面向任務(wù)的多機器人系統(tǒng)的組織設(shè)計研究.pdf

1、隨著計算技術(shù)的發(fā)展，多機器人技術(shù)研究的深入以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，機器人應(yīng)用的數(shù)量規(guī)模也在不斷擴大，國際上已經(jīng)開始研究100個以上機器人組成團(tuán)隊時的協(xié)調(diào)合作問題。隨著機器人數(shù)量的增加，機器人之間的通信壓力和協(xié)調(diào)難度將會加大，使得關(guān)于機器人組織的形成以及基于機器人組織的求解機制等問題的研究變得越來越重要。 本論文結(jié)合總裝備部預(yù)研基金、國防科工委基礎(chǔ)科研項目以及江蘇省自然科學(xué)基金等項目，面向任務(wù)對大規(guī)模機器人組織設(shè)計中的相關(guān)問題進(jìn)行

2、了研究，包括多機器人系統(tǒng)組織的研究框架、個體機器人體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、面向任務(wù)的機器人團(tuán)隊組織模型、組織的形成方式、組織演化的模型分析、團(tuán)隊運行的監(jiān)控等。論文所做的主要工作和研究成果如下： 1．基于機器人面向應(yīng)用的觀點，從構(gòu)建多機器人系統(tǒng)的目的出發(fā)，提出多機器人系統(tǒng)的研究可以從全局層、局部層和個體層三個層次來進(jìn)行，并且利用給出的三層控制模型劃分了該領(lǐng)域中已提出的系統(tǒng)性能術(shù)語。 2．在動態(tài)環(huán)境下，面向任務(wù)的多機器人系統(tǒng)中的個體機

3、器人體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)該突出機器人的實時反應(yīng)能力、行為自主決策能力以及合作能力，而這三點在已知的典型體系結(jié)構(gòu)中沒有全面地表現(xiàn)出來，特別是對行為決策能力。為此本文提出了基于行為的五層混合式機器人體系結(jié)構(gòu)，分別是系統(tǒng)監(jiān)控、組織協(xié)調(diào)、行為決策、行為控制、反應(yīng)五個層次。 3．將機器人移動過程中的行為與它到任務(wù)間的距離相聯(lián)系，給出了“狀態(tài)角色”的概念，提出根據(jù)狀態(tài)角色的不同而發(fā)送不同的信息，從而減少機器人之間交互的通信量；另外，狀態(tài)角色之間設(shè)置

4、有優(yōu)先級，便于機器人對任務(wù)的選擇以及實現(xiàn)管理者的更換。 4．給出多機器人的樹型層次化組織模型。根據(jù)任務(wù)將機器人劃分為不同的任務(wù)小組，一方面降低了機器人間的協(xié)調(diào)難度，便于對多機器人進(jìn)行管理。另一方面，減少了彼此間的通信量。在機器人組織基于合同網(wǎng)的形成中，充分考慮機器人在動態(tài)環(huán)境下運行時的不確定性，提出機器人在同時滿足多個任務(wù)需求能力的前提下，進(jìn)行任務(wù)組的投標(biāo)時，不但要考慮距離，還應(yīng)綜合考慮任務(wù)、環(huán)境以及自身狀況等各種因素，并且給出

5、了使用多屬性決策矩陣來進(jìn)行任務(wù)組選擇的算法。管理員招標(biāo)時，除了考慮機器人的能力外，還要考慮機器人對任務(wù)組選擇的不確定性，給出了基于熵的組成員篩選辦法，以減少維護(hù)組成員的不必要開銷。從某種意義上講完善了基于合同網(wǎng)協(xié)議的招投標(biāo)過程，提高了合同網(wǎng)協(xié)議的招標(biāo)效率以及任務(wù)的完成質(zhì)量。 5．針對目前國內(nèi)外關(guān)于機器人行為、團(tuán)隊形成的研究大都停留在定性分析階段，缺乏對團(tuán)隊合作隨環(huán)境、任務(wù)需求變化的動態(tài)過程描述及預(yù)測。本文給出兩個分析模型，不僅從

6、定性而且還從定量上對機器人的行為、系統(tǒng)的動態(tài)演化過程進(jìn)行預(yù)測。一個模型是利用有限Markov鏈和進(jìn)化計算，全面描述機器人團(tuán)隊形成的動態(tài)演化模型。通過該模型，操作者不僅能整體、動態(tài)地把握機器人團(tuán)隊的合作狀況，同時，還能夠依據(jù)模型的描述，對機器人團(tuán)隊面臨新的任務(wù)需求時的合作關(guān)系和行為做出預(yù)測。另一個模型是機器人選擇任務(wù)組行為模型。利用該模型可以揭示機器人任務(wù)組選擇行為的演化規(guī)律，從而可以為系統(tǒng)提供實時信息，制定合理策略有效引導(dǎo)個體機器人的任