2D仿真机器鱼5VS5项目策略研究

2D仿真机器鱼5VS5项目策略研究

赵国冬

(哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院，哈尔滨150000)

摘要：针对2D仿真水中鱼项目5VS5比赛的平台与规则，为了能在5VS5比赛中使我方的水中鱼处于领先的优势，鉴于2D仿真鱼比赛是一种类似水中足球的对抗性比赛，顶球算法更是尤为重要。提出了根据不同区域，提出不同的顶球算法，即攻击时，采用基本的顶球算法，防守时，采用根据相对位置确定请求位置的算法。在攻、守、防止犯规等综合因素的情况下，在不同情况下选取最适合的顶球算法[1]。为了能使我方的水中鱼充分地利用场地发挥优势，我方对水中鱼进行了角色的分配，并且对水中鱼的速度和方向进行了控制与优化[2]。对仿真水中鱼方向控制的重点，是让水中鱼平滑的偏转，使其更稳定更迅速的找到自己的目标点。经过实验证明，优化后的顶球算法以及策略使水中鱼在比赛中充分发挥了优势[3]，在更短的时间抢球成功。

关键词：对抗性；顶球算法；区域；角色分配；目标点

The 2D Simulation Robotic Fish 5VS5 Project Strategy Research

Zhao Guodong

(Computer Science and Technology College, Harbin Engineering University, harbin 150000, China) Abstract: For 2D simulation water fish project 5vs5 platform and the rules of the game, in order to make our water in 5 vs5 fish is in the lead, in view of the 2D simulation game fish is a kind of the antagonism of football game, similar to the water ball algorithm is particularly important. Put forward according to different regions, different ball algorithm is put forward, namely attack, using the apex ball of the basic algorithm, defense, use according to the relative position request location algorithm. In attack and defence, prevent the foul comprehensive factors such as cases, in different situations to choose the most suitable ball algorithm. In order to make our water fish make full use of field advantage, our fish in water are role allocation, and to control the speed and direction of the water fish and optimization. For the simulation of water fish direction control key, is to let the water fish smooth deflection, make it mor e stable and more quickly to find your target. After the experiment proved that the optimized ball algorithm and strategy to make the water fish give full play to the advantages in the game, the ball successfully in a shorter time.

Key words: Ball algorithm, role assignment, speed control, direction control

0 引言

在科技高速发展的21世纪，机器人技术已不再陌生，由于这是一项综合性前沿技术，所有开发成果都需要大量的实践。而水下世界将是人类未来生存、利用开发的资源宝库，因此在机器人科技以前所未有的速度发展的趋势下，2D仿真平台水中机器人比赛引起了广泛关注。仿真平台不仅真实模拟了水下环境，反映水中鱼的运动情况[4]，还避免了水下研究的困难。很多学校，以此为界入机器人研究的起点，逐步进入对机器人的深入研究。

在国际上，该赛事引起了业内人士的青睐，国内该项赛事目前已列为中国机器人大赛的重要项目。2D仿真平台模拟了水中鱼的运动形式，通过各种项目进行比赛，有2D仿真水球比赛（5V5）、仿真抢球大战、2D仿真水球斯诺克、2D仿真协作过孔比赛、2D仿真花样游泳等。

1 平台简介

URWPGsim2D（Underwater Robot Water Polo Game Simulator 2D Edition）是水中机器人水球比赛仿真2D版软件，软件可在Windows XP Professional SP3，Windows Vista或Windows 7系统中运行[5]。作为“中国水中机器人大赛”和“中国机器人大赛暨RobuCup中国公开赛”之水中机器人竞赛的2D仿真组比赛平台，URWPGsim2D平台的设计采用面向对象思想，从对象建模的角度看，包括仿真机器鱼、仿真环境和仿真使命三类模型，其中以仿真使命为中心。

2D仿真水球5VS5比赛有两支队伍参加，每队各五条鱼，初始分别位于场地左右两侧，一个仿真水球位于开球点，处于左侧的队伍先发球。针对某一方参赛队伍，定义前场虚线为进攻线，后场虚线为防守线。每支队伍的1号仿真机器鱼可以在整个场地范围游动，为自由球员；第2、3号仿真机器鱼不能越过进攻线，为后防队员；第4、5号仿真机器鱼不能游回防守线内，为进攻球员。每支队伍的仿真机器鱼应按照以上规则运动，否则视为犯规。

