基于Artificial Physics方法的多智能機(jī)器人協(xié)同控制

1、 技術(shù)背景技術(shù)背景機(jī)器人路徑規(guī)劃機(jī)器人路徑規(guī)劃多智能體協(xié)同控制多智能體協(xié)同控制 自身條件自身條件全局信息路徑規(guī)劃（全局信息路徑規(guī)劃（A*算法）算法）局部信息路徑規(guī)劃（人工勢場法）局部信息路徑規(guī)劃（人工勢場法）集中式隊形控制集中式隊形控制分布式隊形控制（分布式隊形控制（Artificial Physics）利用Pioneer3-AT移動機(jī)器人平臺實(shí)現(xiàn)多移動機(jī)器人編隊控制Artificial Physics方法人工勢場法Leader-Follower方法圖1 編隊控制設(shè)置場景1. Artificial Physics隊形控制方法隊形控制方法由懷俄明大學(xué)（University of Wyoming）

2、的William M. Spears首先提出，屬于最新理論，目前國內(nèi)尚無人使用。該方法通過盡量簡單的局部配合來完成復(fù)雜的控制任務(wù)，互相協(xié)作的機(jī)器人只需配備簡單的傳感器，屬于分布式算法。該方法的實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人的大小、數(shù)量無關(guān)，試驗的結(jié)果具有較好的可移植性。對該理論進(jìn)行擴(kuò)展，還可以應(yīng)用到具有多個障礙物環(huán)境中的隊形控制中。該方法的思想基于Newton第二定律發(fā)展而來。圖2中的節(jié)點(diǎn)即為6個機(jī)器人組成6邊形各自所處的位置，設(shè)圓半徑為R，則該距離為隊形保持距離。F為機(jī)器人所受的力。圖2 6個圓形組成的六邊形隊形F = Gmi mj /rp當(dāng)rR時F為引力，反之為斥力，同時F限定要小于Fmax相當(dāng)于每個機(jī)器人

3、各自處于其“勢井”中，其只感受離自己最近的機(jī)器人位置。圖3 物理力F大小的分布情況圖圖3顯示顯示當(dāng)G=1200，m=1，R=50，p=2，F(xiàn)max=1時物理力的變化規(guī)律 通過各個機(jī)器人簡單的控制與決策，完成群體內(nèi)所有機(jī)器人的編隊控制。 圖4中左圖為機(jī)器人初始位置，右圖為迭代編隊展開結(jié)果圖4 算法進(jìn)行示意2.人工勢場法人工勢場法(Artificial Potential Method)圖5環(huán)境中的勢場分布在環(huán)境中建立坐標(biāo)系，則引力勢場可以表示為： Tqxy 1,2mattgoalUqq q 1,2mattgoalUqq q 1,2mattgoalUqq q 1,2mattgoalUqq q 1,

4、2mattgoalUqq q其中q為當(dāng)前機(jī)器人的位置矢量，qgoal為目標(biāo)點(diǎn)位置矢量，為機(jī)器人和目標(biāo)點(diǎn)的距離，0為和障礙物的安全值斥力場表示為斥力場表示為 2000111,2,0,goalobsrepgoalifq qq qUqifq q可實(shí)現(xiàn)局部路徑規(guī)劃。對上述的引力勢函數(shù)與斥力勢函數(shù)分別計算梯度，則可得到機(jī)器人在當(dāng)前位置所受的引力、斥力矢量。由此即可得到機(jī)器人的運(yùn)動軌跡： qattrepqUqUq 其中有 attqattgoalFqUqqq repqrepFqUq 0200111,0,qobsobsobsobsobsq qifq qq qq qifq q 3. leader-followe

5、r隊形控制方法隊形控制方法 圖6 leader-follower方法控制框圖其中(Dis,d)為期望的隊形形狀信息，(xd,yd)為follower的期望軌跡點(diǎn)，(xF,yF, F)為follower當(dāng)前的位置以及和leader的角度信息，(xL,yL, L)為leader機(jī)器人信息。通過坐標(biāo)變換及運(yùn)動學(xué)計算等數(shù)學(xué)方式最終得到follower軌跡控制函數(shù)。 4. 基于基于TCP/IP的通信的通信Pioneer3移動機(jī)器人的ARIA類庫中提供了Arnetworking子類供編程時調(diào)用，它嵌入了TCP/IP協(xié)議以及協(xié)議中的socket接口，Arnetworking是一個可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和底層的基礎(chǔ)

