器鱼的进攻具有连续性和针对性。同时，避免了角度变化引起的震动和水的波动等不稳定因素，以及机器鱼自身机械和运动的特殊性，并且以鱼的方向为纵坐标轴建立新的坐标系，将机器鱼，球门，水球坐标全部在新的坐标系中求解出来，利用数学运算来简单进行的基本动作和决策规则设计，使机器鱼的进攻更有效，提高了带球进攻的成功率。

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