多移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)控制

1、基于Multi-Agent的多機(jī)器人編隊(duì)控制摘要：多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)調(diào)是當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。多移動(dòng)機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)與合作將大大提高機(jī)器人行為的智能化程度，完成由單個(gè)機(jī)器人難以完成的更加復(fù)雜的作業(yè)。多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)調(diào)技術(shù)的研究對(duì)提高機(jī)器人的智能化水平及加快機(jī)器人的實(shí)用化進(jìn)程具有重要的理論研究意義和實(shí)用價(jià)值。本文結(jié)合多智能體技術(shù)對(duì)多機(jī)器人編隊(duì)控制進(jìn)行了研究，同時(shí)根據(jù)具體的多機(jī)器人系統(tǒng)，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證了多智能體技術(shù)在機(jī)器人編隊(duì)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，完成了小規(guī)模的編隊(duì)控制。關(guān)鍵詞：多智能體；多機(jī)器人；編隊(duì)控制；協(xié)調(diào)控制；模糊控制Multi-robotFormationControlBased

2、onMulti-AgentAbstract:Theproblemofmulti-robotcooperationandcoordinationiscentraltomobilerobotics.Cooperationandcoordinationwillimprovetheintelligentperformanceofrobotsandcancompletelotsofimpossiblemissionsforsinglerobot.Theresearchonmulti-robotcooperationandcoordinationisofgreatacademicandappliedsig

3、nificance.Themulti-robotformationisdevelopedcombinedwiththemulti-agenttechnologyinthisdissertation,andthesimulationisdonewiththemulti-robotsystem.Theapplicationofmulti-agentisverifiedinthemulti-robotformationcontrolthroughasmallsystemadoptthefomationcontrol.Keywords:Multi-agent;Multi-robot;Formation

4、control;Coordinationcontrol;Fuzzycontrol1 .國(guó)內(nèi)外機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀自80年代末以來，基于多智能體系統(tǒng)理論研究多機(jī)器人協(xié)作受到了普遍的關(guān)注，從軍事領(lǐng)域到工業(yè)與民用領(lǐng)域，從星際探險(xiǎn)到海底考察，從比賽到教學(xué)，都取得了不同程度的進(jìn)步。近年來，在IEEER&A,IROS等著名的國(guó)際機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議上，幾乎每次會(huì)議都有多智能體協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)的專題。一些機(jī)器人學(xué)術(shù)刊物出版了有關(guān)多智能體機(jī)器人的研究專輯。-些研究項(xiàng)目，如ACTRESS,CEBOT,GOFER,SWARM已進(jìn)行了多年1。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究剛剛起步，基本上還處于基礎(chǔ)技術(shù)的研究階段，

5、這方面的研究成果報(bào)道比較少。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所機(jī)器人開放研究實(shí)驗(yàn)室是國(guó)內(nèi)研究多機(jī)器人技術(shù)較早也較全面的科研單位。(1)CEBOT(CellularRoboticSystem)CEBOT是一種自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)(Self-ReconfigurableRoboticSystem),它的研究是受生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，將系統(tǒng)中眾多的具有相同和不同功能的機(jī)器人視為細(xì)胞元，這些細(xì)胞元可以移動(dòng)，尋找和組合。根據(jù)任務(wù)或環(huán)境的變化，細(xì)胞元機(jī)器人可以自組織成器官化機(jī)器人，多個(gè)器官化機(jī)器人可以進(jìn)一步自組織，形成更加復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)。細(xì)胞結(jié)構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)是單元體的組合如何根據(jù)任務(wù)和環(huán)境的要求動(dòng)態(tài)重構(gòu)。因此，系統(tǒng)具有多變

6、的構(gòu)型，可以具有學(xué)習(xí)和適應(yīng)的系統(tǒng)智能(GroupIntelligence),并具有分布式的體系結(jié)構(gòu)3。(2)ALLANCE/L-ALLANCE系統(tǒng)ALLIANCE是由美國(guó)學(xué)者Parker提出的用于研究異質(zhì)、中小規(guī)模、獨(dú)立性強(qiáng)的、疏松配合關(guān)系的機(jī)器人協(xié)調(diào)的一種結(jié)構(gòu)。通過傳感器信息和精確的廣播(Broadcast式通訊)來感知自身的行動(dòng)效應(yīng)和其他機(jī)器人的行動(dòng)。每個(gè)機(jī)器人是基于行為控制的。L-ALLIANC既該結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展，通過再勵(lì)學(xué)習(xí)來調(diào)整行為控制器的參數(shù)4。(3)CooperativeRobotics實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)美國(guó)OakRidge國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的LynneE.Parker博士在多Agent協(xié)作、自主Ag

