物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下群體機(jī)器人協(xié)同演化機(jī)制研究

1、物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下群體機(jī)器人協(xié)同演化機(jī)制研究【摘 要】在自然界中存在各種各樣復(fù)雜的群集行為, 如：蜜蜂覓食，螞蟻搬家，大雁遷徙等。這一系列行為都是 把個(gè)體智慧集結(jié)后體現(xiàn)由來(lái)的群體智慧。研究群體行為的機(jī) 制和規(guī)律對(duì)于理解生物界和人類社會(huì)中復(fù)雜現(xiàn)象具有非常 重要的意義，同時(shí)也為不斷研制和開(kāi)發(fā)新技術(shù)、新應(yīng)用提供 了不可或缺的理論基礎(chǔ)。各種復(fù)雜的生物界群集行為給群體 機(jī)器人的研究提供了非常好的啟發(fā)，從而產(chǎn)生了一個(gè)全新的 研究領(lǐng)域一一群體機(jī)器人學(xué)。與單個(gè)機(jī)器人相比，群體機(jī)器 人系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中具有更好的魯棒性，個(gè)體間有更好的交 互性，可擴(kuò)張性以及在成本上更加經(jīng)濟(jì)。從而使得群體機(jī)器 人具有更加廣泛的應(yīng)用前景。1

2、引言生物界的群體行為很普遍，如：大雁遷徙，螞蟻搬家， 野狗圍捕。這些群體行為都很好的為個(gè)體規(guī)避了自身的缺 陷，使得個(gè)體能夠利用群體的優(yōu)勢(shì)使自己能在自然界存活下 來(lái)。對(duì)此生物學(xué)家做了大量的研究，積累了大量的數(shù)據(jù)，再 通過(guò)計(jì)算機(jī)的模擬實(shí)驗(yàn)，最后通過(guò)數(shù)學(xué)建模，使得生物界的 群體行為能夠仿生應(yīng)用到人類社會(huì)中。比如剛剛發(fā)射成功的 嫦娥三號(hào)，深海維修的機(jī)器人，軍事無(wú)人偵察機(jī)。2 Vicsek模型和群體方向同步的建模在Boid模型中，單個(gè)個(gè)體的行為由排斥區(qū)域， 一致區(qū)域， 吸引區(qū)域半徑內(nèi)個(gè)體決定，這樣給問(wèn)題的理論分析帶來(lái)相當(dāng) 大的困難。Vicsek等人在1995年從統(tǒng)計(jì)力學(xué)的角度引生了 一個(gè)簡(jiǎn)單卻不改變其本

3、質(zhì)的模型，稱之為Vicsek模型。這個(gè)模型是由多個(gè)自由的個(gè)體所組成的時(shí)間離散系統(tǒng)，它是這樣 的一個(gè)系統(tǒng)：每一個(gè)個(gè)體有著相同不變的速度，而角度的話，是通過(guò)鄰居區(qū)域每一個(gè)個(gè)體角度矢量的平均值來(lái)決定的。Vicsek模型用數(shù)學(xué)語(yǔ)言可以描述為：對(duì)于個(gè)體，在時(shí)刻，以其所在的位置為中心，半徑為畫圓，只要是個(gè)體在范圍內(nèi) （包括），那么該個(gè)體就是個(gè)體的鄰居，用表示個(gè)體在對(duì)應(yīng) 的時(shí)刻的鄰居，則可以表示為：用來(lái)表示個(gè)體在對(duì)應(yīng)時(shí)刻的位置，并且每個(gè)個(gè)體的具體 位置可以用向量來(lái)表示，每個(gè)個(gè)體都是自己本身的鄰居。我 們規(guī)定每一個(gè)個(gè)體的速率為正值且恒定不變。而個(gè)體下一時(shí) 刻的位置是按照下面的方程來(lái)進(jìn)行更新的：式中的表示個(gè)體對(duì)

4、應(yīng)時(shí)刻的角度，它的更新規(guī)律如下：3物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下群體機(jī)器人協(xié)同演化實(shí)現(xiàn)方案3.1 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)主要由四個(gè)部分組成：（1）傳感部分：主要由傳感器與 AD轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。（2）處理部分：主要 由處理器，存儲(chǔ)器，嵌入形式的操作系統(tǒng)和相關(guān)軟件組成（3）通信部分。（4）電源部分。還可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用選 擇單獨(dú)供電系統(tǒng)，GPS定位系統(tǒng)，移動(dòng)系統(tǒng)等。3.2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的靈活性，可以為各種具有通信 功能的終端提供服務(wù)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)各種形式 布置，如：飛機(jī)撒播，任意布置。可以大量的布置在具有感 知對(duì)象的內(nèi)部或者鄰近區(qū)域。這些節(jié)點(diǎn)再通過(guò)自行組建無(wú)線 傳感網(wǎng)絡(luò)

5、系統(tǒng)，通過(guò)協(xié)同感知獲取信息，從而處理獲取的信 息。接著通過(guò)多跳網(wǎng)絡(luò)把信息傳送給Sink節(jié)點(diǎn)，最后由Sink節(jié)點(diǎn)把信息傳送給處理中心。3.3 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)所謂網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)就是將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行分層以及對(duì)網(wǎng) 絡(luò)協(xié)議進(jìn)行集合，是對(duì)其所連接設(shè)備所需實(shí)現(xiàn)功能的一種描 述與定義。因具有極強(qiáng)靈活性，與傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡(luò)有著極大的 不同，所以無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)體系與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)有著相 當(dāng)明顯的區(qū)別。3.4 “虛擬體”的產(chǎn)生和誘導(dǎo)模型由前面群體方向建模的仿真分析可知，當(dāng)個(gè)體間的距離 越大，群體要保持聯(lián)通就會(huì)越困難。近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)有了飛 速的發(fā)展，以其具有通過(guò)二維碼識(shí)讀設(shè)備、射頻識(shí)別（RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全

6、球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感 設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信 息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管 理的優(yōu)勢(shì)，為群體間的交互提供了豐富的通道。利用物聯(lián)網(wǎng) 的協(xié)同感知技術(shù)來(lái)獲取群體行為的狀態(tài)信息和目標(biāo)任務(wù)信 息。而虛擬體則是一種建立在這種通道上的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 與群體間交互的一種機(jī)制。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)協(xié)同感知能力來(lái)獲取 群體狀態(tài)缺陷信息、環(huán)境突變信息、目標(biāo)任務(wù)突變信息來(lái)控 制虛擬體的產(chǎn)生和消亡。4總結(jié)利用物聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)大的全面感知能力和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)的靈活性，對(duì)群體機(jī)器人之間和機(jī)器人與環(huán)境之間的一種 交互，聯(lián)系和演化研究。利用機(jī)器人的狀態(tài)信息和機(jī)器人之 間的相互作用和影響，適時(shí)的在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生“虛擬 體”，并且通過(guò)“虛擬體”來(lái)誘導(dǎo)機(jī)器人群體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 使得在初始狀態(tài)不連通的機(jī)器人能夠有效的連通，最后讓它 們向著所期望的目標(biāo)進(jìn)行演化。針對(duì)群體機(jī)器人的動(dòng)態(tài)演化 建立了演化模型，并且通過(guò)matlab的仿真實(shí)驗(yàn)證明了論文中 所提供的理論和算法是有效的。這為研究群體協(xié)同演化開(kāi)辟 了一條新