多機器人系統(tǒng)的協(xié)作研究.pdf

1、由于多機器人系統(tǒng)具備單機器人系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢，加強魯棒性和自適應(yīng)性、時間和空間分布性、高運行效率等，已成為今后機器人技術(shù)的一個主要研究方向，在航天、國防、工業(yè)、社會服務(wù)等許多領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V泛的應(yīng)用前景。要發(fā)揮多機器人系統(tǒng)的優(yōu)勢，關(guān)鍵是處理好多機器人的協(xié)作問題。先進(jìn)的協(xié)作架構(gòu)和策略，可以使多機器人系統(tǒng)表現(xiàn)出強大的任務(wù)處理能力，這不僅只是單個機器人處理能力的簡單線性相加，還應(yīng)包括一個由機器人相互作用而產(chǎn)生的增量。任務(wù)分配是多機器人協(xié)作的重要

2、內(nèi)容，它位于系統(tǒng)協(xié)作模型的最上層，通常稱為規(guī)劃或組織層，是最抽象、智能水平最高的一層，其作用不言而喻。由于多機器人系統(tǒng)自身復(fù)雜性和環(huán)境動態(tài)性，目前許多任務(wù)分配模型和方法只能解決或適應(yīng)少數(shù)具體任務(wù)或問題，缺乏較強通用性。因此，本文在任務(wù)分配層面上開展多機器人協(xié)作研究，試圖從總體或一般性角度來考慮多機器人協(xié)作問題，找到一種通用的方法，來建立多機器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、組織原則和運行機制等。 多機器人合作有兩種模式：即有意識合作和群合作。

3、針對有意識合作模式，基于目前大部分任務(wù)分配模型缺乏可推廣性，本文提出了設(shè)計多機器人任務(wù)分配框架時必須考慮的三條基本要求：邏輯性要求、通用性要求和實用性要求。對于群合作模式，本文認(rèn)為，由于環(huán)境不確定性和內(nèi)部復(fù)雜性等原因，很難用傳統(tǒng)的最優(yōu)化方法來處理多機器人系統(tǒng)，那么是否可以從系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征考慮，找到一種一般性規(guī)律，作為多機器人自組織原則或標(biāo)準(zhǔn)。觀察發(fā)現(xiàn)，平衡或平衡現(xiàn)象在自然界各種社會群體中普遍存在，它是復(fù)雜系統(tǒng)良性運行的一個標(biāo)準(zhǔn)，處于平

4、衡狀態(tài)的系統(tǒng)各部分之間的協(xié)調(diào)達(dá)到一種最佳狀態(tài)。因此，本文提出了基于平衡原則的多機器人協(xié)作思想，以機器人之間保持個體利益平衡為基本原則來組織多機器人進(jìn)行任務(wù)分配或求解其他問題。圍繞這樣思想，本文做了以下研究工作： 1．介紹了多機器人領(lǐng)域的研究內(nèi)容和研究現(xiàn)狀，比較了有意識合作模式和群合作模式的特點和差異，同時對現(xiàn)有的多機器人合作架構(gòu)和算法進(jìn)行了描述和分析，提出了多機器人協(xié)作的三個依次遞進(jìn)目標(biāo)： 2.分析了任務(wù)對多機器人合作的

5、相關(guān)約束，指出了解任務(wù)特性對于合理設(shè)計多機器人體系結(jié)構(gòu)、協(xié)作機制和通訊模式的重要意義，介紹了松耦合任務(wù)與緊耦合任務(wù)的各自基本特征，通過對多機器人任務(wù)分配問題基本要素分析，給出了一個任務(wù)分配問題的分類方法，介紹了任務(wù)分配研究進(jìn)展和相關(guān)方法： 3．定義了設(shè)計任務(wù)分配必須遵循的三條規(guī)則，在此基礎(chǔ)上提出了機器人任務(wù)選擇的四條策略，并由選擇策略建立了一個基于適應(yīng)度數(shù)學(xué)模型的任務(wù)分配框架，同時對該框架進(jìn)行了分析。將適應(yīng)度任務(wù)分配框架應(yīng)用到多

6、機器人系統(tǒng)中，對多機器人廢棄物清理任務(wù)進(jìn)行了研究，仿真結(jié)果表明了該框架的魯棒性、靈活性和有效性； 4．通過對多機器人自組織系統(tǒng)的分析，指出了由于行為突現(xiàn)等原因，從機理上對系統(tǒng)進(jìn)行描述存在的困難，為此提出了自組織系統(tǒng)的一種描述方法：宏觀描述，并分析了該方法的基本特征；針對緊耦合任務(wù)，由宏觀描述方法建立了多機器人自組織系統(tǒng)的動力學(xué)模型，并從該模型導(dǎo)出了系統(tǒng)的自組織原則；遵循該原則，設(shè)計了一個多機器人自組織任務(wù)分配系統(tǒng)，并以物體搬運問

7、題為背景，對該系統(tǒng)進(jìn)行了驗證： 5．提出了平衡和平衡原則概念，建立了平衡度的數(shù)學(xué)定義，設(shè)計了平衡原則的三個行為模型。分析了多機器人系統(tǒng)中平衡態(tài)與自組織現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)，證明了平衡原則在多機器人自組織系統(tǒng)中的意義；從資源競爭的角度對多機器人任務(wù)分配問題進(jìn)行了分析，說明保持機器人個體利益平衡的重要性，由此設(shè)計了基于平衡原則的多機器人自組織任務(wù)分配算法，將該算法與最優(yōu)化算法作了比較，并分析了該算法的計算、通訊復(fù)雜度以及求解品質(zhì)；

8、 6．通過多機器人的物體搬運任務(wù)，對基于平衡原則的多機器人任務(wù)分配方法進(jìn)行了驗證和分析。為解決任務(wù)分配過程中機器人局部行為的沖突問題，引入了雙令牌協(xié)調(diào)機制； 7．針對機器人多目標(biāo)觀測任務(wù)，將平衡原則應(yīng)用到多機器人個性演化，并設(shè)計了目標(biāo)跟蹤的兩種新方法PE-CMOMMT和PEL-CMOMMT，仿真實驗結(jié)果表明了它們的有效性。 通過對幾種典型任務(wù)的研究表明，本文提出的多機器人任務(wù)分配架構(gòu)具有很好的一致性、魯棒性、自適應(yīng)性和通