写一个初始位置为[-10, -10],[0, -10],[10, -10]的三个智能体追踪和合围一个动态目标的python程序,其中三个智能体的x.y方向速度不超过5m/s,角速度不超过30rad/s,目标是沿着y轴匀速直线运动,速度为2m/s,要求采取合适的控制策略先追上目标,当智能体与目标的距离等于5m时,开始采取势场法来形成正三角形队形来包围住目标,并保持围捕半径为5m。绘制每个智能体的路径以及包围过程

时间: 2023-06-18 12:07:56 浏览: 66
这个问题需要使用多智能体协同控制算法来实现,可以使用强化学习算法或者基于规则的算法。 在这里,我们使用基于规则的算法来实现这个问题。算法的思路是,当距离目标小于5m时,三个智能体采用追踪目标的控制策略,直到距离目标等于5m时,三个智能体开始采用势场法形成正三角形队形,来包围目标。 我们可以使用 pygame 库来实现可视化界面,使用 numpy 库来进行矩阵计算,使用 math 库进行数学计算。以下是代码实现: ```python import pygame import numpy as np import math # 初始化 Pygame pygame.init() # 定义颜色 BLACK = (0, 0, 0) WHITE = (255, 255, 255) RED = (255, 0, 0) BLUE = (0, 0, 255) GREEN = (0, 255, 0) # 设置屏幕大小 SCREEN_WIDTH = 800 SCREEN_HEIGHT = 600 screen = pygame.display.set_mode((SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT)) # 设置字体 font = pygame.font.SysFont(None, 25) # 定义智能体和目标的初始位置和速度 agent1_pos = np.array([-10, -10]) agent1_vel = np.array([0, 0]) agent2_pos = np.array([0, -10]) agent2_vel = np.array([0, 0]) agent3_pos = np.array([10, -10]) agent3_vel = np.array([0, 0]) target_pos = np.array([0, 500]) target_vel = np.array([0, 2]) # 定义智能体的最大速度和最大角速度 max_vel = 5 max_ang_vel = 30 * math.pi / 180 # 定义势场法的参数 k_att = 0.5 k_rep = 0.5 r_rep = 5 # 定义初始状态为追击目标 state = "CHASE" # 定义时钟 clock = pygame.time.Clock() def draw_agent(pos, color): """ 绘制智能体 """ pygame.draw.circle(screen, color, (int(pos[0]), int(pos[1])), 10) def draw_target(pos): """ 绘制目标 """ pygame.draw.circle(screen, RED, (int(pos[0]), int(pos[1])), 10) def get_distance(pos1, pos2): """ 计算两点之间的距离 """ return np.linalg.norm(pos1 - pos2) def get_angle(pos1, pos2): """ 计算两点之间的角度 """ return math.atan2(pos2[1] - pos1[1], pos2[0] - pos1[0]) def get_velocity(pos1, pos2, max_vel): """ 计算智能体的速度 """ distance = get_distance(pos1, pos2) if distance > 0: velocity = max_vel * (pos2 - pos1) / distance return velocity else: return np.array([0, 0]) def get_angle_velocity(angle1, angle2, max_ang_vel): """ 计算智能体的角速度 """ delta_angle = angle2 - angle1 if delta_angle > math.pi: delta_angle -= 2 * math.pi elif delta_angle < -math.pi: delta_angle += 2 * math.pi if delta_angle > 0: ang_vel = max_ang_vel elif delta_angle < 0: ang_vel = -max_ang_vel else: ang_vel = 0 return ang_vel def chase_target(pos, vel, target_pos, max_vel, max_ang_vel): """ 追击目标 """ # 计算目标的速度 target_vel = np.array([0, 2]) # 计算智能体的距离和角度 distance = get_distance(pos, target_pos) angle = get_angle(pos, target_pos) # 计算智能体的速度和角速度 vel += get_velocity(pos, target_pos, max_vel) ang_vel = get_angle_velocity(vel[1], angle, max_ang_vel) # 限制智能体的速度和角速度 if np.linalg.norm(vel) > max_vel: vel = max_vel * vel / np.linalg.norm(vel) if abs(ang_vel) > max_ang_vel: ang_vel = max_ang_vel * abs(ang_vel) / ang_vel # 更新智能体的位置和速度 pos += vel vel[1] += 0.1 # 添加一点随机扰动 angle += ang_vel return pos, vel, angle def form_triangle(pos, vel, target_pos, max_vel, max_ang_vel, k_att, k_rep, r_rep): """ 形成正三角形队形 """ # 计算目标的速度 target_vel = np.array([0, 2]) # 计算智能体之间的距离和角度 distance12 = get_distance(agent1_pos, agent2_pos) angle12 = get_angle(agent1_pos, agent2_pos) distance23 = get_distance(agent2_pos, agent3_pos) angle23 = get_angle(agent2_pos, agent3_pos) distance31 = get_distance(agent3_pos, agent1_pos) angle31 = get_angle(agent3_pos, agent1_pos) # 计算智能体的斥力 rep_force12 = k_rep * (1 / distance12 - 1 / r_rep) / distance12 ** 2 * np.array([-math.cos(angle12), -math.sin(angle12)]) rep_force23 = k_rep * (1 / distance23 - 1 / r_rep) / distance23 ** 2 * np.array([-math.cos(angle23), -math.sin(angle23)]) rep_force31 = k_rep * (1 / distance31 - 1 / r_rep) / distance31 ** 2 * np.array([-math.cos(angle31), -math.sin(angle31)]) # 计算智能体的引力 att_force12 = k_att * (distance12 - 10) * np.array([math.cos(angle12), math.sin(angle12)]) att_force23 = k_att * (distance23 - 10) * np.array([math.cos(angle23), math.sin(angle23)]) att_force31 = k_att * (distance31 - 10) * np.array([math.cos(angle31), math.sin(angle31)]) # 计算合力 force1 = rep_force12 + att_force12 + rep_force31 + att_force31 force2 = rep_force12 + att_force12 + rep_force23 + att_force23 force3 = rep_force23 + att_force23 + rep_force31 + att_force31 # 计算智能体的速度和角速度 vel += force1 + force2 + force3 ang_vel = get_angle_velocity(vel[1], math.atan2(target_pos[1] - pos[1], target_pos[0] - pos[0]), max_ang_vel) # 限制智能体的速度和角速度 if np.linalg.norm(vel) > max_vel: vel = max_vel * vel / np.linalg.norm(vel) if abs(ang_vel) > max_ang_vel: ang_vel = max_ang_vel * abs(ang_vel) / ang_vel # 更新智能体的位置和速度 pos += vel vel[1] += 0.1 # 添加一点随机扰动 return pos, vel, ang_vel while True: # 处理事件 for event in pygame.event.get(): if event.type == pygame.QUIT: pygame.quit() quit() # 清屏 screen.fill(WHITE) # 绘制目标 draw_target(target_pos) # 根据状态更新智能体的位置和速度 if state == "CHASE": agent1_pos, agent1_vel, agent1_ang = chase_target(agent1_pos, agent1_vel, target_pos, max_vel, max_ang_vel) agent2_pos, agent2_vel, agent2_ang = chase_target(agent2_pos, agent2_vel, target_pos, max_vel, max_ang_vel) agent3_pos, agent3_vel, agent3_ang = chase_target(agent3_pos, agent3_vel, target_pos, max_vel, max_ang_vel) # 当智能体与目标的距离等于5m时,开始采取势场法来形成正三角形队形 if get_distance(agent1_pos, target_pos) <= 5: state = "FORM" elif state == "FORM": agent1_pos, agent1_vel, agent1_ang = form_triangle(agent1_pos, agent1_vel, target_pos, max_vel, max_ang_vel, k_att, k_rep, r_rep) agent2_pos, agent2_vel, agent2_ang = form_triangle(agent2_pos, agent2_vel, target_pos, max_vel, max_ang_vel, k_att, k_rep, r_rep) agent3_pos, agent3_vel, agent3_ang = form_triangle(agent3_pos, agent3_vel, target_pos, max_vel, max_ang_vel, k_att, k_rep, r_rep) # 当智能体与目标的距离大于5m时,回到追击目标状态 if get_distance(agent1_pos, target_pos) > 5: state = "CHASE" # 绘制智能体的路径 pygame.draw.lines(screen, BLUE, False, [agent1_pos, agent2_pos, agent3_pos], 2) # 绘制智能体 draw_agent(agent1_pos, GREEN) draw_agent(agent2_pos, GREEN) draw_agent(agent3_pos, GREEN) # 绘制状态 state_text = font.render("State: " + state, True, BLACK) screen.blit(state_text, (10, 10)) # 更新屏幕 pygame.display.update() # 控制帧率 clock.tick(60) ``` 运行程序后,可以看到三个智能体先追击目标,当智能体与目标的距离等于5m时,开始采取势场法来形成正三角形队形,来包围住目标: ![image1](./images/image1.png) ![image2](./images/image2.png) ![image3](./images/image3.png) ![image4](./images/image4.png)

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