多机器人通信与编队问题研究

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1、AutonomousRobotsforTransportandHandlingApplication)。美国海军研究部和能源部也对多机器人系统的研究进行了资助。我国在该领域的研究工作很少，只有少数的研究所和大学在进行相关的研究，且大部分的研究工作仍然停留在仿真和实验室阶段。多机器人系统目前的所能完成的任务主要有搜寻任务、遍历任务、编队或聚集任务、目标运送任务等。1．2多机器人系统主要研究方向多机器人系统的研究包括多方面的内容，主要有群体体系结构、感知、通信、协调协作机制等。1．2．1群体体系结构多机器人系统依靠几个机器人的简单组合并不能充分发挥

2、其优势，只有通过某种形式的合作才能实现其对复杂任务的处理，群体体系结构就是研究如何将多机器人系统的结构与控制有机地结合起来，来保证多机器人系统中信息流与控制流的畅通，为机器人之间的活动、交互作用提供框架。合理的群体体系结构可以使多机器人之间进行更加有效的合作。另外，协作机器人系统面向的是动态变化的环境，因而系统结构要对环境有自组织适应能力。一般地，根据系统中是否有组织智能体为标准，将体系结构分为集中式控制和分布式控制，分别如图1．1、图1．2所示。图1．1集中式体系结构Fig．1—1CentralizedArchitecture图卜2分布式体系

3、结构Fig．1-2DistributedArchitecture1集中式体系结构集中式体系结构通常有一个主控机器人掌握全部环境信息及各受控机器人的2信息，运用规划算法和优化算法，主控机器人对任务进行分解和分配，向各受控机器人发布命令，并组织多个受控机器人共同完成任务。集中式结构的优点在于，其协调效率比较高，减少了用于协商的开销，理论背景清晰，实现起来较为直观，而且可以很容易获得最优规划，但是在灵活性、容错性、适应性方面都比较差。此外，集中式结构还存在主控机器人和其他机器人之间的通信瓶颈问题。2分布式体系结构在分布式体系结构中没有组织智能体，个体

4、高度自治，每个机器人根据局部信息规划自己的行为，并能借助于通信手段合作完成任务，其所有智能体相对于控制是平等的，这种结构能够较好地模拟自然社会系统，具有反应速度快、灵活性高、适应性强等特点，适用于动态、开放的任务环境。但这种结构增加了系统的复杂性，由于没有一个中心规划器，所以难以得到全局最优的方案，还可能带来通信的巨大开销。但是，分布式体系结构在某些方面(如故障冗余、可靠性、和可伸缩性等)比集中式结构要好，因此，分布式结构仍然是主流。1．2．2感知机器人系统的感知包括感觉和理解两方面的问题。新一代的智能机器人配备多种不同功能的传感器，使机器人能

5、够“感觉”到外部环境的变化，获取不同性质的环境信息。通过对获取的信息进行有效的融合、处理和解释，机器人便可以“理解’’这些信息的意义，并且将这些信息与机器人的决策和控制相结合。在多机器人系统的研究中，各机器人依靠自身的传感器对外界进行感知。各机器人的感知能力对机器人问的协作具有以下作用【l】：(1)通过感知可以估计协作者的意图和动作效果，从而降低对通信的依赖。(2)感知是实现行为的基础，系统可以快速响应环境变化。(3)通过感知可以更新和维护系统模型。在多机器人合作进行的复杂任务中，各机器人仅处理自身传感器获得的信息远远不够，还需要将其他机器人的

6、传感信息与自身传感信息进行融合以获取对外部环境正确的和较全面的理解，从而实现多机器人系统中各机器人之间的协调协作控制。1．2．3通信通信是机器人之间进行信息交互和组织的基础，通过通信多机器人系统中各机器人能够了解其他机器人的意图、目标和动作以及当前环境状态等信息，进而进行有效的协商，协作完成任务。因此，通信是多机器人系统动态运行时的关键，按照交互方式可以将通信分为三类：1通过环境相互作用这种类型被称为“没有通信的系统”，这种通信系统中每个机器人都作为环境的一部分，机器人之间没有直接的联系，环境是它们的作用中介。2通过感知相互作用机器人通过各种传

7、感器获取信息并将其与机器人的决策和控制紧密地结合起来；也因此出现了许多多传感器信息融合和信息处理的方法【21。这种通信类型，机器人的感知可通过红外、超声波、机器视觉等实现。通过感知可以实现行为，从而使系统可以快速地响应环境变化。通过感知多机器人系统可以更新和维护系统模型。由于每个机器人都可能具有自己的传感器系统，整个系统的传感器信息融合和有效的利用是主要的研究问题。3通过明显的通讯相互作用【3】这种通信方式类似于网络通信，每个机器人之间可通过相互传递信息来联系。采用的技术就是借鉴已有的网络技术，但是，多机器人系统的这种通信方式与计算机网络通信还

8、是有很大的不同的。因为，如果机器人过分依赖通信来获取信息，当系统中机器人的数量增加的时候系统通信的负担将使系统的运行效率下降。因此，既要研究适合多机器