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動物集群運(yùn)動機(jī)理分析及建模仿真-在線瀏覽

2025-08-04 13:17本頁面
  

【正文】 游動方向當(dāng)前各鄰居的位置鯊魚的運(yùn)動方向不同因素的權(quán)重五、模型建立與求解生態(tài)系統(tǒng)中動物個體的行為比較簡單,為了研究整個魚群的行為規(guī)則,首先要研究個體的行為規(guī)則以及控制反饋方式,在本文中采取自底而上的思想分析建模,最終模擬整個魚群集群的運(yùn)動。通過分析個體魚的運(yùn)動機(jī)制,如圖l,個體魚通過感知模塊感知外部環(huán)境,感知模塊通過協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)將個體魚當(dāng)前感興趣的信息傳輸給路徑規(guī)劃模塊。圖1 個體魚行為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖 魚群的行為通過個體魚之間的涌現(xiàn)而形成,魚群的行為通過魚的個體之間的相互作用涌現(xiàn)而成.根據(jù)對環(huán)境信息的掌握程度的不同,魚群路徑規(guī)劃分為兩種:(1)基于環(huán)境完全信息的全局路徑規(guī)劃;(2)甚于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃。魚群的個體存在高級自組織行為。這些都是魚群高級自組織行為。其中可分為三個級別:協(xié)調(diào)級、規(guī)劃級、運(yùn)動級。規(guī)劃級由自主行為模塊、互操作行為模塊、聚焦器、行為規(guī)劃選擇、推理機(jī)制等組成。協(xié)調(diào)級運(yùn)動級規(guī)劃級圖2 魚群集群行為的框架結(jié)構(gòu)通過了解個體魚的行為產(chǎn)生機(jī)制以及個體魚與整個魚群的關(guān)系,緊接著要研究個體魚的行為產(chǎn)生規(guī)則。其次,根據(jù)魚體視覺能力范圍的劃分來定義魚體反應(yīng)方式。在模型中將魚體視覺能力范圍劃分為五個距離,如圖3所示。按避免碰撞原則,該距離相當(dāng)于最小距離NND,鄰居魚處于本魚的排斥區(qū)域內(nèi),本魚將以背離鄰居魚方向迅速離開;為無反應(yīng)的中性距離,鄰居魚處于本魚的無反應(yīng)中性區(qū)域內(nèi), 本魚將以群體平均速度前進(jìn), 并且在方向上具有較大的隨機(jī)性;根據(jù)魚類具有保持和跟隨目標(biāo)運(yùn)動的習(xí)性,設(shè)立的相互平行運(yùn)動的保標(biāo)距離,鄰居魚處于本魚的平行保標(biāo)區(qū)域內(nèi),本魚將以保標(biāo)速度前進(jìn),方向不變;為相互吸引靠攏距離,該距離在魚個體的視覺范圍內(nèi),因魚類個體的聚集行為,相互有靠近的傾向。圖3 魚類視覺能力范圍示意圖首先要得出個體魚的游動方向。每個個體魚作為一個獨(dú)立的動作者,通過對動態(tài)環(huán)境的局部感知,按照上述三個基本原則,不斷調(diào)整自身運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)與整個魚群協(xié)調(diào)運(yùn)動。另外,魚的游動方向還因?yàn)樽陨響T性的作用而不能立刻改變。(4)慣性因素:因?yàn)閭€體魚的游動慣性而對下一周期的運(yùn)動方向產(chǎn)生的影響。即為下一時刻該魚的游動方向??紤]到各規(guī)則對魚的影響力不同,我們還需要對各個方向加權(quán),取加權(quán)平均值,權(quán)重的大小可以根據(jù)不同魚類來確定。公式表示為:為鄰居的平均值, 為當(dāng)前個體的位置, 為當(dāng)前各個鄰居的位置。公式表示為: 為各個鄰居的方向,為鄰居的個數(shù),為鄰居的平均方向。公式表示為:為小于碰撞距離的鄰居到當(dāng)前個體方向的平均值, 為鄰居中小于碰撞距離的鄰居個數(shù)。