蔡 瓊 陳鵬慧 朱運(yùn)航

（湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，湖南 長沙 410200）

0 引言

21世紀(jì)是人類開發(fā)海洋的世紀(jì)，隨著陸地資源的日益枯竭，人們把目光投向了海洋，使得適應(yīng)各種環(huán)境的水下機(jī)器人的相關(guān)研究得到迅猛發(fā)展[1]。

2001年中科院自動(dòng)化所復(fù)雜系統(tǒng)與智能科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京航空大學(xué)機(jī)器人研究所聯(lián)合開展 “多微小型仿生機(jī)器魚群體協(xié)作與控制的研究”；北京大學(xué)在仿生機(jī)器魚領(lǐng)域做了多年的研究，成功研制出機(jī)器海龜、兩棲機(jī)器人、機(jī)器海豚等，2007年中國機(jī)器人大賽成功創(chuàng)立了水中仿生機(jī)器魚水球比賽項(xiàng)目[2][3]。

研究發(fā)現(xiàn)，要測試水中機(jī)器人技術(shù)和進(jìn)行水中機(jī)器人競賽實(shí)驗(yàn)，面臨機(jī)器人構(gòu)件加工制作、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、傳感器信息整合、多機(jī)器人協(xié)作工作以及水下環(huán)境不確定性等復(fù)雜問題，這會(huì)費(fèi)大量時(shí)間和精力進(jìn)行水中機(jī)器人技術(shù)的調(diào)試及數(shù)據(jù)處理[4]。因此，開發(fā)水中機(jī)器人技術(shù)仿真系統(tǒng)是降低水中機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域研究成本、加快中國機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要途徑，水中機(jī)器人比賽仿真系統(tǒng)也將成為測試水中機(jī)器人技術(shù)的理想平臺(tái)。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于Microsoft Robotics Studio(MSRS)[5]的水中仿生機(jī)器魚水球比賽實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)能測試水中仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)位姿的變化情況和控制指令、水中仿生機(jī)器魚之間碰撞處理情況、水波擾動(dòng)和障礙物對(duì)水中仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)位姿的影響，可以對(duì)真實(shí)環(huán)境中的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真分析等。該仿真系統(tǒng)的算法及各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以便利的移植到實(shí)體水中仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)研發(fā)中，從而加快實(shí)體水中機(jī)器魚的設(shè)計(jì)和算法研究工作。

1 MSRS簡介

Microsoft Robotics Studio是支持多種機(jī)器人硬件平臺(tái)的機(jī)器人開發(fā)環(huán)境。MSRS運(yùn)行時(shí)同時(shí)支持.NET框架和精簡.NET框架，運(yùn)行時(shí)由并發(fā)和協(xié)調(diào)運(yùn)行時(shí)CCR （Concurrency and Coordination Runtime）和分布式系統(tǒng)服務(wù) DSS（Decentralized System Services）兩個(gè)主要組件構(gòu)成，方便用戶編譯、監(jiān)視、發(fā)布，并根據(jù)需要構(gòu)建應(yīng)用程序[5]。

2 MSRS仿生機(jī)器魚水球比賽實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)

本仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的在于針對(duì)目前水中仿生機(jī)器魚和機(jī)器魚水球比賽及研發(fā)中遇到的一系列困難，提供一種水中仿生機(jī)器魚水球比賽實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，使其能夠較真實(shí)地模擬水中仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化情況、各個(gè)關(guān)節(jié)的位姿變化、機(jī)器魚水球比賽進(jìn)程，更好地測試水中仿生機(jī)器魚各種運(yùn)動(dòng)學(xué)理論、碰撞理論、水波擾動(dòng)理論、運(yùn)動(dòng)策略算法等有關(guān)水中仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)，以便更好地對(duì)水中仿生機(jī)器魚設(shè)計(jì)體系和策略控制算法進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式

本文所設(shè)計(jì)仿生機(jī)器魚水球比賽實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)基于Microsoft Robotics Studio SDK1.5開發(fā)，采用服務(wù)器/客戶端設(shè)計(jì)模式，服務(wù)器端和客戶端通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行連接和信息交互。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式

