本記事では、下記リンク先のような振り子動画を作成します。
動画を保存するためのgif出力は、ImageMagickを使用します。インストールは下記リンクで、Windows版はexeファイルを実行します。http://www.imagemagick.org/script/download.php
インストール中に、自動でpythonフォルダ箇所の確認をされるので、間違いなければOK押せば完了です。そして、スクリプトファイル内にインポートを明示する必要もありません。gif保存は、pillow(PIL)でも出来るようではあります。
■本プログラム
台車の重さを10㎏⇒100kgなどと重くすると単振り子の動作に近くなります。
#!/usr/bin/env python3 # -*- coding: utf-8 -*- import numpy as np import math import random import matplotlib.pyplot as plt from matplotlib.animation import FuncAnimation class Inverted_Pendulum(): # 台車と振り子の動作 def __init__(self, x, theta, noisy=True): # 初期値 self.x = x self.x_dot = 0 self.theta = theta self.theta_dot = 0 self.u = 0 self.noisy = noisy self.t_one = t / t_num def do_action(self, action): # 台車の行動 if action == 'left': self.u = -25 elif action == 'right': self.u = 25 else: self.u = 0 if self.noisy: # 真の場合 self.u = np.random.uniform(-5, 5) # ランダム方向へ微動する self.update_state() return (self.theta, self.theta_dot), self.calc_reward() def update_state(self): # 状態を更新 for i in range(t_num): cos_theta = np.cos(self.theta) sin_theta = np.sin(self.theta) temp = (self.u + m * l * self.theta_dot**2 * sin_theta) / total_mass theta_acc = ((g * sin_theta - cos_theta * temp) / (l * (4/3 - m * cos_theta**2 / total_mass))) x_acc = temp - m * l * theta_acc * cos_theta / total_mass self.x += self.t_one * self.x_dot self.x_dot += self.t_one * x_acc self.theta += self.t_one * self.theta_dot self.theta_dot += self.t_one * theta_acc def calc_reward(self): # 報酬 if -math.pi/2 <= self.theta <= math.pi/2: return 0 else: return 1 def get_car_x(self): return self.x def movie(x_history, angle_history, l, t, my_action): # 座標リストから動画を描画 range_width = l * 2.5 fig = plt.figure() ax = fig.add_subplot(111, aspect='equal', autoscale_on=False, xlim=(-range_width, range_width), ylim=(-range_width, range_width)) ax.grid() line, = ax.plot([], [], 'ro--', lw=2, markersize=8) time_text = ax.text(0.02, 0.95, '', transform = ax.transAxes) def init(): line.set_data([], []) time_text.set_text('') return line, time_text def animate(i): line.set_data([x_history[i], x_history[i]+2*l*np.sin(angle_history[i])], [0, 2*l*np.cos(angle_history[i])]) time_text.set_text('time = {0:.1f}'.format(i*t)) return line, time_text ani = FuncAnimation(fig, animate, frames=range(len(x_history)), interval=t*1000, blit=True, init_func=init, repeat=False) ani.save("pendulum.gif", writer="imagemagick") plt.show() #plt.close() def main(): x_history_list = [0.] # x座標を格納するリスト。初期座標にゼロ設定 angle_history_list = [initial_angle] # 角度を格納するリスト # インスタンスの生成 (x座標, 角度, ノイズ) my_instance = Inverted_Pendulum(x_history_list[0], angle_history_list[0], noise_flag) for i in range(100): #my_action = random.choice(my_action_list) my_action = my_action_list[2] next_s, reward = my_instance.do_action(my_action) x_history_list.append(my_instance.get_car_x()) # 振り子のx座標の履歴のリスト angle_history_list.append(next_s[0]) # 角度の履歴のリスト # 取得した座標リストを元に動画再生 movie(x_history_list, angle_history_list, l, t, my_action) if __name__ == '__main__': M = 10 # 台車の重さ[kg]。値を大きく例えば100にすると単振り子に近くなる。 m = 2 # 振り子の重さ[kg] total_mass = M + m l = 0.5 # 振り子の長さ[m](実質は重心位置。2l=1 が棒の長さ) g = 9.8 # 重力加速度[m/s2] initial_angle = 5 * (math.pi/180) # 初期角度[rad] t = 0.1 # 時間刻み幅 t_num = 1000 noise_flag = False # ノイズの微小動作設定の有無 my_action_list = ['left', 'right', 'zero'] # 台車の行動 main()
以上
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