多機(jī)器人通信與編隊(duì)問題研究

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1、AutonomousRobotsforTransportandHandlingApplication)。美國(guó)海軍研究部和能源部也對(duì)多機(jī)器人系統(tǒng)的研究進(jìn)行了資助。我國(guó)在該領(lǐng)域的研究工作很少，只有少數(shù)的研究所和大學(xué)在進(jìn)行相關(guān)的研究，且大部分的研究工作仍然停留在仿真和實(shí)驗(yàn)室階段。多機(jī)器人系統(tǒng)目前的所能完成的任務(wù)主要有搜尋任務(wù)、遍歷任務(wù)、編隊(duì)或聚集任務(wù)、目標(biāo)運(yùn)送任務(wù)等。1．2多機(jī)器人系統(tǒng)主要研究方向多機(jī)器人系統(tǒng)的研究包括多方面的內(nèi)容，主要有群體體系結(jié)構(gòu)、感知、通信、協(xié)調(diào)協(xié)作機(jī)制等。1．2．1群體體系結(jié)構(gòu)多機(jī)器人系統(tǒng)依靠幾個(gè)機(jī)器人的簡(jiǎn)單組合并不能充分發(fā)揮

2、其優(yōu)勢(shì)，只有通過某種形式的合作才能實(shí)現(xiàn)其對(duì)復(fù)雜任務(wù)的處理，群體體系結(jié)構(gòu)就是研究如何將多機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制有機(jī)地結(jié)合起來，來保證多機(jī)器人系統(tǒng)中信息流與控制流的暢通，為機(jī)器人之間的活動(dòng)、交互作用提供框架。合理的群體體系結(jié)構(gòu)可以使多機(jī)器人之間進(jìn)行更加有效的合作。另外，協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)面向的是動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境，因而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要對(duì)環(huán)境有自組織適應(yīng)能力。一般地，根據(jù)系統(tǒng)中是否有組織智能體為標(biāo)準(zhǔn)，將體系結(jié)構(gòu)分為集中式控制和分布式控制，分別如圖1．1、圖1．2所示。圖1．1集中式體系結(jié)構(gòu)Fig．1—1CentralizedArchitecture圖卜2分布式體系

3、結(jié)構(gòu)Fig．1-2DistributedArchitecture1集中式體系結(jié)構(gòu)集中式體系結(jié)構(gòu)通常有一個(gè)主控機(jī)器人掌握全部環(huán)境信息及各受控機(jī)器人的2信息，運(yùn)用規(guī)劃算法和優(yōu)化算法，主控機(jī)器人對(duì)任務(wù)進(jìn)行分解和分配，向各受控機(jī)器人發(fā)布命令，并組織多個(gè)受控機(jī)器人共同完成任務(wù)。集中式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，其協(xié)調(diào)效率比較高，減少了用于協(xié)商的開銷，理論背景清晰，實(shí)現(xiàn)起來較為直觀，而且可以很容易獲得最優(yōu)規(guī)劃，但是在靈活性、容錯(cuò)性、適應(yīng)性方面都比較差。此外，集中式結(jié)構(gòu)還存在主控機(jī)器人和其他機(jī)器人之間的通信瓶頸問題。2分布式體系結(jié)構(gòu)在分布式體系結(jié)構(gòu)中沒有組織智能體，個(gè)體

4、高度自治，每個(gè)機(jī)器人根據(jù)局部信息規(guī)劃自己的行為，并能借助于通信手段合作完成任務(wù)，其所有智能體相對(duì)于控制是平等的，這種結(jié)構(gòu)能夠較好地模擬自然社會(huì)系統(tǒng)，具有反應(yīng)速度快、靈活性高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于動(dòng)態(tài)、開放的任務(wù)環(huán)境。但這種結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，由于沒有一個(gè)中心規(guī)劃器，所以難以得到全局最優(yōu)的方案，還可能帶來通信的巨大開銷。但是，分布式體系結(jié)構(gòu)在某些方面(如故障冗余、可靠性、和可伸縮性等)比集中式結(jié)構(gòu)要好，因此，分布式結(jié)構(gòu)仍然是主流。1．2．2感知機(jī)器人系統(tǒng)的感知包括感覺和理解兩方面的問題。新一代的智能機(jī)器人配備多種不同功能的傳感器，使機(jī)器人能

