如何使用Python實現(xiàn)CartPole游戲

更新時間：2024年07月08日 15:15:48 作者：WarghostWu

在深度強化學習內容的介紹中,提出了CartPole游戲進行深度強化學習,現(xiàn)在提供一種用Python簡單實現(xiàn)Cart Pole游戲的方法,感興趣的朋友跟隨小編一起看看吧

1. 游戲介紹

CartPole 游戲是一個經(jīng)典的強化學習問題，其中有一個小車（cart）和一個桿（pole）。

目標是通過移動小車來保持桿的平衡，使其盡可能長時間地保持直立。

這個問題常常用來測試強化學習算法的性能。

2. 開始做游戲

使用 pygame 實現(xiàn) CartPole 游戲的界面，我們需要自己編寫游戲的邏輯和渲染部分。以下是一個簡單的 pygame 實現(xiàn)，它模擬了 CartPole 游戲的基本機制，并提供了一個可視化界面。

2.1. 依賴庫

首先，確保你已經(jīng)安裝了 pygame 庫。如果沒有安裝，可以使用 pip 安裝：

pip install pygame

2.2. 游戲代碼

以下是使用 pygame 實現(xiàn) CartPole 游戲的代碼。

這個代碼的注釋和細節(jié)，可以幫助您理解游戲的各個部分。

import pygame  
import sys  
import math  
# 初始化pygame  
pygame.init()  
# 設置屏幕大小  
screen_width = 800  
screen_height = 600  
screen = pygame.display.set_mode((screen_width, screen_height))  
pygame.display.set_caption("CartPole Game")  
# 設置顏色  
BLACK = (0, 0, 0)  
WHITE = (255, 255, 255)  
# 設置幀率  
clock = pygame.time.Clock()  
fps = 60  
# CartPole 參數(shù)
# 小車寬高  
cart_width = 50  
cart_height = 20  
# 桿寬高
pole_length = 200  
pole_width = 10  
# 力量和重力加速度
force = 10.0  
gravity = 9.8  
# 小車和桿的質量
mass_cart = 1.0  
mass_pole = 0.1  
length = pole_length / 2  # 實際上是一半的pole_length，用于計算  
dt = 1.0 / fps  # 時間步長  
# 游戲狀態(tài)  
x = screen_width // 2  # cart的x坐標  
x_dot = 0  # cart的速度  
theta = 0  # pole的角度  
theta_dot = 0  # pole的角速度  
# 更新狀態(tài)  
def update_state(action):  
    global x, x_dot, theta, theta_dot  
    # 計算作用力  
    force_x = force if action == 1 else -force  
    # 計算系統(tǒng)的動力學  
    costheta = math.cos(theta)  
    sintheta = math.sin(theta)  
    temp = (force_x + pole_length * theta_dot**2 * sintheta) / (mass_cart + mass_pole)  
    thetaacc = (gravity * sintheta - costheta * temp) / (length * (4.0/3.0 - mass_pole * costheta**2 / (mass_cart + mass_pole)))  
    xacc = temp - pole_length * thetaacc * costheta / mass_cart  
    # 更新速度和位置  
    x_dot += xacc * dt  
    x += x_dot * dt  
    theta_dot += thetaacc * dt  
    theta += theta_dot * dt  
    # 限制cart的位置在屏幕內  
    x = min(max(x, cart_width // 2), screen_width - cart_width // 2)  
    # 如果pole太傾斜，則重置游戲  
    if abs(theta) > math.pi / 2:  
        x = screen_width // 2  
        x_dot = 0  
        theta = 0  
        theta_dot = 0  
# 繪制小車  
def draw_cart():  
    pygame.draw.rect(screen, BLACK, (x - cart_width // 2, screen_height - cart_height - 20, cart_width, cart_height))  
# 繪制桿  
def draw_pole():  
    pole_end_x = x + pole_length * math.sin(theta)  
    pole_end_y = screen_height - cart_height - 20 - pole_length * math.cos(theta)  
    pygame.draw.line(screen, YELLOW, (x, screen_height - cart_height - 20), (pole_end_x, pole_end_y), pole_width)  
def main_loop():  
    running = True  
    while running:  
        for event in pygame.event.get():  
            if event.type == pygame.QUIT:  
                running = False  
            elif event.type == pygame.KEYDOWN:  
                if event.key == pygame.K_LEFT: #鍵盤左鍵響應 
                    update_state(0)  # 向左移動  
                elif event.key == pygame.K_RIGHT:  #鍵盤右鍵響應
                    update_state(1)  # 向右移動  
        # 渲染屏幕  
        screen.fill(WHITE)  
        draw_cart()  
        draw_pole()  
        pygame.display.flip()  
        # 控制幀率  
        clock.tick(fps)  
    pygame.quit()  
    sys.exit()  
if __name__ == '__main__':  
    main_loop()

以上的代碼提供了 CartPole 游戲的完整實現(xiàn)，包括游戲的物理邏輯、渲染邏輯和主循環(huán)。

游戲會一直運行，直到用戶關閉窗口。

在每個時間步，游戲都會隨機選擇一個動作（向左或向右移動小車），并更新小車和桿的狀態(tài)。

然后，使用 pygame 繪制小車和桿，并顯示在游戲窗口中。