Форум программистов, компьютерный форум, киберфорум
Наши страницы
Storm23
Войти
Регистрация
Восстановить пароль
Рейтинг: 5.00. Голосов: 4.

Neural Network Racing

Запись от Storm23 размещена 10.04.2018 в 16:06

В этой статье будем разбираться в нейронных сетях, генетических алгоритмах, физике движения автомобиля и Unity 3D. Попробуем это все слепить вместе и получить игру.

Идея
Идея заключается в том, чтобы использовать нейронную сеть для управления автомобилями в гоночной игре.
В результате хотелось бы получить гоночную аркаду, в которой боты будут управлять автомобилями на произвольной трассе.
Для создания 3D игры будем использовать Unity. Все остальное - включая физику автомобиля, элементы машинного зрения, нейронную сеть и ее обучение - будем разрабатывать с нуля.

Физика движения автомобиля
Поскольку мы делаем аркадную игру, то нам не нужна физически точная модель автомобиля. Достаточно того, что бы автомобиль вел себя визуально реалистично. При этом, модель должна поддерживать движение вперед/назад, рулевое управление, тормоз и делать реалистичные заносы при большой скорости движения.
Изменение передачи, смещение центра масс и другие более сложные процессы моделировать не будем. По крайней мере, пока.

Для начала условимся, что моделировать автомобиль мы будем только на плоскости. Поэтому позиция автомобиля и направление движения - будут двумерными векторами. На этапе моделирования в Unity наши автомобили будут трехмерными, но управление, "мозги" и физика будет двумерная.

Для начала, рассмотрим простое движение автомобиля, когда нет заносов и вектор движения машины совпадает с направлением корпуса.
В таком случае можно считать, что все колеса двигаются с одинаковой скоростью Speed. При этом, движение задних колес совпадает с направлением корпуса автомобиля, а передние колеса двигаются под определенным углом к корпусу (в зависимости от угла вращения руля).
Картинка поясняет как будут сдвигаться колеса:


Выяснив, как сдвинутся колеса, мы можем определить новые координаты центра корпуса и новый угол поворота корпуса:


Более подробно об этом можно почитать здесь.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда машину заносит. При заносе вектор движения автомобиля не совпадает с ориентацией корпуса:

При повороте, вектор скорости как бы запаздывает от вектора направления корпуса. И в момент заноса эти вектора не совпадают. В формулах это можно выразить следующим образом:

NewVelocity = Velocity * (1 - k) + LootAt * Speed * k

где Speed - длина вектора Velocity, а k - коэффициент трения (от 0 до 1) и зависящий от величины сцепления колеса с трассой. Если принять k = 1 (абсолютное сцепление с трассой) и подставить в формулу, то увидим, что вектор NewVolicty будет совпадать с направлением корпуса LookAt:

NewVelocity = LootAt * Speed

Наоборот, если k = 0 (абсолютно скользкая трасса), то вектор скорости вообще не будет зависеть от направление корпуса:

NewVelocity = Velocity

Если же k будет между 0 и 1 то получим движение при котором вектор скорости постепенно будет приближаться к направлению корпуса - то есть будет движение с заносом.
При этом, чем меньше абсолютная скорость, тем меньше будет разница между векторами LookAt и Velocity. Чем больше скорость - тем разница между этими векторами будет больше.

Линейное ускорение автомобиля будем считать по классической формуле Ньютона:

Force = Throttle * EnginePower; - сила тяги
NewVelocity = Velocity + LookAt * (Force * dt / Mass); - второй закон Ньютона F = ma

Где Throttle - коэффициент "выжимания газа" (от 0 до 1), EnginePower - мощность двигателя в условных единицах, LookAt - вектор направления корпуса автомобиля, Mass - масса автомобиля, dt - приращение времени.
Обращаем внимание, что ускорение всегда по направлению совпадает с ориентацией корпуса LookAt. Это верно даже в случае заноса, поскольку ускорение создается задними колесами, а они всегда направлены вдоль корпуса автомобиля.

Далее, для моделирования трения об воздух, используем следующую формулу:

NewVelocity = Velocity - Velocity * (AirFriction * dt)

Эта формула отражает тот факт, что сила трения (а значит и ускорение) пропорциональна скорости движения тела, и противоположна по направлению. AirFriction - коэффициент трения воздуха, dt - приращение времени.

Моделирование тормоза аналогично моделированию трению об воздух, но коэффициент трения берется значительно бОльшим.

