水中机器人比赛2D仿真平台介绍

水中机器人比赛2D仿真平台介绍广西工学院电控系2021年6月第一章水中机器人比赛2D仿真平台的研发背景

水球比赛2D仿真工程利用机器鱼水球比赛实时仿真系统，进行水中机器人水球比赛2D仿真，目前主要的比赛有：1∶1、2∶2、3∶3及技术挑战赛等四个工程。1.1水中机器人比赛2D仿真平台机器人技术是一项高度交叉的综合性前沿技术，他融合了信息技术、电子工程、机械工程、控制理论、传感技术以及人工智能等前沿科学技术，是各种先进技术的综合性平台。自从20世纪60年代初世界第一台机器人诞生以后，机器人技术得到了迅速地开展，无论是现实中的智能机器人还是计算机软件中的仿真自主体，机器人在动力学建模和主体之间协作运动策略上都具有一定的模仿生物的机能，并具备智能化功能，最终效劳于人类。在陆地机器人迅速开展的同时，水下机器人的开展却比较缓慢，而水下世界将是人类未来生存、利用开发的资源宝库。但是，目前国际上还没有设立任何一项水下机器人比赛工程，另外，在水下机器人的研究过程中，研究人员发现，要测试机器人应用技术，他们将面临机器人构件加工制作、传感器信息整合、机器人运动控制、多机器人协作工作以及水下环境不确定性等复杂问题，这些需要花费大量的时间和精力进行水下机器人技术测试的前期准备工作、数据处理工作。针对目前水下仿生机器鱼和水中机器人比赛研发中遇到的困难，水中机器人比赛2D仿真平台提供一种真实的仿生机器鱼水球比赛实时仿真系统，真实地模拟水下仿生机器鱼各个关节的位姿变化、运动状态变化情况及机器鱼水球比赛运行状况，能更好地测试水下仿生机器鱼各种运动学理论、水波扰动理论、碰撞理论、运动策略算法等水下仿生机器鱼体系结构，从而更好地对水下仿生机器鱼结构系统及控制策略系统进行改进，同时降低了研发本钱，使更多的人参加到研发队伍中来，更好地促进水下机器人技术的开展。1.2开发平台简介水中机器人比赛2D仿真平台是基于MicrosoftRoboticsStudioSDK1.5开发的，充分利用了平台提供的仿真引擎效劳。运行时由CCR和DSS两个主要的组件构成，方便用户编译、监视、发布以及根据需要构建各种各样的应用程序。1.2.1CCRCCR〔ConcurrencyandCoordinationRuntime，并发和协调运行时〕提供一个高度并发的、面向消息的编程模型，利用强大的消息组织机制替代了锁定、信号量等线程操作。CCR通过提供管理异步操作、处理并发、并行硬件管理以及处理局部错误的编程模型来实现面向效劳的应用程序，使得设计低耦合的软件模块和组件成为可能。因此，各模块可以独立的开发并且不需要对它们的运行时环境和其他组件进行过多的假定。这样就不需要在程序设计一开始就考虑处理并发、错误和冲突的机制。它是整个开发平台的核心运行时。1.2.2DSSDSS(DecentralizedSystemServices，分布式系统软件)提供了一个轻量级的面向效劳的应用程序模型，融合了传统网络架构的主要特性和一局部网络效劳架构的特性。DSS定义的应用程序模型包括效劳状态以及针对效劳状态的一系列操作，并且能提供结构化数据操作、事件通知和构成效劳扩展功能。DSS的主要目标是提高简单性、互操作性和低耦合性，它特别适合于创立由效劳构成的应用程序，而不用考虑效劳是否运行在同一个节点上还是在网络上。因此，基于DSS的应用程序具有很大的灵活性。DSS运行时，使用维护运行时环境的方式来管理效劳，而且它还提供了像创立效劳、登录效劳、调试、平安相关以及监视等一系列根底效劳。它是基于CCR核心运行时开发的。1.3仿真平台的结构客户端机器鱼策略机器鱼策略机器鱼策略。。。。。。核心控制模块环境设置模块公共接口模块机器鱼策略机器鱼策略机器鱼策略。。。。。。运动学建模显示模块辅助模块WindowsWindowsWindows服务器端客户端TCP/IPDllTCP/IPDll服务启动模块核心控制模块环境设置公共接口模块运动学建模用户策略位姿信息环境信息仿真界面重绘信息时钟消息环境信息辅助功能策略模块