7、ent體系結(jié)構(gòu)、多Agent通訊等方面做了許多工作1117。例如人機(jī)協(xié)作，移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作，多Agent協(xié)作,智能Agent體系等。他們研究的協(xié)作機(jī)器人是集成了感知、推理動(dòng)作的智能系統(tǒng)，著重研究在環(huán)境未知且在任務(wù)執(zhí)行過程中環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的情況下，機(jī)器人如何協(xié)作完成任務(wù)。(4)SociallyMobile和TheNerdHerd實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)美國(guó)USC大學(xué)的學(xué)者如M.J.Mataric等在基于行為的多機(jī)器人協(xié)作方面做了許多工作。他們采用自下而上的路線，基于行為的方式研究分析、設(shè)計(jì)機(jī)器人群行為的表現(xiàn)，在多機(jī)器人學(xué)習(xí)、群體行為、協(xié)調(diào)與協(xié)作等方面展開工作3。(5)中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所機(jī)器人開放研究實(shí)驗(yàn)室主要面向發(fā)

8、展具有感知、思維和動(dòng)作能力的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)，研究機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)理論方法、關(guān)鍵技術(shù)、機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)和機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)。我國(guó)機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域著名科學(xué)家蔣新松院士曾任實(shí)驗(yàn)室主任。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)任主任為沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所所長(zhǎng)王越超研究員。圖1.1CEBOT(CellularRoboticSystem)圖1.2CooperativeRobotics實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的.K,中山丸卡圖1.3沈陽(yáng)自動(dòng)化所多機(jī)器人系統(tǒng)CESAREmperor2 .多智能體系統(tǒng)的分類Agent作為智能計(jì)算實(shí)體，能自主完成一定任務(wù)。但是，實(shí)際中所有的系統(tǒng)都是分布式的，個(gè)體的知識(shí)、能力都是有限的，面對(duì)一些復(fù)雜的問題，如具有分布式數(shù)據(jù)或知識(shí)，或要求分布式

9、控制的系統(tǒng)，不得不采用多個(gè)Agent協(xié)作系統(tǒng)。通過適當(dāng)?shù)捏w系結(jié)構(gòu)將個(gè)體組織起來，不僅能夠彌補(bǔ)個(gè)體的不足，而且能使整個(gè)系統(tǒng)的能力超過任何單個(gè)個(gè)體的能力，這樣的系統(tǒng)稱為多智能體系統(tǒng)(Multi-AgentSystem,MAS)1。多智能體系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要研究如何將多個(gè)單智能體組織為一個(gè)群體并使各個(gè)智能體有效地進(jìn)行協(xié)調(diào)合作，從而產(chǎn)生總體解決問題的能力。多智能體系統(tǒng)是由大量具有環(huán)境觀察、任務(wù)規(guī)劃和操作功能的智能體組成。為了把這些智能體組織成一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，來有效的完成某些預(yù)定任務(wù)，需要一個(gè)合適的控制結(jié)構(gòu)。多智能體系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)可從不同的角度來劃分。2.1 根據(jù)系統(tǒng)中智能體之間的相對(duì)關(guān)系來劃分按照系統(tǒng)

10、中多智能體之間的相對(duì)關(guān)系，通常多智能體系統(tǒng)可以分為如下幾種結(jié)構(gòu)：(1)完全型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通信對(duì)等和信息的局部化是該類型結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)體系要求各智能體均具有通信和控制功能模塊，并且要保存系統(tǒng)內(nèi)所有智能體成員的信息和知識(shí)，還要求保持所有智能體之間的通訊鏈路。對(duì)于解決復(fù)雜的問題、或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)來說，完全型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系的效率會(huì)大大降低，并呈現(xiàn)出一種無組織的狀態(tài)2。(2)層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在該類型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，智能體被分為不同的層次，在同一層上的智能體彼此不能夠直接進(jìn)行通信，而需要經(jīng)過其上一層智能體來完成。上一層智能體負(fù)責(zé)其下一層智能體的決策和控制。該結(jié)構(gòu)中智能體不需要保存系統(tǒng)內(nèi)所有的智能體信息，只需要

11、保存下一層智能體的相關(guān)信息和知識(shí)，該結(jié)構(gòu)盡管在通信上不如完全網(wǎng)絡(luò)型簡(jiǎn)略，但結(jié)構(gòu)層次分明，管理方便久(3)聯(lián)盟型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)的智能體按照某種方式(通常按照距離遠(yuǎn)近、智能體功能等)來劃分為不同的智能體聯(lián)盟。在各聯(lián)盟內(nèi)部都存在一個(gè)協(xié)助智能體，它負(fù)責(zé)不同聯(lián)盟之間的通信。不同聯(lián)盟之間處于對(duì)等的關(guān)系，類似于完全網(wǎng)絡(luò)型各智能體之間的關(guān)系2。圖2.2層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖2.3聯(lián)盟型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2.2 從多智能體協(xié)調(diào)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)來劃分多智能體協(xié)調(diào)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行協(xié)調(diào)合作任務(wù)的基礎(chǔ)，決定了系統(tǒng)的能力和局限性。多智能體協(xié)調(diào)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分為集中式(Centralized)、分散式(Decentralized

