野外生存賽項(xiàng)思路算法分析

李強(qiáng)

● 野外生存賽項(xiàng)概述

野外生存自2012年開(kāi)始成為NOC活動(dòng)賽項(xiàng)，參加人數(shù)逐年增加。2014年參加人數(shù)更是達(dá)到了180人，占參加決賽學(xué)生人數(shù)的五分之一。其算法難度更是對(duì)參賽學(xué)生的極大考驗(yàn)，不但要求學(xué)生在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)完成機(jī)器人搭建、程序編寫(xiě)、完成仿真任務(wù)，更是要求師生發(fā)揮集體智慧在賽前做好各種應(yīng)變。每次正式比賽中會(huì)存在一些變化的元素，但變化只有進(jìn)入賽場(chǎng)才被告知，這使得整個(gè)比賽充滿著不確定性，學(xué)生的實(shí)力可以充分得到驗(yàn)證：對(duì)算法一定是深刻理解并掌握，死板照抄根本不可行。正是這樣的變化可能，要求師生在賽前對(duì)算法的通用性及易用性做較為深入的研究和準(zhǔn)備?；仡櫲陙?lái)成績(jī)較為突出的隊(duì)伍，無(wú)一不是學(xué)生參與研究過(guò)程，甚至學(xué)生遠(yuǎn)超過(guò)教師的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。這一現(xiàn)象無(wú)疑是非常喜人的。比較突出的事例是：第一季時(shí)，淄博一對(duì)父子為了不泄露其真實(shí)的算法設(shè)計(jì)，連續(xù)一周內(nèi)瘋狂研究，最終探索出另外一套算法，并以全市第四的成績(jī)拿到全國(guó)出線權(quán)。當(dāng)其把真實(shí)算法思路公布于眾時(shí)，我有種驚為天人的感覺(jué)。

● 野外生存賽項(xiàng)思路算法分析

三年來(lái)，野外生存的場(chǎng)景任務(wù)年年推陳出新，難度年年增加，任務(wù)特色鮮明、趨近現(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)在，我們以探索水源為例，分析其思路算法。

1.競(jìng)賽目標(biāo)

基于虛擬的野外生存網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，參賽選手通過(guò)編程來(lái)智能操控機(jī)器人完成各種生存挑戰(zhàn)，考核選手對(duì)編程語(yǔ)言理論知識(shí)的掌握與應(yīng)用能力，既培訓(xùn)選手對(duì)機(jī)器人知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，又促進(jìn)了其對(duì)野外生存技巧的了解，以及在復(fù)雜環(huán)境下快速的判斷能力、理性的冒險(xiǎn)精神。

2.競(jìng)賽任務(wù)

機(jī)器人由起始區(qū)出發(fā)，經(jīng)不同路線尋找到水源，任務(wù)成功完成。

3.變化的元素

（1）機(jī)器人起始區(qū)的位置和朝向可能會(huì)發(fā)生變化（起始區(qū)出發(fā)的兩條線路中反向延長(zhǎng)某一條作為出發(fā)區(qū)）。

（2）機(jī)器人行進(jìn)路線上標(biāo)志塊的位置可能發(fā)生變化（紅色標(biāo)志塊不一定就在護(hù)欄部分的入口和出口）。

（3）機(jī)器人行進(jìn)路線上可能會(huì)增設(shè)一些障礙（增設(shè)類似石頭類的障礙，干擾機(jī)器人正常行走）。

（4）三類路線的形狀可能會(huì)發(fā)生變化（可能會(huì)變成S型或者急轉(zhuǎn)彎類型的路線）。

4.基本算法思路

（1）如圖1所示，當(dāng)機(jī)器人行進(jìn)至1位置時(shí)，打開(kāi)套索滑下，然后進(jìn)入水潭?；K索路線的算法思路是走最簡(jiǎn)單的路，拿最多的分。其中，藍(lán)色區(qū)域可以被灰度傳感器檢測(cè)到，當(dāng)檢測(cè)到達(dá)藍(lán)色區(qū)域時(shí)，機(jī)器人直流電機(jī)停止，伺服電機(jī)打開(kāi)滑索。當(dāng)滑索扣緊時(shí)，機(jī)器人重心升高離地，依靠重力滑下繩索，直接越過(guò)下方斷橋，同時(shí)獲取周邊得分物。當(dāng)海拔高度差小于高度差或計(jì)時(shí)大于4秒時(shí)（車身晃動(dòng)，防止海拔高度誤測(cè)過(guò)早掉落），伺服電機(jī)回收，機(jī)器人自然掉落地面，直達(dá)水源。

（2）過(guò)木板橋路線的算法思路是把木板推倒搭橋。

①利用指南針傳感器在起點(diǎn)處左轉(zhuǎn)至270度（代碼略）。

②利用左手法則，使機(jī)器人一直沿左側(cè)墻壁行走的代碼如下所示。

public static void zuoshou （） //定義左手法則算法

{

if （（GetObst（32） == 1）） // GetObst（32）為障礙傳感器_左近

{

youchasu（）； //向右 差速轉(zhuǎn)彎

}

else

{

if （（GetObst（33） == 0）） //GetObst（33）為障礙傳感器_左遠(yuǎn)

