人工魚的智能行為控制研究.pdf

1、人工生命是由信息及生命等多種領(lǐng)域?qū)W科交互后的產(chǎn)物，它是21世紀最熱門的研究方向之一。人工生命主要是以自然生命作為研究對象，以模擬自然生命過程機理作為主要研究內(nèi)容，并且以擴展自然生命特性作為研究的終極目標。采用人工生命的手段再現(xiàn)自然生命特性，不僅幫助人們更好地了解自然以及最終受益于自然，而且能夠?qū)ρ芯孔匀粍赢嫾爸悄軝C器人等相關(guān)領(lǐng)域提供借鑒作用，由此可見人工生命的研究具有不可估量的重大意義。
　　基于軟件的虛擬自然生物是人工生命的一個

2、重要研究分支，即通過對自然生物進行行為建模，利用計算機等設(shè)備再現(xiàn)生物行為。但是，當前在生物行為建模中仍存在著一些不足之處：（1）目前生物行為決策模型僅將其周圍外部環(huán)境信息作為其行為決策依據(jù)，忽略其自身內(nèi)部狀態(tài)信息，并默認其內(nèi)部狀態(tài)為理想情況。（2）已有研究者通過實驗證明生物的行為決策與其自身情感狀態(tài)密切相關(guān)，而當前的行為決策模型都忽視生物情感這一重要特性。（3）生物的集群過程是個體間不斷交互的過程，交互個體的選擇方式對生物集群行為具有重

3、大影響，但當前模型都采用基于半徑R的方式選擇交互個體，采用此方式不僅使交互個體數(shù)量受距離 R所限制，而且缺乏相關(guān)生物理論依據(jù)。（4）當前眾多模擬實驗僅在一維空間中對生物模型進行構(gòu)建，但在一維空間中構(gòu)建生物模型勢必會忽略生物的轉(zhuǎn)向以及碰撞等相關(guān)問題。
　　由于魚類的行為模式與其它自然生物相類似，在自然生物界具有一定代表性，因此本論文以涂曉媛[1]博士建立的人工魚作為研究對象，以生物科學以及其它相關(guān)學科的有關(guān)研究成果作為研究理論依據(jù)，

4、以生物智能以及人工生命的理論和方法作為研究手段，將人工生命以及生物智能行為合理地整合起來，研究虛擬人工魚的智能行為控制方法，最后構(gòu)建出具有高度符合自然生態(tài)角色的人工魚智能行為仿真動畫系統(tǒng)。本論文的工作主要包含以下幾個方面：
　　（1）研究個體人工魚的行為控制方法
　　本文以魚類具有情感特性以及情感影響生物行為決策能力為依據(jù)，在傳統(tǒng)人工魚行為框架中引入情感因素，提出一種基于情感的個體人工魚行為控制模型。首先，以人工情感為理論依

5、據(jù)，建立模糊情感推理模型；其次，將模糊情感推理模型與 CMAC(Cerebellar Model Articulation Controller)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，建立一種混合模型，以此進行行為決策；最后，依據(jù)行為決策提出一種基于權(quán)值的人工魚路徑選擇策略。
　?。?）研究群體人工魚的行為控制方法
　　針對目前生物集群行為模型在設(shè)計交互個體機制上的缺陷，本文提出一種基于拓撲距離的人工魚集群行為模型。首先，以Ballerini[2

6、]等人的研究成果作為理論依據(jù)，采用拓撲距離的方式選擇交互個體，并對交互個體數(shù)量進行限制；其次，為生物個體劃分一個同步區(qū)域，采用先聚攏后同步的集群策略模式；最后，根據(jù)模擬集群行為過程中易產(chǎn)生穿透現(xiàn)象的缺陷，從系統(tǒng)開銷以及應用場景角度出發(fā)，提出一種碰撞處理方案。
　?。?）虛擬環(huán)境下人工魚智能行為仿真動畫的設(shè)計與實現(xiàn)
　　本文將計算機圖形學相關(guān)知識作為理論基礎(chǔ)，并結(jié)合OpenGL圖形庫與C++編程語言，在Visio Studio