12、)和分布式(Distributed)三種。協(xié)調(diào)(Coordination)是指智能體對(duì)自己的局部行為進(jìn)行推理，并估計(jì)其他智能體的行為，以保證協(xié)作行為以連貫的方式進(jìn)行的一個(gè)過程。(1)集中式(Centralized)控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由一個(gè)智能體集中控制整個(gè)系統(tǒng)，它是一種規(guī)劃與決策的自上而下Top-Down式的層次控制結(jié)構(gòu)，其層的數(shù)量和復(fù)雜性決定了系統(tǒng)響應(yīng)所需的時(shí)間和行為決策的質(zhì)量。系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性較好，但實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性較差，對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)能力差，集中式系統(tǒng)由一個(gè)核心智能體和多個(gè)與之在結(jié)構(gòu)上分散的、獨(dú)立的協(xié)作智能體構(gòu)成。核心智能體負(fù)責(zé)任務(wù)的動(dòng)態(tài)分配與資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度，協(xié)調(diào)各協(xié)作智能體間的競(jìng)爭(zhēng)與合作。該類系統(tǒng)

13、較易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理、控制和調(diào)度。(2)分散式(Decentralized)控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各智能體具有高度智能自治能力，各智能體自行處理信息、自行規(guī)劃與決策、自行執(zhí)行自己的任務(wù)，與其它智能體相互通訊來協(xié)調(diào)各自行為而沒有任何集中控制單元.這種結(jié)構(gòu)有較好的容錯(cuò)能力和可擴(kuò)展性，但對(duì)通訊要求較高(多邊通信),且多邊協(xié)商效率較低(各有各的算法，思路不統(tǒng)一)，無法保證全局目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。(3)分布式(Distributed)控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)其介于上述兩者之間，是一種全局上各智能體等同的智能分布一分層式結(jié)構(gòu)而局部集中的結(jié)構(gòu)方式。這種結(jié)構(gòu)方式是分散式的水平交互與集中式的垂直控制相結(jié)合的產(chǎn)物，其由彼此獨(dú)立、完全平等、無邏輯

14、上的主從關(guān)系的、能夠自律的一組智能體構(gòu)成。各智能體按預(yù)先規(guī)定的協(xié)議，根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)、狀態(tài)與自身的狀態(tài)、能力、資源和知識(shí)，利用通信網(wǎng)絡(luò)相互間協(xié)商與談判，確定各自的任務(wù)，協(xié)調(diào)各自的行為活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)資源、知識(shí)、信息和功能的共享，協(xié)作完成共同的任務(wù)以達(dá)到整體目標(biāo)。在該類系統(tǒng)中，各智能體在結(jié)構(gòu)和功能上彼此獨(dú)立，都以同樣的方式通過網(wǎng)絡(luò)通信相互發(fā)生關(guān)系，具有良好的封裝性，因此使系統(tǒng)具有很好的容錯(cuò)性、開放性和擴(kuò)展性。既提高了協(xié)調(diào)效率，又不影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性、容錯(cuò)性和擴(kuò)展性5。圖2.4集中式、分散式、分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3 .多機(jī)器人控制系統(tǒng)模型系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)明確了系統(tǒng)中具有不同職能的個(gè)體相互間的控制關(guān)系。與M

15、AS體系結(jié)構(gòu)相同，多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)也分為集中和分散兩種類型，其中分散式又可分為分層式和分布式。為了實(shí)現(xiàn)多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和靈活的控制，借鑒MAS體系結(jié)構(gòu)的研究，這里設(shè)計(jì)了一種多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)模型。圖3.1智能控制器結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的上層是由中央控制器、避障模塊、多移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃、任務(wù)規(guī)劃模塊、人機(jī)界面和通訊模塊組成。它的核心是中央控制器，它負(fù)責(zé)調(diào)用其它的智能體以及對(duì)其各個(gè)智能體進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。下層是具有一定智能的各個(gè)機(jī)器人組成。中央控制器由四個(gè)系統(tǒng)（知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)、模型庫(kù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)及總控系統(tǒng)）構(gòu)成。其中總控系統(tǒng)控制著其它三個(gè)系統(tǒng)的連接與調(diào)用。知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中取