比赛开始后，双方仿真机器鱼在各自策略驱动

下运动，在比赛过程中，平台服务端会在需要时弹出对话框提示，并暂停比赛，裁判法指令后方可继续比赛。在进球和交换半场而暂停比赛时，双方均可更换比赛策略。比赛总时间为10分钟，上下半场各5分钟，在规定时间（10分钟）内得分多的队伍取胜；得分相同则为平局。

2 速度控制

仿真水中鱼的速度控制最重要的就是快速和稳定，虽然在仿真鱼的控制过程中，我们的目的是让鱼在最短的时间内，以最合适的速度稳定的从出发点游到目标点，但是我们并没办法保证这两点同时满足，他们是相互矛盾的[6]。

在平台中，我们将速度分为线速度和角速度，速度值的档位均为0~14，共15个整数，VCode为速度档位值，每个整数对应一个线速度，线速度随数字增大而依次递增；TCode为转弯档位值，每个整数对应一个角速度值，整数7对应直游，角速度值为0，整数6-0，8-14分别对应左转和右转，偏离7越远，角速度值越大。下面我们进行分析。

当鱼头坐标与球的中心坐标距离大于5r时，我们认为此时鱼与球的距离较远，应尽最大努力缩小鱼到达目标点的时间，对角速度要求较小，可以尽量加大仿真鱼的线速度，将快速作为重点考虑，而不必过多考虑鱼的稳定性，直到鱼头坐标与球的中心坐标距离小于5r时，我们认为此时鱼与球的距离较近，由于鱼与目标点的距离在逐渐减小，所以对角速度精度要求增大，此时将稳定作为考虑重点，在不同的距离范围内，需要采取不同的速度值。在控制速度前：

1、应该确定鱼的刚体P与目标点Q之间的距离d；

2、找出中间方向与鱼体方向度数差值绝对值θ（“中间方向”为鱼的刚体到目标点的方向）

3、求出鱼以最大角速度ω转过目标角度θ可预计的时间t；

4、计算出鱼在可预计时间t内能游到目标点的平均速度V；

5、判断目标距离d是否小于angThreshold（默认值为30mm），若目标距离d小于angThreshold，则说明仿真鱼已经到达目标点；若目标距离d大于angThreshold，说明仿真鱼未到达目标点，则重新从第二步开始循环，直到到达目标点为止跳出循环。

3 方向控制

在仿真机器鱼保持一定速度游行时，也需要对她的方向进行严格的控制。她的速度是由不同的档位控制的。共分为15个档位（0~14档）：0~6档控制左转，7档控制直行，8~14档控制右转。档位与7相减，绝对值越大角速度越大。由于比赛平台及规则限定，仿真机器鱼速度为零时角速度一定为零，也就是说仿真机器鱼不允许原地打转。

平滑的偏转可以使仿真机器鱼更稳定更迅速的找到自己的目标点，这也是对仿真机器鱼方向控制的重点。接下来说一下对仿真机器鱼具体的方向控制。通过对仿真机器鱼的测试实验得出以下公式

;

480

π

x

y=//x为需要调整的角度（弧度制）

若y>0，则控制档位为（y+7取下整）；若y<0，则控制档位为（y+7取上整）。（当求得数据大于14时，取最大角速度14；当求得数据小于0时，取最小角速度0。）即:

（当求得数据大于14时，取最大角速度14；当求得数据小于0时，取最小角速度0。）

带球运动中，当需要转动角度较小时（-1 < y < 1），不需要去改变角度，只需控制好游动速度即可。当偏离角度已无法更好的控制球体但未远离球体时（-5 < y < -1或1 < y < 5），应选择稍小角速度去控制仿真机器鱼以更稳定的带球，防止丢球[7]。当偏离角度较大已无法进行进攻等操作时（-8 < y < - 5或5 < y < 8），应尽快改变角度来快速恢复进攻或其他状态，此时应将角速度调大来更更准确地实现仿真机器鱼的功能。

