基于位姿状态的机器鱼水中角力策略

作者:贾静雯;陈鉴;夏庆锋;秦晨芝;黄瑞琛 刊名:《中国科技信息》 上传者:欧阳欣卉

【摘要】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。

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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1.5m2m。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1min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。姿态调整法所谓姿态调整法,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?(?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。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。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?r,公式如下:M=fishheader_point.y-fishcenter_point.y(1)N=fishheader_point.x-fishcenter_point.x(2)L1=M2+N2(3)L2=M(4)r=arcsin(L2/L1)(5)假设进攻方向为由左至右,当?r>?时,进攻点为(fishcenter_point.x+XT1,fishcenter_point.y),XT1取略大于L1的值;当?r<=?时,进攻点为(ball_图1全局视觉

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