該影響與個體的運(yùn)動速度成正相關(guān),因?yàn)榧僭O(shè)個體速度為常值,此處,慣性影響也假設(shè)為常值,用表示。也就是說,整個系統(tǒng)是通過分布式的個體凋整而不是集中控制式來實(shí)現(xiàn)全局的協(xié)調(diào)一致。在問題一的求解中,根據(jù)不同種類的動物集群的具體運(yùn)動情況,對各因素取不同的權(quán)值。在權(quán)重的確定時,可以根據(jù)具體的不同動物集群種類,通過更改仿真程序相關(guān)參數(shù),再把仿真結(jié)果與現(xiàn)實(shí)中的動物運(yùn)動情況進(jìn)行比較,從而得到對于特定種類的不同權(quán)值。我們給定一組權(quán)值將模型進(jìn)行仿真,仿真情況用三種狀態(tài)表示。圖5 魚群分散狀態(tài)圖6 魚群聚集狀態(tài)圖7 魚群聚集完畢 從圖中我們可以看出魚群成密集的聚集。不能更好的顯示聚集過程。根據(jù)認(rèn)真分析視頻中魚群躲避鯊魚的運(yùn)動特點(diǎn),得出以下兩個特點(diǎn):魚群基本保持了集群的形態(tài)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。因?yàn)轸~群對鯊魚捕食的成功躲避中,保持了魚群的基本特征。再對現(xiàn)有的四個因素進(jìn)行加權(quán),求出該個體魚的運(yùn)動方向。在分析問題一中的三個原則和一個慣性因素時,新增加了對“威脅躲避”影響的分析。并且,在威脅源的游動前方的個體魚都會改變原有的游動方向,而偏向一邊游動;在威脅源游動后方的個體魚都會在保證與威脅源一定方向的基礎(chǔ)上跟隨威脅源游動,從而保證整個集群的完整性和穩(wěn)定性。當(dāng)鄰居魚逼近時,按五種不同遠(yuǎn)近的距離采取相應(yīng)的行為反應(yīng)和行動。在問題一中模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合具體問題,抽象出魚群躲避鯊魚捕食時的五個游動規(guī)則:(1)躲避威脅:保持和威脅源的距離;(2)避免碰撞:避免和相鄰個體發(fā)生碰撞;(3)速度匹配:與相鄰個體的速度一致;(4)中心聚集:系統(tǒng)中個體向中心聚集;(5)運(yùn)動慣性:個體下一周期的運(yùn)動受該周期的運(yùn)動慣性影響。最后,通過計(jì)算機(jī)編程的方法得到了較為真實(shí)的群體行為的仿真。即為下一時刻該魚的游動方向??紤]到各規(guī)則對魚的影響力不同,我們還需要對各個方向加權(quán),取加權(quán)平均值,權(quán)重的大小可以根據(jù)不同魚類的具體情況確定。具體分析如下圖:圖9 個體魚躲避鯊魚原則模型其中,A點(diǎn)為鯊魚的位置,為鯊魚的運(yùn)動方向;B為位于鯊魚前方的個體魚,為魚B的運(yùn)動方向;C為位于鯊魚后方的個體魚,為個體魚C的運(yùn)動方向;直線與鯊魚運(yùn)動方向垂直且經(jīng)過鯊魚位置,把鯊魚所在位置的水平面分成前后兩個部分;是個體魚與鯊魚的安全距離,以鯊魚位置A為圓心,為半徑畫圓。結(jié)合實(shí)際情況,為了便于建立理想的模型,本文認(rèn)為當(dāng)個體與威脅源達(dá)到一定的安全距離時,該個體一定會被威脅源捕食;否則,該個體處于安全位置下面就兩種情況分別討論:1)、當(dāng)個體在運(yùn)動威脅源的前方時,個體沿著威脅源和個體的連線且遠(yuǎn)離個體的方向,以最大速度逃離。即此時“躲避威脅”的權(quán)重比較大,很接近1。所以,在個體運(yùn)動中,為了盡量保證集群的完整性和穩(wěn)定性。即此時“躲避威脅”的權(quán)重為0。集群中的個體并不知道整個集群的全局信息,每個個體根據(jù)它所感知的局部信息來調(diào)整自身的運(yùn)動方向。最后,按照各個個體運(yùn)動的規(guī)則,通過編寫程序,做出集群躲避捕食的運(yùn)動仿真。 通過查找資料總結(jié)分析,在對魚群中信息豐富者對集群的影響進(jìn)行分析時,首先對魚類的信息傳遞的作用和信息
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