2.2 比賽項(xiàng)目

本文所設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)完全模擬實(shí)體仿生機(jī)器魚水球比賽，設(shè)置了機(jī)器魚1vs1、2vs2、3vs3、技術(shù)挑戰(zhàn)賽等4個(gè)比賽項(xiàng)目，其中技術(shù)挑戰(zhàn)賽包括單魚頂球、自由表演、雙魚對(duì)游3項(xiàng)。同時(shí)，本仿真系統(tǒng)提供了接口擴(kuò)展功能，可以方便地?cái)U(kuò)展到其他水球比賽項(xiàng)目。

2.3 整體設(shè)計(jì)框架

整體設(shè)計(jì)框架包括客戶端策略模塊、服務(wù)器端公共接口模塊、核心控制模塊、環(huán)境設(shè)置模塊、輔助功能模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模模塊[6]。上述七個(gè)模塊組建了一個(gè)仿生機(jī)器魚水球比賽計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，控制水球仿真平臺(tái)策略調(diào)用、比賽進(jìn)程、數(shù)據(jù)顯示等整個(gè)比賽過程。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架如圖2、圖3所示。

圖2 整體設(shè)計(jì)框架（服務(wù)器端）

圖3 整體設(shè)計(jì)框架（客戶端）

客戶端模塊功能包括比賽場地信息獲取、比賽場地重構(gòu)、服務(wù)器端進(jìn)行信息、交互輸出策略制定等。客戶端獲取比賽環(huán)境信息，包括比賽類型、比賽階段、所在半場、機(jī)器魚位姿信息、場地信息，重建仿真比賽場景，并根據(jù)目標(biāo)制定機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)策略，然后發(fā)送給服務(wù)器端。

2.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)施例

本實(shí)施例中，每次比賽運(yùn)行一個(gè)服務(wù)器端程序和兩個(gè)客戶端程序，客戶端和服務(wù)器端以TCP/IP通信協(xié)議進(jìn)行連接和信息交互。仿真比賽過程如下：

（1）運(yùn)行服務(wù)器端程序，服務(wù)器端核心控制模塊選擇比賽類型和比賽時(shí)間，并不斷監(jiān)聽局域網(wǎng)內(nèi)本地或其他終端TCP/IP連接請(qǐng)求。

（2）在同一臺(tái)服務(wù)器端或其他終端運(yùn)行客戶端程序，輸入需要連接的服務(wù)器IP地址和端口號(hào)，向服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求信號(hào)，并確認(rèn)是否準(zhǔn)備完畢。

（3）服務(wù)器端接收客戶端連接請(qǐng)求，判斷客戶端請(qǐng)求是否有效。如果有效，記錄客戶端地址，獲取客戶端隊(duì)伍名字等信息；如果無效，則連接失敗，向客戶端發(fā)送連接失敗信息。

（4）服務(wù)器與客戶端連接成功后，服務(wù)器端將確認(rèn)客戶端參賽隊(duì)伍是否已準(zhǔn)備好比賽。一場比賽中，所有參賽隊(duì)伍都準(zhǔn)備好并確認(rèn)以后，才能開始比賽。界面如圖4所示。

（5）步驟3和步驟4進(jìn)行過程中，可以通過環(huán)境設(shè)置模塊進(jìn)行比賽場景信息設(shè)置，包括：1）設(shè)置比賽場地大小、球門大小；2）設(shè)置機(jī)器魚色標(biāo)，包括前方和后方色標(biāo)；3）設(shè)置機(jī)器魚位姿，包括X、Y坐標(biāo)和方向；4）設(shè)置障礙物和通道信息，包括位置、形狀、長度、寬度、方向；5）可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊拖動(dòng)來設(shè)置機(jī)器魚位置。

圖4 比賽控制模塊

圖5 環(huán)境信息設(shè)置模塊界面

（6）點(diǎn)擊“開始”按鈕進(jìn)行比賽。服務(wù)器端每隔一段時(shí)間向客戶端發(fā)送策略請(qǐng)求消息，客戶端收到請(qǐng)求后，調(diào)用公共接口模塊及環(huán)境設(shè)置模塊，根據(jù)當(dāng)前比賽環(huán)境信息，計(jì)算機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)策略，然后將指令發(fā)送給服務(wù)器。

（7）服務(wù)器收到客戶端策略指令后，根據(jù)機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)學(xué)建模模塊，計(jì)算下一時(shí)刻機(jī)器魚位姿信息。