当仿真机器鱼游向仿真水球时，也就是说仿真机器鱼距离仿真水球较远时，仿真机器鱼应减小在方向上的控制，应提高仿真机器鱼速度，使仿真机器鱼更快速地接近仿真水球，节省时间提高效率，以便更早的接近并控制水球，为己方队员争分夺秒。

y 档位y 档位

0 < y ≤ 1 7 -1 < y ≤ 0 7

1 < y ≤

2 8 -2 < y ≤ -1 6

2 < y ≤

3 9 -3 < y ≤ -2 5

3 < y ≤

4 10 -4 < y ≤ -3 4

4 < y ≤

5 11 -5 < y ≤ -4 3

5 < y ≤

6 12 -6 < y ≤ -5 2

6 < y ≤

7 13 -7 < y ≤ -6 1

7 < y 14 y ≤ -7 0

4 顶球算法研究

4.1 基本顶球算法

基本顶球算法的基本思想是让鱼通过加速、减速

运动到最佳击球点后及时调整鱼身方向后顶球。此方

法简单，容易实现，并且能快速的接触到球，相对于

大多数顶球算法，基本顶球算法适合于大多数的击球

情况。但也有一定的缺陷：由于鱼身的旋转需要耗费

一定的时间，并且很难准确到达目的地，很容易在此

时刻丢球。同时加减速也不容易精准地掌控。

最佳击球点的确定：连接球门中心与球心的直线与球的交点为最佳击球点。

4.2 切入圆顶球算法

切入圆顶球算法基本思路为鱼运动到切入圆上，

再沿切入圆运动到最佳击球点G进行顶球。切入圆顶

球算法的基本实现方式为：确定最佳击球点后，过G

点做直线L1的垂线L2，在L2上取距离G点r的店O；

以O为圆心，r为半径画圆恰与L1相交于G点，圆O

即为确定的切入圆。最后确定相应的轨迹点。切入圆

顶球算法可以让鱼沿指定轨迹平滑地运动到最佳击球

点G，同时调整好鱼身方向[8]。但由于鱼的运动路程

较长，轨迹点也会随鱼的运动随时变动，在比赛中有

可能出现还没到目的地球已被夺走的情况。顶球算法

的示意图如图所示。

切入圆顶球算法示意图

4.2 根据相对位置对应指定部位的顶球算法

4.2.1算法基本思路

此算法的基本思想是先让机器鱼快速地趋近球，在距离球一定的范围内，根据机器鱼、球以及对方球门的坐标几何位置关系来选择水中鱼的顶球部位。其目的是让水中鱼不管是用头顶球，或是用身体蹭球，都能最大限度地使球靠近对方球门，在此过程中即使水中鱼没有碰到球，也有助于干扰对手碰球。在这种思路的引导下，提出了一种根据相对位置确定顶球部位的顶球算法。

4.2.2 算法的实现

算法中利用到的主要参数：

TeamsRef[teamId].Fishes[i]PositionMm

TeamsRef[teamId].Fishes[i]PolygonVertices[0] EnvRef.Balls[i]PositionMm CommonParaTeamCount

算法首先要确定球的位置，并确定鱼头与鱼身的向量。同时确定球与球门中心所成角确定偏移角。以上向量及角度获取后即为算法的实现奠定了基础。

根据位置的顶球算法主要有以下几种情况：

鱼头与球的距离很小时，设置鱼的速度，让鱼尽快运动到最佳击球点并顶球。此时最佳击球点设置为球心与球门中心连线与球的交点。

当鱼身与球的距离很小时，此时将鱼设置为合适的速度，并同时获取对方鱼与球的相对位置，运动方向为对方鱼与球中间，已达到组织对方碰球的目的，当运动到鱼头与球距离很近时，鱼头即向最佳击球点运动并向球门击球。

在不犯规的前提下，若鱼和球的距离很远，则选择切入圆顶球算法以准确地让鱼接近球的正确位置。

4.2.3 算法的优缺点分析

根据相对位置确定部位的顶球算法有效地利用了鱼身对于球的保护作用，有效地减少了因为顶球而丢球地情况，并且即使没有顶到球，也组织了对方击球，一举多得。

但也有其相应的缺点，由于球的不断运动，同时鱼随球运动，最佳击球点地不断改变使顶球造成了一

定的失误率。同时，何时采用何种方式顶球界限的不同也会给算法鱼精准顶球造成一定的难度。

4.2.4 顶球算法总结

由于水中鱼比赛的比赛场地很大，在不同区域需要用到的策略各有不同。在攻击时，我们若想要迅速控制球，主要采取的是基本顶球算法。在防守时，主要则采取根据相对位置确定请求位置的算法。在攻、守、防止犯规等综合因素的情况下，在不同情况下选取最适合的顶球算法才是一个策略的制胜之道。顶球算法在比赛中起到至关重要的作用。