5、夠“感覺”到外部環(huán)境的變化，獲取不同性質(zhì)的環(huán)境信息。通過對(duì)獲取的信息進(jìn)行有效的融合、處理和解釋，機(jī)器人便可以“理解’’這些信息的意義，并且將這些信息與機(jī)器人的決策和控制相結(jié)合。在多機(jī)器人系統(tǒng)的研究中，各機(jī)器人依靠自身的傳感器對(duì)外界進(jìn)行感知。各機(jī)器人的感知能力對(duì)機(jī)器人問的協(xié)作具有以下作用【l】：(1)通過感知可以估計(jì)協(xié)作者的意圖和動(dòng)作效果，從而降低對(duì)通信的依賴。(2)感知是實(shí)現(xiàn)行為的基礎(chǔ)，系統(tǒng)可以快速響應(yīng)環(huán)境變化。(3)通過感知可以更新和維護(hù)系統(tǒng)模型。在多機(jī)器人合作進(jìn)行的復(fù)雜任務(wù)中，各機(jī)器人僅處理自身傳感器獲得的信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要將其他機(jī)器人的

6、傳感信息與自身傳感信息進(jìn)行融合以獲取對(duì)外部環(huán)境正確的和較全面的理解，從而實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人系統(tǒng)中各機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)協(xié)作控制。1．2．3通信通信是機(jī)器人之間進(jìn)行信息交互和組織的基礎(chǔ)，通過通信多機(jī)器人系統(tǒng)中各機(jī)器人能夠了解其他機(jī)器人的意圖、目標(biāo)和動(dòng)作以及當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)等信息，進(jìn)而進(jìn)行有效的協(xié)商，協(xié)作完成任務(wù)。因此，通信是多機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵，按照交互方式可以將通信分為三類：1通過環(huán)境相互作用這種類型被稱為“沒有通信的系統(tǒng)”，這種通信系統(tǒng)中每個(gè)機(jī)器人都作為環(huán)境的一部分，機(jī)器人之間沒有直接的聯(lián)系，環(huán)境是它們的作用中介。2通過感知相互作用機(jī)器人通過各種傳

7、感器獲取信息并將其與機(jī)器人的決策和控制緊密地結(jié)合起來；也因此出現(xiàn)了許多多傳感器信息融合和信息處理的方法【21。這種通信類型，機(jī)器人的感知可通過紅外、超聲波、機(jī)器視覺等實(shí)現(xiàn)。通過感知可以實(shí)現(xiàn)行為，從而使系統(tǒng)可以快速地響應(yīng)環(huán)境變化。通過感知多機(jī)器人系統(tǒng)可以更新和維護(hù)系統(tǒng)模型。由于每個(gè)機(jī)器人都可能具有自己的傳感器系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的傳感器信息融合和有效的利用是主要的研究問題。3通過明顯的通訊相互作用【3】這種通信方式類似于網(wǎng)絡(luò)通信，每個(gè)機(jī)器人之間可通過相互傳遞信息來聯(lián)系。采用的技術(shù)就是借鑒已有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但是，多機(jī)器人系統(tǒng)的這種通信方式與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信還

8、是有很大的不同的。因?yàn)?，如果機(jī)器人過分依賴通信來獲取信息，當(dāng)系統(tǒng)中機(jī)器人的數(shù)量增加的時(shí)候系統(tǒng)通信的負(fù)擔(dān)將使系統(tǒng)的運(yùn)行效率下降。因此，既要研究適合多機(jī)器