6、設(shè)施，調(diào)用其中的接口函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人的通信問題。本試驗利用協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編程接口socket，即可完成通信。通信因可靠性的需要采用流式套接字。首先需要建立server，然后某時刻client端發(fā)出請求，server端應(yīng)答。即server與client端的關(guān)系是不對稱的。 5. 軟硬件綜合及試驗驗證軟硬件綜合及試驗驗證1）軟件介紹及控制流程圖）軟件介紹及控制流程圖移動機(jī)器人客戶端軟件主要包括：ARIA、MobileSim、MobileEyes、Mapper3、AriaDemo、GuiSever、SavClient、ACTS。 圖7 ARIA體系結(jié)構(gòu)該軟件具有較強(qiáng)的功能和適應(yīng)性，先鋒移動機(jī)器人的

7、基本軟件系統(tǒng)都是以ARIA為基礎(chǔ)。ARIA為客戶端/服務(wù)器系統(tǒng)處理了底層的細(xì)節(jié)，包括串口通訊、命令和服務(wù)器命令包處理、時鐘周期、多線程以及多種附件的控制軟件控制流程軟件控制流程軟件開發(fā)在Windows平臺下完成，編譯環(huán)境為Microsoft Visual Studio .NET 2003。借助ARIA通過調(diào)用類庫中的函數(shù)，可方便的完成傳感器讀取、無人車驅(qū)動、通信、多線程等功能。為了對無人車進(jìn)行實(shí)時的控制，程序采用循環(huán)方式運(yùn)行。首先進(jìn)行變量、ARIA、傳感器的初始化，再運(yùn)行循環(huán)程序。循環(huán)程序中包括傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、通信、無人車控制幾個部分。 圖圖8 軟件控制流程圖軟件控制流程圖2）硬件環(huán)

8、境）硬件環(huán)境本項目所需硬件包括移動機(jī)器人、無線路由器以及工作站。 圖9 pioneer3系列機(jī)器人外形其重量為14Kg，有效載荷40Kg，電源為3塊12V的直流鉛酸電池。運(yùn)動時最高速度為1.2m/s，最大旋轉(zhuǎn)速度為140deg/s。Pioneer 3-AT機(jī)器人的底層電機(jī)控制器采用的是HITACHI公司的H8S型微控制器。它用來控制機(jī)器人驅(qū)動的電機(jī)和可攜帶傳感器的數(shù)據(jù)采集處理。 硬件環(huán)境（續(xù)）硬件環(huán)境（續(xù)）圖10 聲納環(huán)分布圖圖11 機(jī)器人控制系統(tǒng)Pioneer 3-AT機(jī)器人安裝有2個聲納環(huán)，每個環(huán)有8個換能器，可以用于距離檢測、自動避障、定位以及導(dǎo)航。聲納環(huán)位置是固定的，兩側(cè)各有一個，另外

9、6個以20間隔分布在側(cè)邊。每個聲納環(huán)能夠提供180無縫探測，因此多個環(huán)的聲納陣列布置可以為機(jī)器人提供360無縫檢測。Pioneer3-AT載有基于PC104擴(kuò)展總線支持的工控機(jī)。該工控機(jī)將為無人車的數(shù)據(jù)采集、處理、指令執(zhí)行提供支持。 深入研究深入研究Artificial Physics隊形控制方法隊形控制方法分布式系統(tǒng)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的控制策略分布式系統(tǒng)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的控制策略研究研究Artificial Physics算法、人工勢場法及算法、人工勢場法及 leader-follower方法的結(jié)合方法方法的結(jié)合方法在移動機(jī)器人平臺上實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人通信、壁在移動機(jī)器人平臺上實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人通信、壁障和編隊控制障和編隊控制經(jīng)過理論研究和仿真，最后通過硬件試驗，完成如經(jīng)過理論研究和仿真，最后通過硬件試驗，完成如方案設(shè)計所述之多智能體協(xié)同控制的工程實(shí)現(xiàn)。方案設(shè)計所述之多智能體協(xié)同控制的工程實(shí)現(xiàn)。 圖12 協(xié)同作戰(zhàn)示意圖軍事領(lǐng)域：無人機(jī)編隊飛行