16、得事實(shí)進(jìn)行推理，從而決定從模型庫(kù)中調(diào)用何種模型進(jìn)行計(jì)算并確定模型中的一些參數(shù)。選定的模型從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得初始數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算并將運(yùn)算結(jié)果送回?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。4 .多機(jī)器人系統(tǒng)中的信息交互在目前的多機(jī)器人系統(tǒng)中，由于考慮到現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性與系統(tǒng)的靈活性，普遍采用無線通信來完成多機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)交互。在無線通信領(lǐng)域存在有多種通訊方式，各種通訊方式有各自的特點(diǎn)，根據(jù)具體的通訊系統(tǒng)，采用不同的無線通訊手段。在我們?cè)囼?yàn)系統(tǒng)中采用的是無線局域網(wǎng)（WLAN）,無線局域網(wǎng)利用了無線多址信道和寬帶調(diào)制技術(shù)來提供統(tǒng)一的物理層平臺(tái)，并以此來支持計(jì)算機(jī)和相關(guān)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，并為通信的移動(dòng)化、個(gè)性化和多媒體應(yīng)用提供了可能。因此在多機(jī)

17、器人協(xié)調(diào)控制中，無線局域網(wǎng)完全能滿足通訊與可靠性的要求2。4.1 無線局域網(wǎng)絡(luò)無線局域網(wǎng)的設(shè)備通常有以下幾種：無線網(wǎng)卡（終端）、無線接入點(diǎn)（AccessPoint接入端）、無線網(wǎng)橋（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸設(shè)備）圖4.1基于無線網(wǎng)橋的無線局域網(wǎng)設(shè)置該系統(tǒng)是以對(duì)Pioneer3H8-AT機(jī)器人的改造基礎(chǔ)上形成的HEBUT2機(jī)器人和另一臺(tái)同結(jié)構(gòu)的機(jī)器人為平臺(tái)進(jìn)行研究的。本系統(tǒng)中的各機(jī)器人之間的通信系統(tǒng)是建立在以WLAN為基礎(chǔ)，利用基站和多移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通訊。在我們的多機(jī)器人系統(tǒng)中，我們采用了802.11b協(xié)議，具體的協(xié)議定義與通信幀的結(jié)構(gòu)可以參考802.11b的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。在無線通信的建立上可以借助與

18、多種專用的軟件來編程實(shí)現(xiàn)，在我們的系統(tǒng)中采用了另外一種方法，即在VisualC+環(huán)境下應(yīng)用WINSOCK控件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程。WINSOCK空件提供了訪問TCP和UDP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的方便途徑。采用TCP協(xié)議可以提供雙向的、可靠的、有序的和無重復(fù)投遞的數(shù)據(jù)流。TCP允許創(chuàng)建和維護(hù)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的連接，連接兩臺(tái)計(jì)算機(jī)就可彼此進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。用戶數(shù)據(jù)文報(bào)協(xié)議(UDP)是一個(gè)無連接協(xié)議。采用UDP協(xié)議，支持雙向的數(shù)據(jù)流，但計(jì)算機(jī)并不建立連接，不保證有序、可靠或無重復(fù)的投遞。在使用中，采用TCP協(xié)議的編程模型應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)槊嫦蜻B接協(xié)議提供了一系列的數(shù)據(jù)糾錯(cuò)功能，可以保證在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)及時(shí)、無誤地到達(dá)對(duì)方，I

19、nternet上的多數(shù)服務(wù)(WWW、FTP、Telnet、SMTP)就是靠此協(xié)議運(yùn)轉(zhuǎn)的。采用UDP協(xié)議由于不用建立連接，傳輸比連接協(xié)議快，無數(shù)據(jù)糾錯(cuò)功能，不保證數(shù)據(jù)的可靠傳遞。比較上述的TCP和UCP兩種通信協(xié)議后，本項(xiàng)目采取了TCP協(xié)議進(jìn)行通信。4.2 WINSOCK使用的主要函數(shù)Server端使用的主要函數(shù)：Bind()函數(shù)指定用于TCP連接的LocalPort和LocalIP。Listen()函數(shù)設(shè)置偵聽模式。該方法僅適用于TCP連接。Accept()在處理ConnectionRequest事件時(shí)用這個(gè)方法接受新連接。SendData()用于數(shù)據(jù)的發(fā)送。Close(慶閉與對(duì)方的連接。Cl

20、ient端使用的主要函數(shù)：Connect。要求連接到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。GetData()得到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)。圖4.2WINSOCK通信流程4.3 無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)利用WLAN建立的通信是建立在TCP/IP協(xié)議棧上的應(yīng)用層的協(xié)議，協(xié)議中的主要是利用底層的TCP/IP協(xié)議規(guī)定特定格式的字符串，這些字符中包含著：各機(jī)器人的當(dāng)前的狀態(tài)信息；主控端對(duì)各機(jī)器人的遙操作信息；各機(jī)器人上的傳感器信息。包括了兩組共6個(gè)顏色傳感器的開關(guān)量信息，以及車體上的兩組共6個(gè)超聲傳感器返回的測(cè)距信息。還包括了GPS接收機(jī)接收到的位置信息，以及條碼傳感器采集回來的位置信息等內(nèi)容。4.4 在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用多移

