艾志華

(太原理工大學(xué),山西太原 030024)

水中機(jī)器人全局視覺規(guī)劃區(qū)域算法探討

艾志華

(太原理工大學(xué),山西太原 030024)

水中機(jī)器人競(jìng)賽全局視覺比賽平臺(tái)由北京大學(xué)推廣應(yīng)用,開發(fā)完善比賽平臺(tái),改進(jìn)比賽策略的優(yōu)化,推進(jìn)競(jìng)賽平臺(tái)改革和發(fā)展,綜合展開各層面的合作,共同發(fā)展教學(xué)和科研。比賽策略中區(qū)域劃分可以是實(shí)際存在的,靜態(tài)的,逆向考慮,比賽策略中可以采用非規(guī)則區(qū)域的等參區(qū)域來代替,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的自適應(yīng)性動(dòng)作,是競(jìng)賽策略優(yōu)化的重要組成部分,對(duì)機(jī)器魚試驗(yàn)及控制至關(guān)重要。從算法設(shè)計(jì)角度分析,加快測(cè)試與迭代更新速度,對(duì)仿生機(jī)器魚智能化應(yīng)用有較高的實(shí)用價(jià)值。

水中機(jī)器人區(qū)域劃分角力

面向21世紀(jì)的機(jī)器人技術(shù)是一次智能世界的革命，信息時(shí)代的變革以及若干開創(chuàng)性的新技術(shù)都為這個(gè)產(chǎn)業(yè)的重要性，崛起奠定了基礎(chǔ)。我們站在時(shí)代的節(jié)點(diǎn)，掌握探究機(jī)器人技術(shù)器人尤為重要。中國(guó)的水中機(jī)器人競(jìng)賽發(fā)展迅速，重要的原因是各個(gè)參賽學(xué)校科研機(jī)構(gòu)都強(qiáng)調(diào)技術(shù)交流，始終把推動(dòng)技術(shù)發(fā)展放在首位，關(guān)于平臺(tái)的優(yōu)化更新，人機(jī)工程領(lǐng)域的終端端口體驗(yàn)分析研究，不斷發(fā)展平臺(tái)融合度，對(duì)于實(shí)現(xiàn)平臺(tái)推廣提高巨大便利。

1 角力三重動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)空間

(1)設(shè)想若把比賽平臺(tái)區(qū)域劃分時(shí)，為了達(dá)到即時(shí)調(diào)整仿生魚動(dòng)作姿態(tài)策略，根據(jù)動(dòng)態(tài)算法模式下的策略進(jìn)行動(dòng)態(tài)判斷，從而進(jìn)行動(dòng)態(tài)區(qū)域劃分優(yōu)化動(dòng)作決策，利用模糊邏輯原理以及相關(guān)幾何規(guī)劃的特點(diǎn)，仿生魚首先由全局視覺平臺(tái)得到角力圈的位置坐標(biāo)，機(jī)器魚的位置和方向等信息；第二，根據(jù)整合，利用幾何區(qū)域規(guī)劃確定機(jī)器魚的相應(yīng)算法；第三，利用模糊控制算法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行角力的動(dòng)作。

(2)角力項(xiàng)目分析；角力項(xiàng)目屬于對(duì)抗類競(jìng)賽，對(duì)于機(jī)器魚的性能，競(jìng)賽算法，以及操作者對(duì)魚性能的了解等都有很大相關(guān)性，包括小平臺(tái)修改魚身參數(shù)，達(dá)到自己預(yù)期的魚尾的擺幅及頻率，從而獲得不同的力學(xué)性能要求。實(shí)踐來看對(duì)于水中角力項(xiàng)目的魚性能指標(biāo)包括：魚身自身前后平衡性，魚尾涉水深度，調(diào)定速度檔位，舵機(jī)反應(yīng)時(shí)間等方面，要求競(jìng)賽準(zhǔn)備者能夠成分挖掘魚自身性能潛力。

(3)角力區(qū)域劃分(以右攻為例)把整個(gè)球劃分若干區(qū)域；

1)球中心調(diào)整方向區(qū)域運(yùn)用頂球函數(shù)；if((f_pt.y-b_pt.y＜k)&&(f_pt.y-b_pt.y＞-k)&&(disballtofish＞r-40)&&(f_pt.x＞b_pt.x))//the Adjustment Zone& the dis can be changed(K為調(diào)整區(qū)的半寬，r為球的半徑)，動(dòng)作為：adjust_f_head_dir_leftorright(m_action[0]，0，m_FishInfo[0]，m_goalinfo)；這是一個(gè)頂球函數(shù)后面介紹，這里用到非線性的區(qū)域劃分和區(qū)域劃分，球的坐標(biāo)為動(dòng)，而魚身相對(duì)球心亦為動(dòng)坐標(biāo)，并且獲取魚本身坐標(biāo)以及執(zhí)行頂球函數(shù)動(dòng)作判斷時(shí)需要這些動(dòng)作標(biāo)后與平臺(tái)靜坐標(biāo)進(jìn)行方向位置判定。