5 仿真鱼角色分配问题

在5v5水生鱼比赛中，一支队伍可控制5条鱼，像足球比赛一样，不同的鱼有不同的位置，需要完成的任务也各不相同，因此产生了水生鱼的角色分配。

角色的分配不仅取决于对方的防守策略和球所在区域，更受到比赛的规则的影响。所以对于比赛规则的研究与利用是很有必有的，以下列出对于我方策略决策较为有价值的比赛规则：进攻球员游回己方半场虚线内，防守球员越过前场虚线，将罚出场地10秒；仿真水球整体位于禁区内，防守方有3条机器鱼游进禁区，且最后进入禁区的防守方机器鱼在禁区内停留超过5秒，将最后进入的机器鱼发出场地10秒；仿真水球整体位于禁区时，防守方仿真机器鱼越过球门线且时间超过5秒，将该机器鱼发出场地10秒。

在5V5的比赛中，球权的争夺往往是比赛的核心。并且由于比赛本身诸多因素的限制，使得球权的变更速度较慢，其中的情况也较为复杂。先控制了球权的一方一般会掌握主动权。而对于球权的争夺，又经常会陷入一种双方对顶的局面，如果能利用比赛规则获得顶球人数上的优势，则会增大我方争得球权的成功率。以下策略正是基于这一思想来进行5V5的角色分配。

假设我方机器鱼在左方，现在大致将比赛场地划分为中场（进攻防守线之间的区域）、前场（进攻线右侧对方禁区线左侧区域）、对方禁区、后场（与前场相对）、我方禁区五个部分。

开球后，球在中场，双方的鱼都可进入该区域抢球。为了率先争夺到球权，应利用鱼和球的坐标，计算出位置（包括距离与角度）最合适的机器鱼，占据我方主要的顶球位置，控制球的走向。同时利用计算出的其他机器鱼的位置，为每条鱼指定最合适的辅助顶球点，协同主顶球鱼控制球的走向。根据角色分配的思想，此时的目标是将球顶过对方的防守线（我方进攻线）之后，利用比赛规则获得人数优势。同时当球越过对方防守线后，我方的防守鱼还可用位移干扰对面的进攻鱼，破坏对面的防守反击。

球进入前场后，我方有3条鱼。控球的鱼应根据此时球的坐标，找出禁区中最易接近的目标点，利用规则来取得人数上的优势。当水球整体位于禁区时，对方的防守鱼的防守位置与动作将会受到出限制，这回将转化为我方人数上的优势，球便会有更大的几率按照我方的预想的方向前进。

当球顺利的进入对方禁区后，我方便对对方球门造成很大的威胁。此时我方处于有利地位，不能采用过大的动作或速度。因为我方为控球方，大的动作或速度会增加水球的不确定性。我方应以合适的力度保持在对方禁区内的控球，对于顶球位置不好的机器鱼，可用位移干扰对方机器鱼的防守动作。而对方在禁区中的种种限制将转化为我方的人数优势，利于我方的进球。

当球进入后场时，进攻鱼已无法影响球，但进攻鱼可对对方机器鱼进行干扰。若球距离我方防守线较远时，我方进攻鱼也无法对对方的进攻鱼造成影响，应根据球的位置在中线附近不断调整，做好防守反击的接应。对于我方防守线以后的机器鱼（两条防守鱼一条自由鱼），应让球尽可能远离我方禁区，避免让对方取得人数优势。