21、動(dòng)機(jī)器人的通信系統(tǒng)中分為了移動(dòng)機(jī)器人端和控制臺(tái)端兩部分。但在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，移動(dòng)機(jī)器人端為服務(wù)器端(server),而控制臺(tái)端為客戶端(client),這中分配方式的原因有以下幾點(diǎn)。移動(dòng)機(jī)器人端的PC一旦啟動(dòng)后就沒有辦法在對(duì)其進(jìn)行操作了。由于移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)端PC并沒有安裝顯示器，以及鍵盤鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，所以一旦開啟PC后，移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)進(jìn)入WINME操作系統(tǒng)，然后自動(dòng)啟動(dòng)編寫好的程序，等待終控端的連接，所以要將移動(dòng)端作為server端。移動(dòng)機(jī)器人通信系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。移動(dòng)機(jī)器人的通信系統(tǒng)中可涉及的通信對(duì)象并不只有一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人，所以控制端的連接要有選擇性，通信也要有選擇性。終控端可以同時(shí)連接多個(gè)移

22、動(dòng)機(jī)器人，并進(jìn)行多機(jī)的同時(shí)控制。5 .多機(jī)器人系統(tǒng)編隊(duì)避障控制所謂隊(duì)形控制就是指多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人在前進(jìn)的過程中，保持某種隊(duì)形，同時(shí)又要適應(yīng)環(huán)境（例如障礙物）約束的控制技術(shù)。隊(duì)形保持控制一般分為兩步：首先根據(jù)當(dāng)前環(huán)境確定各機(jī)器人的目標(biāo)位置；然后根據(jù)一定的控制策略生成控制命令，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人以一定隊(duì)形駛向目標(biāo)位置。路徑規(guī)劃主要涉及的問題包括：利用獲得的移動(dòng)機(jī)器人環(huán)境信息建立較為合理的模型，再用某種算法尋找一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或近似最優(yōu)的無碰撞路徑；能夠處理環(huán)境模型中的不確定因素和路徑跟蹤中出現(xiàn)的誤差，使外界物體對(duì)機(jī)器人的影響降到最??；如何利用已知的所有信息來引導(dǎo)機(jī)器人的動(dòng)作，從而得到相對(duì)更優(yōu)的

23、行為決策4。5.1 幾種常見的編隊(duì)控制策略2多移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃問題不單純是單個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃問題的延伸，還要考慮多移動(dòng)機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)、編隊(duì)避障（機(jī)器人可能成為其他機(jī)器人的障礙）等,因而使問題更加復(fù)雜。.跟隨領(lǐng)航者法跟隨領(lǐng)航者法的基本思想是：在多移動(dòng)機(jī)器人組成的群體中，某個(gè)機(jī)器人被指定為領(lǐng)航者，其余作為它的跟隨者，跟隨者以一定的距離跟蹤領(lǐng)航機(jī)器人的位置和方向。對(duì)該方法進(jìn)行拓展，可以指定一個(gè)領(lǐng)航者，也可以指定多個(gè)領(lǐng)航者，但群體隊(duì)形的領(lǐng)航者只有一個(gè)，這與一個(gè)步兵班在進(jìn)攻中可以劃分為若干戰(zhàn)斗小組是類似的。根據(jù)領(lǐng)航者與跟隨機(jī)器人之間的相對(duì)位置關(guān)系，就可以形成不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即形成不同的隊(duì)

24、形。該方法中，協(xié)作是通過共享領(lǐng)航機(jī)器人的狀態(tài)等信息實(shí)現(xiàn)的。跟隨領(lǐng)航者法的優(yōu)點(diǎn)是，僅僅給定領(lǐng)航者的行為或軌跡就可以控制整個(gè)機(jī)器人群體的行為。該方法的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)中沒有明確的隊(duì)形反饋，例如，如果領(lǐng)航機(jī)器人前進(jìn)得太快，那么跟隨機(jī)器人就有可能不能及時(shí)跟蹤。另一個(gè)缺點(diǎn)是如果領(lǐng)航機(jī)器人失效，那么整個(gè)隊(duì)形就會(huì)無法保持。.基于行為法基于行為法的基本思想是：首先為機(jī)器人規(guī)定一些期望的基本行為，一般情況下，機(jī)器人的行為包括避碰、避障、駛向目標(biāo)和保持隊(duì)形等。當(dāng)機(jī)器人的傳感器受到外界環(huán)境刺激時(shí)，機(jī)器人根據(jù)傳感器的測(cè)得的信息作出反應(yīng)，改變自身的運(yùn)動(dòng)方向和速度。行為選擇模塊通過一定的機(jī)制來綜合各行為的輸出，并將綜合結(jié)果

