使用Python实现CartPole游戏

在深度强化学习内容的介绍中，提出了CartPole游戏进行深度强化学习，现在提供一种用Python简单实现Cart Pole游戏的方法。

1. 游戏介绍

CartPole 游戏是一个经典的强化学习问题，其中有一个小车（cart）和一个杆（pole）。

目标是通过移动小车来保持杆的平衡，使其尽可能长时间地保持直立。

这个问题常常用来测试强化学习算法的性能。

2. 开始做游戏

使用 pygame 实现 CartPole 游戏的界面，我们需要自己编写游戏的逻辑和渲染部分。以下是一个简单的 pygame 实现，它模拟了 CartPole 游戏的基本机制，并提供了一个可视化界面。

2.1. 依赖库

首先，确保你已经安装了 pygame 库。如果没有安装，可以使用 pip 安装：

pip install pygame

2.2. 游戏代码

以下是使用 pygame 实现 CartPole 游戏的代码。

这个代码的注释和细节，可以帮助您理解游戏的各个部分。

import pygame  
import sys  
import math  
  
# 初始化pygame  
pygame.init()  
  
# 设置屏幕大小  
screen_width = 800  
screen_height = 600  
screen = pygame.display.set_mode((screen_width, screen_height))  
pygame.display.set_caption("CartPole Game")  
  
# 设置颜色  
BLACK = (0, 0, 0)  
WHITE = (255, 255, 255)  
  
# 设置帧率  
clock = pygame.time.Clock()  
fps = 60  
  
# CartPole 参数
# 小车宽高  
cart_width = 50  
cart_height = 20  

# 杆宽高
pole_length = 200  
pole_width = 10  

# 力量和重力加速度
force = 10.0  
gravity = 9.8  

# 小车和杆的质量
mass_cart = 1.0  
mass_pole = 0.1  

length = pole_length / 2  # 实际上是一半的pole_length，用于计算  
dt = 1.0 / fps  # 时间步长  
  
# 游戏状态  
x = screen_width // 2  # cart的x坐标  
x_dot = 0  # cart的速度  
theta = 0  # pole的角度  
theta_dot = 0  # pole的角速度  

# 更新状态  
def update_state(action):  
    global x, x_dot, theta, theta_dot  
      
    # 计算作用力  
    force_x = force if action == 1 else -force  
      
    # 计算系统的动力学  
    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的位置在屏幕内  
    x = min(max(x, cart_width // 2), screen_width - cart_width // 2)  
      
    # 如果pole太倾斜，则重置游戏  
    if abs(theta) > math.pi / 2:  
        x = screen_width // 2  
        x_dot = 0  
        theta = 0  
        theta_dot = 0  

# 绘制小车  
def draw_cart():  
    pygame.draw.rect(screen, BLACK, (x - cart_width // 2, screen_height - cart_height - 20, cart_width, cart_height))  

# 绘制杆  
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: #键盘左键响应 
                    update_state(0)  # 向左移动  
                elif event.key == pygame.K_RIGHT:  #键盘右键响应
                    update_state(1)  # 向右移动  
          
        # 渲染屏幕  
        screen.fill(WHITE)  
        draw_cart()  
        draw_pole()  
        pygame.display.flip()  
          
        # 控制帧率  
        clock.tick(fps)  
  
    pygame.quit()  
    sys.exit()  
  
if __name__ == '__main__':  
    main_loop()

以上的代码提供了 CartPole 游戏的完整实现，包括游戏的物理逻辑、渲染逻辑和主循环。

游戏会一直运行，直到用户关闭窗口。

在每个时间步，游戏都会随机选择一个动作（向左或向右移动小车），并更新小车和杆的状态。

然后，使用 pygame 绘制小车和杆，并显示在游戏窗口中。