在以上两个区域时，我方顶球鱼的速度（力度）可以加大，增加球的不确定性，有利于增大我方争得

球权的机率。

若球进入了我方的禁区，由于禁区内规则的限制，对我方的防守鱼有了很多的限制。此时禁区内的两条鱼应把球尽快顶出禁区线，解除对我方第三条鱼的犯规限制。同时，第三条鱼可在不犯规的前提下协同禁区内的鱼顶球，也可以干扰对面的进攻鱼。对于禁区内与禁区外鱼的分配，同样利用坐标选出位置合适的鱼。当球离我方球门很近时，可用鱼身当门。当然这种方法有犯规的风险，但在必要的情况下是可以采取的。同时应当注意的是在当球鱼当球的同时，剩余机器鱼应做好接替或是顶球的准备，否则当挡球鱼被罚出场时我方球门便完全失去保护。用身体挡球的鱼由于身体方向的原因，顶球的方向只能是较为垂直的方向，顶球鱼的方向应与当球鱼顶球的方向相协调，使球能离开我方球门，同时顶球的力度不应过大，毕竟球在己方球门前的不确定性是不能承受的。

6 总结

本项目具有很多优点，首先在攻击时采取基本顶球算法，在防守时采取根据相对位置确定请求位置，能够在不同情况下选择最佳方式，极其有力于竞赛。其次，就是对速度的控制，角度的控制，顶球的动作等精确地计算，以及细致的设计，都对己方本次竞赛提供了一定的优势。然而不足之处在于，由于对地方策略的未知，增加了竞赛的模糊性和难度，所以在制定策略时应尽量多的分析对方可能策略，对不同情况进行相应对策，加大胜利的概率。

充分的准备是取胜的必要前提，无论是对规则的了解及合理利用还是对算法策略的深入研究，都是相当重要的。因为平台后的代码本身并不完善，代码之间相互制约，所以要有一定的应急准备，能在临场编排适当的代码及时应对。

参考文献：

[1] 黎章. 多水下机器人协作控制[D]. 北京: 北京大学,

2008:1-10.

[2] 柳在鑫, 王进戈, 朱维兵. 足球机器人的双圆弧射门算

法[J]. 西安交通大学学报, 2007, 41(11): 1326-1329. [3] 谢超平, 孔峰, 陶金. 基于模糊控制的仿生机器鱼转向

控制研究[J]. 机器人技术与应用, 2009(4): 26-28.

[4] 北京大学. 机器人水球比赛项目推介书[M]. 北京: 北

京大学, 2009: 1-6.

[5] 韩学东, 洪炳镕, 孟伟. 机器人足球射门算法研究[J].

哈尔滨工业大学学报, 2003(9): 1064-1066.

[6] 喻俊志. 多仿生机器鱼控制与协调研究[D]. 北京: 中

国科学院自动化研究所, 2003: 49-56. [7] 刘宏志. 一种改进的射门算法[J]. 哈尔滨工业大学学报,

2004, 36(7): 975-977.

[8] 王月海, 董天祯, 洪炳镕. 基于动态基准圆的机器人足

球射门算法研究[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2005, 37(7): 953-955.

2D仿真机器鱼5VS5项目策略研究

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机器鱼论文

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仿真机器鱼抢球博弈策略的研究- 摘要：针对国际水中机器人大赛2D仿真项目抢球博弈，提出了一种基于场地区域划分的运球策略。该策略合理利用比赛场地，进行区域划分，在直线运球时设置多个中间目标点降低了运球误差，以及在狭窄区域利用仿真机器鱼的身体、鱼鳍和鱼尾等鱼体各部位进行运球。此策略避免了因鱼体与场地边缘相互作用而导致的失真现象，提高了进球效率。 关键词：机器鱼；2D仿真；区域划分；运球策略 一、前言 近年来，随着仿生学和机器人技术的发展，仿生机器人取得了很大的进步。鱼类在游动的时候具有高推进效率和机动性、低噪声、高隐蔽性等优点[1]，这些优点引发了研究鱼类的运动机理和开发仿鱼类水中机器人的热潮。 URWPGSim2D仿真平台提供了一种仿生机器鱼的实时仿真系统，它可以模拟仿生机器鱼的游动规律和位姿变化，验证仿生机器鱼协作算法与执行任务的策略。在此基础上，国际水中机器人联盟组织了国际水中机器人大赛，并设立2D仿真项目。抢球博弈是在URWPGSim2D仿真平台版本更新后新增的2D仿真项目，任务较为复杂，对抗性强，尤其是系统随机产生的模拟水波以及仿真机器鱼和场地边缘相互作用时的失真情况，导致了鱼体坐标和位姿的跳变[2]，使仿生机器鱼对水球的控制难度提高了很多。此项比赛目前还没有优势较为明显的策略，因此本文提出了一种基于比赛场地区域划分的仿真机器鱼运球策略以解决这些问题。 二、抢球博弈比赛平台简介