25、作為機(jī)器人當(dāng)前的行為輸出。該方法中，協(xié)作是通過共享機(jī)器人之間的相對(duì)位置、狀態(tài)等信息實(shí)現(xiàn)的。對(duì)該方法的拓展和改進(jìn)主要體現(xiàn)在對(duì)各行為輸出的處理上，即行為選擇機(jī)制上。.虛擬結(jié)構(gòu)法假想將剛體上的某些點(diǎn)用機(jī)器人代替，并以剛體上的坐標(biāo)系統(tǒng)作為參考坐標(biāo)系，那么剛體運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人在參考坐標(biāo)系下的坐標(biāo)不變，機(jī)器人之間的相對(duì)位置也保持不變，即機(jī)器人之間可以保持一定的幾何形狀，它們之間形成了一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)稱為虛擬結(jié)構(gòu)。雖然每個(gè)機(jī)器人相對(duì)于參考系統(tǒng)位置不變，但它仍可以一定的自由度來改變自己的方向。多移動(dòng)機(jī)器人以剛體上的不同點(diǎn)作為各自的跟蹤目標(biāo)就可以形成一定的隊(duì)形2。5.2 多機(jī)器人編隊(duì)策略本文選用的是美國(guó)A

26、ctivMedia公司生產(chǎn)的Pioneer3H8-AT機(jī)器人，它有四個(gè)橡膠輪胎，同側(cè)輪是由一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，類似與履帶式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。因此可以將其簡(jiǎn)化成兩輪移動(dòng)載體模型，且兩輪同軸而且位于車體的中心位置4Pioneer3移動(dòng)機(jī)器人上裝有顏色傳感器、條碼傳感器、路徑跟蹤C(jī)CR監(jiān)視CCD,它們負(fù)責(zé)環(huán)境感知信號(hào)的采集；視頻傳輸模塊將CCD的A/V信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)視器上，可以遠(yuǎn)程監(jiān)視；無線網(wǎng)卡負(fù)責(zé)移動(dòng)機(jī)器人和外界的數(shù)據(jù)通信。Pioneer3H8-AT移動(dòng)機(jī)器人的下位機(jī)MCU承擔(dān)了底盤驅(qū)動(dòng)和傳感信號(hào)采集的工作，并將各種信息傳輸給上位機(jī)，待上位機(jī)處理以后，再將輸出的信息通過串口通信送往底層控制，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的

27、兩輪驅(qū)動(dòng)?？刂撇呗裕罕疚氖且訮ioneer3移動(dòng)機(jī)器人改造后的HEBUT2機(jī)器人作為領(lǐng)航機(jī)器人，它要一直沿著一根寬度為56cm的紅色的軌跡運(yùn)動(dòng)到一個(gè)目標(biāo)位置，另一機(jī)器人一定的距離跟蹤領(lǐng)航機(jī)器人的位置和方向。領(lǐng)航機(jī)器人用于路徑跟蹤的傳感器有兩種方案:是顏色傳感器和條碼傳感器組合。當(dāng)使用路徑跟蹤C(jī)CD時(shí)，運(yùn)用圖像處理的方法從CCD采集的圖像信息中提取出路徑，經(jīng)過CCD坐標(biāo)和車體坐標(biāo)的換算得出移動(dòng)機(jī)械手相對(duì)與車體的偏航角，進(jìn)而由程序處理發(fā)出糾偏指令，移動(dòng)載體進(jìn)行糾偏。再通過路徑上所貼的不同顏色的路標(biāo)進(jìn)行定位。其優(yōu)點(diǎn)是糾偏量合理，路徑跟蹤軌跡圓滑，但精度較差，且易受光線影響。圖5.1經(jīng)改裝后的Pion

28、eer3移動(dòng)機(jī)器人一種方案是路徑跟蹤C(jī)CD另一種方案圖5.2顏色傳感器與條形碼傳感器顏色和條碼傳感器組合的方案中，顏色傳感器使用的是KEYENC公司的CZ-V1,CZ-10它對(duì)顏色的辨識(shí)準(zhǔn)確、誤報(bào)率低、運(yùn)行可靠。選用兩組對(duì)路徑進(jìn)行辨識(shí)，當(dāng)機(jī)器人偏差較大時(shí)，顏色變化引起傳感器I/O輸出量變化，主機(jī)PC檢測(cè)到后程序糾偏，完成巡跡。條形碼傳感器主要是起定位的作用，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到條形碼的上方時(shí)，條碼掃描器掃中條碼同時(shí)將條碼的內(nèi)容通過串口發(fā)給主機(jī)，主機(jī)解析條碼的內(nèi)容來做出相應(yīng)的動(dòng)作。其優(yōu)點(diǎn)是跟蹤準(zhǔn)確，不易受干擾，但跟蹤軌跡成“之”字形比較嚴(yán)重。在實(shí)際使用中，采取兩種方式結(jié)合使用，取其優(yōu)勢(shì)，視現(xiàn)場(chǎng)情況而定