2)elseif((f_pt.y-b_pt.y＞k)&&(f_pt.y-b_pt.y＜k+w)&&(f_pt.x＞b_pt.x)) //the under Buffer Area out of Adjustment Zone(w為上緩沖區(qū)域的寬度)在緩沖區(qū)域內(nèi)執(zhí)行P2P程序，下緩沖區(qū)域有類似劃分方法。

圖1 3個(gè)點(diǎn)做標(biāo)區(qū)域示意

3)if((b_pt.y-f_pt.y＞k+w)&&(b_pt.y-f_pt.y＜k+w+h)&&(f_pt.x＞b_pt.x)&&(disballtofish＞r-40))//即時(shí)轉(zhuǎn)向區(qū)域上區(qū)(下區(qū)域同理)(h為即時(shí)轉(zhuǎn)向區(qū)寬度)在此區(qū)域主要是防止仿生魚在比賽時(shí)由于角力圈的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)魚身走向球兩端部分，執(zhí)行動(dòng)作為BasicActionGo(m_FishInfo，m_action，0，14，14，0)在比賽中此區(qū)域的確非常重要的應(yīng)用，能夠讓機(jī)器魚快速轉(zhuǎn)向回到中心調(diào)整區(qū)。

4)if((b_pt.y-f_pt.y＞=zz)&&(f_pt.x＞b_pt.x))//頂端區(qū)上區(qū)域(zz為該區(qū)域的縱向?qū)挾?一般這個(gè)區(qū)域機(jī)器魚在競(jìng)賽時(shí)不會(huì)到達(dá)，但是若比賽中意外使魚信號(hào)停頓等因素有可能導(dǎo)致魚出現(xiàn)在該區(qū)域，此處對(duì)施加力度毫無作用，是致命問題，因此該區(qū)域下的動(dòng)作要大且速度要快，及時(shí)返回中心區(qū)。

5)另外，右攻還有一處區(qū)域是呼啦圈大圓減去環(huán)狀劃分帶所剩下的的中心區(qū)域，此處區(qū)域一般是開局時(shí)對(duì)魚的動(dòng)作指令，一般用P 2 P程序到給定目標(biāo)點(diǎn)自適應(yīng)調(diào)整位置姿態(tài)R o u n d p 2 p(temptcenter_Right，m_action[0]，0，m_FishInfo[0])。

2 等參數(shù)劃分設(shè)想

給出假設(shè)，仿生魚的速度是連續(xù)值或者無限量子化，速度變化很小情況。如果我們先給定出n(n＞=3)個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)處的速度，這n個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)連接出一個(gè)微小區(qū)域，在這個(gè)微小區(qū)域內(nèi)我們假設(shè)速度模式（如圖1）。

6個(gè)自由度，內(nèi)部任一點(diǎn)的位移是由6個(gè)節(jié)點(diǎn)速度分量完全確定的，速度模式中應(yīng)含有6個(gè)待定系數(shù)，所以速度模式下形函數(shù)：

其中A為三角形區(qū)域的面積。Ni，Nj，Nm是坐標(biāo)的線性函數(shù)，反映了區(qū)域的速度形態(tài)，稱為形函數(shù)。如果給定了這3個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)i(x1，y1)，j(x2，y 2)，m(x3，y3).其相應(yīng)速度分量分別為。從而由上面式子得出。得出以下是計(jì)算速度公式I為單位矩陣。由此在三角形區(qū)域內(nèi)的任意一點(diǎn)的速度，以及等速線等都可以計(jì)算得出。這種等參數(shù)劃分思想的啟發(fā)來源是有限元分析種有關(guān)節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)澐?，目前比賽平臺(tái)，以及仿生魚的制作上并沒有實(shí)現(xiàn)速度連續(xù)，而是15個(gè)速度檔位進(jìn)行量化處理，但這一個(gè)設(shè)想能很大程度上對(duì)平臺(tái)開發(fā)有一定相互促進(jìn)的作用。另外，這種設(shè)想不僅僅適用于速度，還是用于魚的運(yùn)動(dòng)方向，即把魚的方向進(jìn)行劃分此處不再贅述。

3 結(jié)語

結(jié)合三重坐標(biāo)下幾何規(guī)劃和模糊邏輯控制方法的優(yōu)點(diǎn)，在這樣動(dòng)態(tài)坐標(biāo)下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整，加大了魚的控制能力，等參數(shù)劃分區(qū)域思想將是平臺(tái)開發(fā)的一個(gè)新的啟示，新的方向，新的出發(fā)點(diǎn)。