行为树的基本概念和C++库

一说明

行为树是计算机科学、机器人技术、控制系统和视频游戏中使用的计划执行的数学模型。它们以模块化方式描述一组有限任务之间的切换。他们的优势来自于他们能够创建由简单任务组成的非常复杂的任务，而不用担心简单任务是如何实现的。行为树与分层状态机有一些相似之处关键区别在于行为的主要构建块是任务而不是状态。它易于人类理解，使得行为树不易出错，并且在游戏开发者社区中非常受欢迎。行为树已被证明可以推广其他几种控制架构。[1] [2]

对双臂机器人的搜索和抓取计划进行行为树建模。

二背景概述

基于行为的控制结构最初由 Rodney Brooks 在其题为“移动机器人的鲁棒分层控制系统”的论文中提出。在最初的提案中，一系列行为可以相互替代，后来该方法在行为的树状组织中得到了扩展和概括，并在游戏行业中得到了广泛应用[需要引用]作为对行为进行建模的强大工具。非玩家角色(NPC)的行为。[3] [4] [5] [6]它们已广泛应用于Halo、Bioshock和Spore 等备受瞩目的视频游戏中。最近的工作提出行为树作为无人机、复杂机器人、机器人操纵和多机器人系统的多任务控制框架。[7] [8] [9] [10] [11] [12] 行为树现已达到游戏 AI 教科书、[13] [14]以及Unity（游戏）等通用游戏环境的成熟度。引擎）和虚幻引擎（请参阅下面的链接）。

行为树因其开发范式而变得流行：只需对 NPC 的动作进行编程，然后设计一个树结构（通常通过拖放）即可创建复杂的行为，其叶节点是动作，其内部节点决定 NPC 的决策。行为树在视觉上直观且易于设计、测试和调试，并且比其他行为创建方法提供更多的模块化性、可扩展性和可重用性。

多年来，行为树的多样化实现在效率和能力上不断提高，以满足行业的需求，直到演变为事件驱动的行为树。[15] [5]事件驱动的行为树通过改变树内部处理其执行的方式以及引入一种可以对事件做出反应并中止正在运行的节点的新型节点，解决了经典行为树的一些可扩展性问题。如今，事件驱动行为树的概念已成为标准并在大多数实现中使用，尽管为了简单起见它们仍被称为“行为树”。

三关键概念

行为树以图形方式表示为有向树，其中节点被分类为根、控制流节点或执行节点（任务）。对于每对连接的节点，传出节点称为父节点，传入节点称为子节点。根没有父节点且只有一个子节点，控制流节点有一个父节点和至少一个子节点，而执行节点有一个父节点且没有子节点。从图形上看，控制流节点的子节点放置在其下方，从左到右排序。[16]

行为树的执行从根部开始，根部以一定的频率向其子节点发送刻度。勾号是允许执行子进程的启用信号。当行为树中的某个节点被允许执行时，如果执行尚未完成，则向父节点返回运行状态；如果达到目标，则返回成功；否则返回失败。

3.1 控制流节点

控制流节点用于控制其组成的子任务。控制流节点可以是选择器（回退）节点或序列节点。他们依次运行每个子任务。当一个子任务完成并返回其状态（成功或失败）时，控制流节点决定是否执行下一个子任务。

选择器（后备）节点

回退节点用于查找并执行第一个未失败的子节点。当回退节点的一个子节点返回成功或正在运行时，后备节点将返回成功或立即运行的状态代码（参见图 I 和下面的伪代码）。孩子们按照重要性顺序从左到右打勾。

在伪代码中，后备组合的算法是：

for i from 1 to n do
     childstatus ← Tick(child(i))
     if childstatus = running
        return running
     else if childstatus = success
         return success
 end
 return failure


序列节点

序列节点用于查找并执行第一个尚未成功的子节点。当序列节点的一个子节点返回失败或运行时，序列节点将立即返回失败或运行的状态代码（参见图 II 和下面的伪代码）。子项按从左到右的顺序勾选。

在伪代码中，序列组合的算法是：

for i from 1 to n do
2     childstatus ← Tick(child(i))
3     if childstatus = running
4         return running
5     else if childstatus = failure
6         return failure
7 end
8 return success