29、。多移動(dòng)機(jī)器人隊(duì)形控制中應(yīng)該做到：隊(duì)列向目標(biāo)區(qū)域運(yùn)動(dòng)時(shí)盡量保持隊(duì)形（除非隊(duì)列中有機(jī)器人遇到障礙物）；機(jī)器人在遇到障礙物后，先進(jìn)行避障，然后恢復(fù)隊(duì)形并要求時(shí)間盡可能的短，恢復(fù)隊(duì)形后再向目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)。5.3 多機(jī)器人編隊(duì)控制算法本課題采用了閉環(huán)l-少編隊(duì)控制算法。l為兩機(jī)器人之間的相對(duì)距離，少為兩機(jī)器人間的相對(duì)角度。算法的中心思想是將機(jī)器人間的l和少保持在一個(gè)固定的值1。ROBOT1是leader,ROBOT2是follower。那么，ROBOT2跟隨ROBOT1運(yùn)動(dòng)。每臺(tái)機(jī)器人的位姿為（xi,yi,，它們就是機(jī)器人的參考原點(diǎn)的坐標(biāo)，已在全局坐標(biāo)系中表示出來。O是全局坐標(biāo)系原點(diǎn)。機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)

30、位于中心軸上兩驅(qū)動(dòng)輪的中心位置。ROBOT1和ROBOT2的兩參考原點(diǎn)間的直線距離就是兩機(jī)器人間的距離l,d表示參考點(diǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)間在中心軸線上的直線距離。線速度的正方向?yàn)闄C(jī)器人前行的方向，角速度的正方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。RDBQI2圖5.3兩個(gè)機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型對(duì)于第i號(hào)機(jī)器人來說，它本地的狀態(tài)變量（xi,yi,vi,coi）是從定位線程得到的，而它所得到的其他機(jī)器人的信息（xj,yj,。j,vj,coj）（jwi）是通過無限網(wǎng)卡傳輸過來的。跟隨機(jī)器人將自己與領(lǐng)航機(jī)器人間的相對(duì)參數(shù)（l,少）以及系統(tǒng)所期望的理想之（IdRd）之差反饋于機(jī)器人自身，再通過比例控制器將這一反饋信息作用于自身的速度（v）

31、和角速度（3）,從而完成跟隨控制。5.4 恢復(fù)隊(duì)形階段的路徑規(guī)劃當(dāng)隊(duì)形被嚴(yán)重打亂時(shí)，隊(duì)列的首要任務(wù)是快速恢復(fù)隊(duì)形。保持隊(duì)形的控制方法雖然可以保證隊(duì)形收斂到目標(biāo)隊(duì)形，但所需的恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，因此需要尋找更有效的控制方法以保證隊(duì)形快速恢復(fù)。顯然，隊(duì)列恢復(fù)隊(duì)形所需的時(shí)間就是隊(duì)列中最后到達(dá)局部目標(biāo)位姿的機(jī)器人所花費(fèi)的時(shí)間。因此本論文將快速恢復(fù)隊(duì)形問題轉(zhuǎn)化為尋找各機(jī)器人局部目標(biāo)位姿問題，使得各機(jī)器人從當(dāng)前位姿運(yùn)動(dòng)到對(duì)應(yīng)局部目標(biāo)位姿的最長(zhǎng)時(shí)間最短5。記R（i=1,2,n）當(dāng)前位姿為Qi,局部目標(biāo)位姿G,最終位姿Qi。顯然，當(dāng)隊(duì)列恢復(fù)隊(duì)形時(shí)，各機(jī)器人的局部目標(biāo)位姿受到l-少編隊(duì)參數(shù)的約束，故只要確定隊(duì)列中一個(gè)

32、機(jī)器人的局部目標(biāo)位姿，即可得到其他機(jī)器人的局部目標(biāo)位姿。本文直接規(guī)劃R的局部目標(biāo)位姿Q1g,其他機(jī)器人的局部目標(biāo)位姿Qig可根據(jù)Q1g計(jì)算得到。5.5 多機(jī)器人編隊(duì)中避障控制本論文使用了一種基于模糊邏輯的移動(dòng)機(jī)器人“感知一動(dòng)作”行為控制的新方法利用模糊邏輯來融合多個(gè)“感知一動(dòng)作”行為，來改善系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。模糊控制的核心部分為模糊控制器。模糊控制器的控制規(guī)則由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)，微機(jī)通過采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)E（在此取誤差反饋）。一般誤差信號(hào)E作為模糊控制器的輸入量。把誤差信號(hào)E的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量，誤差E的模糊量可用響應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示。至此，