整体设计框图

用户策略模块环境信息公共接口模块策略客户端设计框架第二章2D仿真平台的安装〔1〕硬件要求：硬件名称规格CPUP41.6G或更高内存256M或更大显卡128M以上硬盘10G硬盘剩余空间2.1配置要求

〔2〕系统要求：WindowsXP操作系统2.2所需的安装组件水下机器人比赛仿真平台需要DirectX、.NetFramework、AGEIA的支持:〔1〕虚拟光驱〔推荐：daemon4301，必选〕〔2〕VS.net2021〔VisualStudio2021，.NetFramework3.5，C#必选安装〕〔3〕MRS〔MicrosoftRoboticsStudio(1.5)Refresh.exe，附带AGEIA，必选安装〕〔4〕DirectX〔推荐：directx_jun2021，必选〕〔5〕水下机器人比赛Simulator仿真平台〔必选〕〔6〕WMEncoder_cn〔录像功能解码器，可选〕3、运行〔1〕运行仿真平台安装目录:\bin\WaterPoloGame.exe〔2〕策略加载：选择平台安装目录:\bin目录下“Strategy〞开头测试用策略文件。第三章水中机器人比赛2D仿真平台的使用

3.1控制面板及仿真环境介绍3.2如何开始一场比赛

〔1〕选择比赛类型〔2〕选择比赛时间〔3〕选择比赛策略〔4〕准备比赛〔5〕点击start开始比赛3.3鱼信息设置设置鱼的坐标和方向来改变鱼的位置〔2〕设置鱼的颜色

3.4障碍物、通道设置

〔1〕通过设置中心坐标、障碍物类型、大小，来添加修改删除障碍物〔2〕通过设置中心坐标大小，来添加修改删除通道

3.5辅助功能

〔1〕画轨迹在比赛运行时，点击DrawTrajectory选择想要绘制鱼、球的轨迹〔2〕显示鱼的相关信息点击DisplayFishInf显示当前鱼的相关信息〔3〕录像点击Video，弹出录像窗口

录制全屏、指定窗口

〔5〕截图

点击Image将图片保存到安装目录\bin\image下

第四章2D仿真平台用户接口

名称类型功能countFishCurrent_Selfint已方鱼的条数countFishCurrent_Opponentint对方鱼的条数halfField_SelfHalfField己方所在半场fish_SelfFishClient[]己方鱼的信息fish_OpponentFishClient[]对方鱼的信息ballPositionDpoint球的坐标ballRadiusdouble球半径competitionPeriodCompetitionPeriod比赛状态competionItemCompetitionItem比赛类型fieldInfoFieldInfo比赛场地信息obstacleListList<Obstacle>障碍物channelListList<Channel>通道4.1类FieldInfo〔场地信息〕

4.2结构体FishClient〔传给用户鱼的信息〕

成员类型功能directionFishBodyDPoint机器鱼的鱼体方向positionFishBodyDPoint鱼体中心点坐标（当前）lengthFishBodyconstdouble鱼体长度widthFishBodyconstdouble鱼体的宽度foulFlagFoulFlag机器鱼犯规状态………………第五章水球仿真比赛对抗赛规那么规那么0：一般规那么〔1〕比赛目的〔a〕用以开展水下机器人根本的动作算法与比赛策略；〔b〕为每个队提供了比赛训练与策略学习的环境；〔c〕用以测试每个队比赛策略的可行性与进步。〔2〕裁判的作用〔a〕控制比赛的开始，暂停和结束；〔b〕对犯规进行处分。规那么1：场地环境