2D仿真抢球博弈比赛平台是URWPGSim2D仿真平台中的一个对抗类比赛项目。它由两支队伍参与，每支队伍有2条仿生机器鱼，初始状态时呈对称分布在左、右半场，场中共有9个仿真水球，3个蓝色水球（编号为0、1、2，每球各3分）位于场地正中央，2个红色水球（编号为7、8，每球各2分）位于场地中线上下方，4个紫色水球（编号为3、4、5、6，每球各1分）位于场地四角。左、右各有一个球门，在初始状态时，各队球门都在其身后，通过计算10分钟内机器鱼的进入己方球门的所有球对应的总分判定胜负，分数高者获得胜利。比赛场地、仿真机器鱼编号及水球编号如图1所示。 三、比赛场地区域划分 在此项比赛中，参赛队伍一般倾向于通过确定目标点与水球的位置，使鱼体、水球和目标点的方向达成一线，通过鱼头的顶点顶球达到进球得分的目的。具体来讲，当比赛计时开始后，仿真机器鱼以最大速度游到蓝色3分球后方，运行基本的直线运球策略，使水球向己方球门两侧运行；如果出现对方机器鱼与己方机器鱼争抢水球时，运行抢球策略。当篮球进入球门后，再将红色2分球运回球门，最后运输离球门最近的紫色1分球。 但是相对于场地中央的宽阔区域，球门后方及靠近场地边缘的区域比较特殊，这些区域由于系统随机产生的模拟水波以及仿真机器鱼和场地边缘相互作用时的失真情况，使得鱼体难以控制。如在这些特殊区域使用全程直线的运球方式，将很难实现平稳运球，从而造成较多的时间浪费。将比赛场地进行划分并分别选择运球策略，并结合仿真机器鱼的游动特点和身体形状，对鱼的运球及进球策略进行规划是非常有必要的。 抢球博弈的比赛场地由于球门居中设置在场地内，使其复