（8）得到機(jī)器魚下一時(shí)刻位姿信息后，進(jìn)入服務(wù)器核心控制模塊，進(jìn)行碰撞處理、擾動(dòng)處理、裁判模塊，控制比賽進(jìn)程。水球仿真比賽界面如圖6所示。

（9）步驟1～8所述操作及信息可以通過仿真數(shù)據(jù)顯示模塊進(jìn)行顯示及交互，大大方便了研究人員實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)并進(jìn)行水球比賽調(diào)試。機(jī)器魚位姿、策略命令等信息顯示節(jié)目如圖7所示。

圖6 比賽場地界面

圖7 機(jī)器魚信息顯示界面

（10）本實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)同時(shí)提供輔助功能，包括仿真比賽回放[7]、實(shí)時(shí)截圖、比賽錄像、機(jī)器魚仿真運(yùn)動(dòng)測試、機(jī)器魚仿真運(yùn)動(dòng)軌跡繪制等功能，為仿真比賽系統(tǒng)系統(tǒng)優(yōu)化分析、實(shí)時(shí)監(jiān)測、策略優(yōu)化改進(jìn)提供支持。

在本實(shí)施例中，兩個(gè)客戶端終端分別運(yùn)行客戶端程序，并與服務(wù)器端進(jìn)行連接和信息交互，服務(wù)器端處理根據(jù)客戶端連接信息及策略，對(duì)機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和整個(gè)水球比賽進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，整個(gè)比賽通過數(shù)據(jù)顯示模塊實(shí)時(shí)顯示。

本仿真系統(tǒng)已將相關(guān)庫函數(shù)打包，并制作成為安裝程序和卸載程序，使用非常方便。

3 結(jié)論與展望

與現(xiàn)有陸上機(jī)器人比賽仿真比賽相比，本實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)首次研究了基于水中仿生機(jī)器魚水球比賽的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，在使用中替代了水中實(shí)體仿生機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)了仿生機(jī)器人水球比賽。通過對(duì)機(jī)器魚水球比賽的實(shí)時(shí)仿真，有效地驗(yàn)證了水下仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)模型的正確性，驗(yàn)證了機(jī)器魚每個(gè)時(shí)刻各個(gè)關(guān)節(jié)輸出頻率、擺幅、偏滯角對(duì)機(jī)器魚位姿變化的影響，驗(yàn)證了水波環(huán)境、障礙物碰撞對(duì)機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，降低了水下仿生機(jī)器魚的測試成本，同時(shí)縮短了水中機(jī)器人水球比賽策略的研發(fā)周期。

在中國水中機(jī)器人大賽仿真組的比賽中發(fā)現(xiàn)了以下問題，需要在以后的研究中改進(jìn)：（1）物理模型需要進(jìn)一步的優(yōu)化；（2）對(duì)抗賽時(shí)初始化時(shí)雙方機(jī)器魚對(duì)球的距離應(yīng)保持一致；（3）關(guān)于死球的判定，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化；（4）應(yīng)加入3D仿真界面。

[1] 蔣新松.未來機(jī)器人技術(shù)發(fā)展方向的探討[M].邁向新世紀(jì)的中國機(jī)器人——國家863計(jì)劃智能機(jī)器人主題回顧與展望.沈陽: 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2001,199-206.

[2] 張樂.多模態(tài)機(jī)器魚的設(shè)計(jì)與控制[D].北京大學(xué)智能控制實(shí)驗(yàn)室論文,2008，6.

[3] 喻俊志.多仿生機(jī)器魚控制與協(xié)調(diào)研究[D].中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所博士論文,2003，12.

[4] 郭葉軍,熊蓉,吳鐵軍.RoboCup機(jī)器人足球仿真比賽開發(fā)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003，29(2)：146-148.

[5] Tandy Trower.歡迎來到 Microsoft Robotics Studio.微軟機(jī)器人工程團(tuán)隊(duì)網(wǎng)站.

[6] Chen Wang,Guangming Xie,Hongdong Wei,Long Wang.A Novel CPG Model for Locomotion Control of a Fish-like Robot.

[7] 佟國峰,何洪生,邵振洲.基于 Microsoft Robotics Studio的新型足球機(jī)器人3D仿真平臺(tái)[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào),2007,10（21）:1-4.