〔1〕场地尺寸比赛场地为湖蓝色长方形场地，其尺寸是3000mm﹡2000mm。〔2〕场地线所有场地线〔边线、中线、禁区线、球门线〕都为5mm宽的白线。中圈半径为200mm。〔3〕球门球门宽度为450mm，深度为150mm。〔4〕禁区禁区球门前尺寸为1000*400mm的矩形区域，禁区线用5mm的白线标出来。〔5〕发球点比赛只有一个发球点，位于场地中央，称为中心发球点。〔6〕点球点场地上有两个争球点，分别为距离双方球门线中心点水平方向350mm处。〔7〕争球点 场地上有四个争球点。以场地1/2长宽为分割线，将场地分成长宽相等的四个矩形区域，那么争球点在场地各个四分之一局部的中心位置。〔8〕水球比赛水球直径大约为130mm，颜色为粉红色。〔9〕机器人头部长度：80-100mm头部宽度：40-50mm机器人颜色为黑色。〔10〕色标设置每个机器人有两个识别色标，每个色标大小为：40mm×50mm，统一在机器人头部，机器人前方色标为球队颜色。可以在效劳器界面Fish选项卡上设置机器人色标。1)1vs1水球比赛时，假定双方分别为红队和黄队，红队颜色为红-绿，黄队颜色为黄-绿：红队黄队红队黄队2)2vs2水球比赛时，假定红队颜色为红-绿、红-粉红，黄队颜色为黄-绿、黄-粉红:红队黄队3)3vs3水球比赛时，假定红队颜色为红-绿、红-粉红、红-橙，黄队颜色为黄-绿、黄-粉红、黄-橙：

规那么2：比赛准备〔1〕加载策略比赛双方先把比赛策略准备好加载到效劳器端。〔2〕参数设置比赛双方摆放好各自的机器人，按下各队的Ready按钮等待开始比赛。〔3〕开始在双方都准备好之后，裁判点击效劳器端Start按钮开始比赛，比赛过程中裁判可以根据实际情况进行暂停、继续、回放等操作。规那么3：比赛时间〔1〕比赛时间分为常规比赛时间、加时赛时间和点球时间。〔a〕常规时间比赛时间为10分钟，上下半场各5分钟，不包括暂停时间，中场休息5~10分钟〔如双方同意，可继续比赛〕。如果休息时间结束，有球队还没有准备好比赛，那么直接判定该球队0:3告负。〔b〕加时赛时间假设常规时间结束后，双方比分打平，那么进入加时赛，时间为1分钟。〔c〕点球大战时间假设加时赛结束后，双方比分仍然是平分，进入点球大战，正常点球进行两轮。 〔d〕制胜球时间假设点球大战仍分不出胜负，那么进入制胜球时间。双方轮流各罚一轮点球，直到决出胜负。规那么4：记分方法〔1〕得分如果整个水球越过门线，那么进球得分，此时进球球队记分牌得分加1。〔2〕获胜者根据记分牌得分决定获胜队。如果有争议球那么可以按下Replay回放比赛。规那么5：平局处理常规比赛时间结束后，假设双方打成平局，可以选择是否进入加时赛时间；如果选择“否〞，那么比赛结束。如果选择“是〞，那么进入加时赛，加时赛时间为1分钟。加时赛时间结束后，如果仍是平局，那么进行点球大战，即每个球队各罚两轮点球。两轮点球结束后，如果仍是平局，那么进入制胜球时间，即逐次增加点球轮数，直到决出胜负为止。规那么5：点球〔PenaltyKick〕进攻方第一个机器人作为罚球队员，防守方第一个机器人作为守门员，其他球员在中线附近。点球过程中，防守方守门员只能在己方小禁区内活动，水球的位置固定在点球点，罚球队员和守门员位置可以摆放。双方准备就绪后开始罚点球，点球时间为10秒。如果进球或者时间为0，那么此次点球结束。规那么6：死球〔DeadBall〕如果水球附近有双方的机器人至少各一个，并且水球位置变化很小，这种状态持续10秒以上，那么判为死球。出现死球状态后，那么进行争球。规那么7：争球〔FreeBall〕将水球置于离死球位置最近的一个争球点。防守方第一个机器人放在靠近己方底线距离争球点250mm处，进攻方第一个机器人放在争球点另一侧250mm处。其他机器人效劳器自动