一种改进的仿真机器鱼花样游泳策略

2016-12 兵工自动化 35(12) Ordnance Industry Automation ·87· doi: 10.7690/bgzdh.2016.12.023 一种改进的仿真机器鱼花样游泳策略 杨云1，王浩男2，李辉1，舒瑞斌1 (1. 吕梁学院矿业工程系，山西吕梁 033001；2. 吕梁学院计算机科学技术系，山西吕梁 033001) 摘要：针对国际水中机器人大赛2D仿真项目花样游泳中仿真机器鱼的游动优化问题，从整体思路、程序编写、仿真机器鱼游动3方面提出新策略。整体思路上采用渐变图案和动态画面展示完整的故事和主题；程序编写上利用 标志和位姿采集使其模块化，以便于插入新动作程序；仿真机器鱼游动上采用特定的游动角度和游动时间优化直线 游动，提升游动路线的直线度，并通过实验和比赛进行验证。验证结果表明：该策略有效地提高了花样游泳编队观 赏性、整体协作性和技术难度等级，可为相关研究提供参考。 关键词：机器鱼；2D仿真；花样游泳；编队 中图分类号：TP391. 9 文献标志码：A An Improved Strategy About Simulation Robotic Fish Synchronized Swimming Yang Yun1, Wang Haonan2, Li Hui1, Shu Ruibin1 (1. Department of Mining Engineering, LYUliang University, LYUliang 033001, China; 2. Department of Computer Science & Technology, LYUliang University, LYUliang 033001, China) Abstract: Aimed at swimming optimization problem of 2D simulation robotic fish synchronized swimming in the International Underwater Robot Competition, new strategies about overall thinking, programming, and swimming of simulation robotic fish are proposed. For the overall thinking, gradient patterns and motion graphics are used to show a complete story and theme. In order to easily insert a new action program, modularization programming is realized by using the flag and acquiring position and attitude. In order to enhance the straightness of the swimming path, specific swimming angles and swimming time are adopted to optimize linear swimming of simulation robotic fish. And verify it by test and competition. Verification results show that the strategy can effectively improve formation appreciation, overall collaboration, and technical difficulty level of synchronized swimming.It can be a reference for related research. Keywords: robotic fish; 2D simulation; synchronized swimming; formation 0 引言 随着仿生学和机器人技术的发展，仿生机器鱼成为研究热点。URWPGSim2D仿真平台提供了一种可以仿真仿生机器鱼的实时系统，较为真实地模拟了仿生机器鱼的运动情况，为仿生机器鱼的运动、协作等研究提供了便捷的平台[1-2]。国际水中机器人联盟在此基础上组织了国际水中机器人大赛[3]，并设立2D仿真项目。花样游泳虽然是大赛中设立时间最长的项目之一，但主要针对仿真机器鱼的协作和编队策略进行研究，对仿真鱼游动优化的研究很少，且项目展现形式和程序编写方法较为单调。基于此，笔者对花样游泳策略进行研究。 1 花样游泳项目简介 2D仿真花样游泳是由一支队伍参加的非对抗性的比赛项目，场地采用1.5倍的标准仿真场地，规格为4 500 mm×3 000 mm，在比赛开始后场地中随机分布10条仿真机器鱼。其中：1号仿真鱼在场地内随机游动，不受程序控制；其余9条仿真鱼均可编写程序和策略进行控制，配合1号仿真鱼进行表演。比赛时间为 5 min，参赛者通过仿真鱼之间的协作实现编队，配合解说词展现规定的竞赛主题，最终由裁判根据所有仿真鱼的编队观赏性、整体协作性和技术难度给定成绩[4]。 2 花样游泳策略研究 笔者从项目整体思路、程序编写、仿真鱼游动3个方面对花样游泳策略进行研究。 2.1 以渐变画面的展现主题 目前，花样游泳项目中参赛者大多采用数幅无关联性的动作或图案，再使用解说词较为生硬地结合来展示主题。既然是开放性比赛，就可以针对主题的意境将仿真鱼的编队描述为一首古诗，这样既能体现仿真鱼在协作与互动上的创新性和技术难度，又可用渐变的图案展示一个完整的故事，以动态画面的形式将意境进一步升华，增加仿真鱼编队的艺术性和观赏性。 2.2 程序编写的模块化 当前花样游泳项目所采用的通用策略以if-else 或switch()函数的嵌套为主，虽可实现大多数协作与编队，但是程序繁琐、可读性差，而且在有新方 1 收稿日期：2016-11-15；修回日期：2016-12-02 基金项目：山西省大学生创新创业训练计划项目(2016455)；吕梁学院校内青年自然科学基金项目(ZRQN201508)作者简介：杨 云(1989—)，男，山西人，硕士，助教，从事机电控制方面的教学与研究。 万方数据

仿生机器鱼三维仿真分析

学校代码：11517 学号：0708071012 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 毕业设计 题目仿生机器鱼三维仿真分析 学生姓名刘欢乐 专业班级机械设计制造及自动化0701 学号0708071012 系（部）机械工程系 指导教师(职称) 王新莉（教授）孟凯（助教） 完成时间 2011年5月25日

河南工程学院论文版权使用授权书 本人完全了解河南工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本；学校有权保存论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 论文作者签名： 年月日

河南工程学院毕业设计(论文)原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 年月日

河南工程学院 毕业设计（论文）任务书 题目仿生机器鱼三维仿真分析 专业机械设计制造及自动化学号0708071012姓名刘欢乐 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 选题背景： 鱼形机器人不仅可以用于水下考古、水中摄影、探查狭窄水道、测绘海底地形地貌，还可进行水中养殖和捕捞，并作为水下微小型运载工具，在抢险搜救等工作中发挥重要作用。 主要内容： 设计一款机器鱼的执行机构，对设计的机构进行三维仿真研究。 基本要求： 建立三维模型，进行仿真研究，完成实物制作，提交设计说明书等设计相关资料。主要参考资料： 机电一体化系统设计 传感器技术 机器人技术 机构设计 相关科研论文10篇 完成期限： 指导教师签名： 专业负责人签名： 年月日