33、得到了誤差E的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集e（e實(shí)際上是一個(gè)模糊向量）。再由e和模糊控制規(guī)則R核糊關(guān)系）根據(jù)推理合成規(guī)則進(jìn)行決策，得到模糊控制量u.以下給出了移動(dòng)機(jī)器人的模糊邏輯控制方案，即所選取的模糊控制器的輸入輸出變量，該機(jī)器人是通過安裝在機(jī)器人前端的多超聲傳感器陣列來獲取環(huán)境信息，得到移動(dòng)機(jī)器人左側(cè)、右側(cè)的障礙物距離信息。輸出變量是機(jī)器人在前進(jìn)方向上的旋轉(zhuǎn)角度。模糊控制器模糊量化模糊規(guī)則反模糊化*機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角度圖5.4模糊邏輯模型與控制方案5.5.1 輸入量模糊化設(shè)距離信號(hào)的模糊語(yǔ)言變量值的集合為：近，中，遠(yuǎn),簡(jiǎn)化表示為：ND,MD,LD)(2)根據(jù)超聲傳感器的實(shí)測(cè)距離，輸入距離信號(hào)的實(shí)際論域

34、為x*500,1500毫米；采用線性變換：x=1/100x*-l0取計(jì)算論域?yàn)閤-5,5。(3)左、右兩側(cè)輸入距離的模糊語(yǔ)言隸屬度函數(shù)如圖5.5所示：NDMDLD-5-4-3-24012345圖5.5輸入距離的隸屬度函數(shù)隸屬規(guī)則-5-4-3-2-1012345ND0.2000000MD00.80.20LD0000000.81表1.輸入距離量隸屬度規(guī)則5.5.2 輸出量模糊化設(shè)輸出的模糊語(yǔ)言集合如下：右轉(zhuǎn)，稍微右轉(zhuǎn)，前進(jìn)，稍微左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn))簡(jiǎn)化表示為：TRTRL,GA,TLLTL形動(dòng)機(jī)器人的輸出變量即旋轉(zhuǎn)角度的實(shí)際論域?yàn)?

35、30,30,單位是度，且向左轉(zhuǎn)為正方向；采用線性變換，y=215y*取計(jì)算論域?yàn)?4,4。角度輸出的模糊語(yǔ)言隸屬度函數(shù)如圖4.11所示：TRTRLGATLLTL432101234圖5.6輸出變量隸屬度函數(shù)規(guī)則-4-3-2-101234TR10.50000000TRL00.510.500000GA0000.510.5000TLL000000.510.50TL00000000.51表2.輸出角度隸屬規(guī)則表5.5.3最終的模糊控制規(guī)則用Rd表示機(jī)器人右側(cè)與障礙物的距離；Ld表示機(jī)器人左側(cè)與障礙物的距離；U表示輸出。機(jī)器人的避障規(guī)則如表3所示，根據(jù)模糊輸入的輸出控制如表4所示:drudlNDMDldN

36、DTRLtlltlMDtrlGAtllldTRtrlGA表3.避障模糊控制規(guī)則-5-4-3-2-1012345-5-11222333444-4-1-1122233344-3-1-1012223334-2-2-1-101222333-1-2-2-1-101122330-3-2-2-1-10112231-3-3-2-2-1-1011222-3-3-3-2-2-2-101123-4-3-3-3-2-2-2-10114-4-4-3-3-3-2-2-2-1005-4-4-4-3-3-3-2-2-2-10表4.輸入輸出模糊控制規(guī)則5.6去模糊化去模糊化的方法很多，常用的有最大隸屬度法、加權(quán)平均法、取中位數(shù)

37、法等，本文采用了加權(quán)平均法。例如：Ld輸入為1000(mm),改輸入為900(mm),根據(jù)x=1/100x*-i0轉(zhuǎn)換到計(jì)算論域中為，X左=0,X右=-1。則查表4可以得到輸出角度的模糊變量為1,輸出向量為0,0,0.5,0.5,0,TRTRLGA,TLLTL對(duì)應(yīng)角度為-30；-15；0°,15°,30。應(yīng)用加權(quán)平均法，可得：y*=-30,-15；0°,15°,30*0,0,0.5,0.5,0Ty*=7.5°,表示機(jī)器人向左轉(zhuǎn)7.5°。6 .仿真結(jié)果與試運(yùn)行狀態(tài)在本論文中，實(shí)際使用了Pioneer3H8-AT型智能移動(dòng)機(jī)器人前方的六個(gè)超聲傳感器，把它們分成了左組和右組，選取每組中的最小的一個(gè)數(shù)值作為輸入。因此，在仿真實(shí)驗(yàn)中機(jī)器人按照實(shí)際的移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)置，分別在機(jī)器人的左前和右前位置上布置了相同的超聲傳感器，這樣就可以探測(cè)到機(jī)器人前方的比較完全的信息。由于實(shí)際的機(jī)器人有盲區(qū)問題，而在仿真中的超聲波傳感器的測(cè)距范圍是0,+8,所以在仿真中傳感器的檢測(cè)范圍按照實(shí)際值設(shè)置為0.5,1.5(單位：米)。在多移動(dòng)機(jī)器人以一定的隊(duì)形移動(dòng)的控制中，