{

ZuoChaSu（）； //向左 差速轉(zhuǎn)彎

}

else

{

ZhiHang（）； //直行

}

}

}

③for循環(huán)3次走完3個(gè)紅色塊。

while （（GetGray（34） ！= 76）） 和 while （（GetGray（34） == 76））

//利用不等于走到紅色塊處，利用等于走出紅色區(qū)域

④慢速延時(shí)推木板搭橋。

sd = 7； //定義直流電機(jī)速度為7

ZhiHang（）； //直行

Sleep（500）； //延時(shí)500ms

StopAllMotor（）；//停止所有電機(jī)動(dòng)作

（3）過(guò)懸空橋路線的算法思路是繞山體跑，至懸空橋處，模擬火車軌道自動(dòng)變向。

①沿用過(guò)木板橋算法直至懸空橋處。

②懸空橋過(guò)法：一是依靠程序，二是模擬火車軌道自動(dòng)變向。

當(dāng)我第一次把模擬火車軌道自動(dòng)變向的思路提出來(lái)后，得到了熱烈的反響，從實(shí)際使用來(lái)看，效果非常好。

③路線雖然增長(zhǎng)了，但算法結(jié)構(gòu)并沒(méi)有增加很多，同時(shí)可以得到更多的加分。

5.綜合思路

（1）木板橋處，利用伸桿橫掃所有得分。

算法的難點(diǎn)是：

①伸桿什么時(shí)候展開(kāi)？

②以怎樣的角度展開(kāi)？

③如何展開(kāi)？（不能影響機(jī)器人正常的行進(jìn)）

解決辦法是：

A.伸桿的展開(kāi)以最近紅色區(qū)域?yàn)槎ㄎ换鶞?zhǔn)（如圖2）。

不管機(jī)器人什么時(shí)候到達(dá)，只要知道機(jī)器人什么時(shí)候離開(kāi)。

while （（GetGray（34） == 76）） //當(dāng)機(jī)器人離開(kāi)紅色區(qū)域時(shí)，退出循環(huán)。

從機(jī)器人離開(kāi)紅色區(qū)域時(shí)，便開(kāi)始計(jì)時(shí)算法。算法設(shè)計(jì)可以設(shè)計(jì)為計(jì)時(shí)控制（但由于機(jī)器人下坡時(shí)并不穩(wěn)定，所以計(jì)時(shí)控制并不能較好地把握時(shí)機(jī)）。更好的辦法是采用“海拔高度傳感器+指南針傳感器”雙控制。海拔高度傳感器可以精確探測(cè)是否已經(jīng)下坡，而根據(jù)環(huán)繞山體跑的電機(jī)設(shè)置，指南針傳感器可以準(zhǔn)確定位其位置。在極坐標(biāo)點(diǎn)（r，θ）時(shí)，r的值可以被電機(jī)的定值速度差唯一設(shè)定，而θ角由指南針傳感器測(cè)得。

B.展開(kāi)的角度采用漸進(jìn)叉形柵格慢速展開(kāi)，類似于日常生活中的叉型拉閘門。需要注意的是，每個(gè)頂點(diǎn)伺服電機(jī)正負(fù)展開(kāi)，一側(cè)正向則其頂端另一側(cè)為反向。

C.展開(kāi)的方式是先給速度差固定的電機(jī)設(shè)置，然后給固定時(shí)間的伺服電機(jī)設(shè)置。在伸桿打開(kāi)的這段時(shí)間內(nèi)，機(jī)器人按照一定的轉(zhuǎn)彎半徑做繞山體轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間由伺服電機(jī)打開(kāi)的時(shí)間決定。

（2）木板橋處，利用伸桿推倒木板橋豎向橫掃所有得分。此處皆為伺服電機(jī)的動(dòng)作設(shè)計(jì)，故略。

（3）懸空橋處，機(jī)器人前行過(guò)程中伸展手臂做運(yùn)動(dòng)的分（如圖3）。

● 綜述

在該任務(wù)場(chǎng)景中，共有三條基本路線，五個(gè)“較難得分物”，總分455分。多任務(wù)性、多選擇性所帶來(lái)的抉擇不同，必然導(dǎo)致最后得分的不同。走一條路線的同時(shí)能否獲得其他路線的物品？怎么走才能獲得更多的任務(wù)物品？吊橋可以過(guò)去也可以不過(guò)去，如何設(shè)計(jì)？多任務(wù)性和多選擇性的任務(wù)場(chǎng)景設(shè)計(jì)，要求教師和學(xué)生們的思路必須一再突破，機(jī)器人行走路線的選擇趨向同時(shí)完成多個(gè)任務(wù)。在完成了一條路線得分的同時(shí)，又完成了第二條路線的得分，但是能不能再同時(shí)獲取第三條路線的得分？即便是拿到了三條路線的任務(wù)物品，能不能將所有的得分物都拿到？這就是多任務(wù)、多選擇性的野外生存的魅力！多任務(wù)、多選擇性場(chǎng)景任務(wù)原則的確立，使其在整整一年的比賽準(zhǔn)備期間都充滿著競(jìng)爭(zhēng)，分?jǐn)?shù)一再刷新、不斷刷新。野外生存成為NOC活動(dòng)中競(jìng)爭(zhēng)最激烈的項(xiàng)目，究其原因就在于此。endprint