Сведя все формулы вместе, создаем класс CarBase, который моделирует движение автомобиля:

Класс CarBase
C#
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
using System;
using CarPhysicsTester;
 
public class CarBase
{
    /// <summary>
    /// Масса, кг
    /// </summary>
    public float Mass = 1500;
    /// <summary>
    /// Колесная база, м
    /// </summary>
    public float Length = 2.6f;
    /// <summary>
    /// Коэфф. сцепления колес с поверхностью
    /// </summary>
    public float Adhesion = 1f;
    /// <summary>
    /// Угол на который в данный момент повернуты передние колеса
    /// (рулевое управление), радианы
    /// </summary>
    public float SteeringAngle = 0;
    /// <summary>
    /// Текущий коэфф мощности двигателя (от 0 до 1)
    /// (выжимание газа)
    /// </summary>
    public float Throttle = 0;
    /// <summary>
    /// Мжщность двигателя, уе
    /// </summary>
    public float EnginePower = 15500;
    /// <summary>
    /// Тормоз
    /// </summary>
    public bool Breaks;
    /// <summary>
    /// Текущее положение центра автомобиля
    /// </summary>
    public Vector2 Pos;
    /// <summary>
    /// Текущее направление корпуса
    /// </summary>
    public Vector2 LookAt;
 
    /// <summary>
    /// Текущее направление движения (скорость), м/с
    /// </summary>
    public Vector2 Velocity { get; protected set; }
    /// <summary>
    /// Скольжение?
    /// </summary>
    public bool IsSliding;
    /// <summary>
    /// Чувствительность руля
    /// </summary>
    public float SteeringSens = 5f;
    /// <summary>
    /// Трение воздуха
    /// </summary>
    public float AirFriction = 0.05f;
    /// <summary>
    /// Трение при торможении
    /// </summary>
    public float BreaksFriction = 1f;
    /// <summary>
    /// Трение повернутых передних колес
    /// </summary>
    public float TireFriction = 0.3f;
 
    public CarBase()
    {
        LookAt = new Vector2(0, 1);
    }
 
    public void Update(float throttle, float steering, bool breaks, float dt)
    {
        //max steering angle
        var maxAngle = 30 * PointFHelper.ToRadians;
 
        //dump steering
        var k = SteeringSens * dt;
        var s = SteeringAngle;
        s = s * (1 - k) + steering * k;
        SteeringAngle = ToDiapason(s, -maxAngle, maxAngle);
        Throttle = ToDiapason(throttle, -1, 1f);
        Breaks = breaks;
 
        //F = ma
        var force = Throttle * EnginePower;//сила тяги
        Velocity += LookAt * (force * dt / Mass);
 
        //air friction
        Velocity -= Velocity * (AirFriction * dt);
 
        //tires friction
        var friction = TireFriction * Math.Abs(SteeringAngle);//трение повернутых шин
 
        //breaks
        if (Breaks)
            friction = BreaksFriction;
 
        Velocity -= Velocity.Projection(LookAt) * (friction * Adhesion * dt);
 
        //wheels position
        var frontWheel = Pos + LookAt * (Length / 2);
        var backWheel = Pos - LookAt * (Length / 2);
 
        backWheel = CalcWheelMoving(backWheel, LookAt, Velocity, dt);
        frontWheel = CalcWheelMoving(frontWheel, LookAt.Rotate(SteeringAngle), Velocity, dt);
 
        //new car orientation
        LookAt = (frontWheel - backWheel).Normalized();
 
        //calc new velocity
        var speed = Velocity.Length();
 
        var prev = Velocity;
        Velocity = LookAt * speed;
        Velocity = prev.MoveTowards(Velocity, 0.5f * Adhesion);
 
        //assign new pos
        Pos = Pos.Add(Velocity * dt);
    }
 
    float ToDiapason(float val, float min, float max)
    {
        if (val < min) return min;
        if (val > max) return max;
        return val;
    }
 
    private Vector2 CalcWheelMoving(Vector2 wheelPos, Vector2 wheelDir, Vector2 velocity, float dt)
    {
        //раскладываем скорости вдоль и поперек колеса
        var Vt = velocity.Projection(wheelDir);             //tangent component
        var Vn = velocity.Sub(Vt);                          //normal component
 
        //смещение колеса
        var moving = (Vt + Velocity) * 0.5f * dt;//с учетом скольжения
        //var moving = Vt * dt; //без учета скольжения
 
        return wheelPos.Add(moving);
    }
}


Результат моделирования:
Симуляция физики движения автомобиля




Весь проект целиком - в прикрепленном файле.

To be continue ...
Вложения
Тип файла: zip CarPhysicsTester.zip (146.6 Кб, 63 просмотров)
Размещено в Без категории
Просмотров 404 Комментарии 0
Всего комментариев 0
Комментарии
 
КиберФорум - форум программистов, компьютерный форум, программирование
Powered by vBulletin® Version 3.8.9
Copyright ©2000 - 2018, vBulletin Solutions, Inc.
Рейтинг@Mail.ru