基于生物啟發(fā)的群機器人系統(tǒng)群體搭建機制研究.pdf

1、群機器人系統(tǒng)是一類特殊的多機器人系統(tǒng)，由許多相對簡單的個體組成，主要研究如何設(shè)計個體，使得通過個體之間或者個體與環(huán)境之間的局部交互涌現(xiàn)出期望的系統(tǒng)行為。群機器人系統(tǒng)研究的興起源于生物學(xué)，尤其是社會性昆蟲的啟發(fā)，因此具有典型的分布式系統(tǒng)特征。相比于傳統(tǒng)的個體機器人系統(tǒng)，群機器人系統(tǒng)在靈活性、魯棒性、分散性以及自組織性等方面表現(xiàn)出特有的優(yōu)勢，潛在應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊。
　　 群機器人學(xué)的研究注重個體機器人的物理實現(xiàn)以及個體交互、個體與環(huán)

2、境交互的物理實現(xiàn)，目前已成為研究的熱點，但是該方向是一門嶄新的學(xué)科，尚未形成系統(tǒng)的理論，仍有很多問題亟待研究與解決。例如對于給定的系統(tǒng)行為，該如何設(shè)計底層的交互機器人，使得系統(tǒng)行為在底層個體的交互中涌現(xiàn)出來，是群機器人學(xué)研究中一個尚未解決的問題。群機器人學(xué)是一門應(yīng)用性的學(xué)科，對該學(xué)科的研究往往通過結(jié)合具體任務(wù)深入探究其內(nèi)在機理。本文通過結(jié)合群體搭建任務(wù)，研究一群相對簡單的機器人如何以分散控制的方式并行搭建出具有幾何形狀的結(jié)構(gòu)。該任務(wù)特別

3、要求搭建過程時空的協(xié)調(diào)，本文針對群體搭建過程中若干協(xié)調(diào)機制問題進行了相關(guān)探討與研究，內(nèi)容如下:
　　 (1)針對現(xiàn)有模板機制在群體搭建任務(wù)中存在的不足，受蜜蜂視覺導(dǎo)航機制的啟發(fā)，提出了群體搭建機器人以環(huán)境中自然存在的一些顯著特征為模板，實現(xiàn)了機器人搭建過程的視覺導(dǎo)航與定位，完成了磚塊指定地點的擱放，并實現(xiàn)了群體搭建過程的協(xié)調(diào)，建立起視覺模板機制。直線墻搭建實驗結(jié)果表明視覺模板機制是可行的。該機制的優(yōu)點是無需事先對環(huán)境進行布置，無

4、需機器人之間通訊，并對多機器人的控制有很好的擴展性，適應(yīng)于未知環(huán)境中的群體搭建工作。
　　 (2)在視覺模板機制的基礎(chǔ)上，提出了基于自身的時空可變模板機制，使模板從環(huán)境的固定地標(biāo)中解脫出來，為群機器人搭建更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)提供了可能。同時作為模板的機器人并不是固定不變的，所有機器人都可以充當(dāng)模板，這就降低了系統(tǒng)中因為個體失效導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效的風(fēng)險，提高了系統(tǒng)的魯棒性，使之成為更為一般化的搭建方法。
　　 (3)針對現(xiàn)有的基于

5、Stigmergy的機制在群體搭建任務(wù)中存在的不足，提出了基于機器人評估能力的群體搭建時空協(xié)調(diào)機制。該機制可通過賦予機器人感知環(huán)境、評估系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的能力，簡化對搭建規(guī)則的依賴，即機器人利用簡單的搭建規(guī)則即可完成群體搭建任務(wù)，實現(xiàn)群體搭建過程時空的協(xié)調(diào)。
　　 (4)針對基于信息素的群體搭建機制，探討了群體搭建過程中出現(xiàn)的涌現(xiàn)行為。通過研究白蟻王族巢室的搭建過程，抽象并建立了基于智能體的環(huán)境動力學(xué)模型以及個體行為模型，針對不同的