基于粒子群算法的群體機器人圍捕行為的研究

基于粒子群算法的群體機器人圍捕行為的研究三、擬采取的研究方法、技術路線、試驗方案及其可行性分析

四、課題的創(chuàng)新性一、課題意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述二、課題研究目標、研究內(nèi)容和擬解決的關鍵性問題基于粒子群算法的群體機器人圍捕行為的研究課題意義“機器人”一詞最早出現(xiàn)在1920年捷克作家卡雷爾?恰佩克的撰寫的一部科幻小說(羅薩姆的機器人萬能公司)中，從此“機器人”就開始走近了人們的生活。到目前為止，“機器人”仍然沒有統(tǒng)一的定義，人們認為機器人是自動執(zhí)行工作的機械裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術制定的原則綱領行動的機器。

隨著社會生產(chǎn)技術的飛速發(fā)展，機器人的應用領域不斷擴展，從自動化生產(chǎn)線到太空作業(yè)等領域，機器人可謂是無處不在?，F(xiàn)有的機器人研究在理論和技術兩方面雖已取得了很大的進展，但是單個機器人在信息的獲取、處理及控制能力等方面都是有限的，對于復雜的工作任務及多變的工作環(huán)境，單個機器人的能力更顯不足。于是人們考慮由多個機器人組成的群體系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)、協(xié)作來完成單機器人無法或難以完成的工作。

群機器人系統(tǒng)是特殊的多機器人系統(tǒng)，由許多無差別的自治機器人組成，具有典型的分步式系統(tǒng)特征。

群體機器人系統(tǒng)比單機器人系統(tǒng)具有更強的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）相互協(xié)調(diào)的n個機器人系統(tǒng)的能力可以遠大于一個單機器人系統(tǒng)的n倍，群體機器人系統(tǒng)還可以實現(xiàn)單機器人系統(tǒng)無法實現(xiàn)的復雜任務；（2）設計和制造多個簡單機器人比單個復雜機器人更容易、成本更低；（3）使用群體機器人系統(tǒng)可以大大節(jié)約時間，提高效率；（4）群體機器人系統(tǒng)的平行性和冗余性可以提高系統(tǒng)的柔性和魯棒性等等。

經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，群體機器人系統(tǒng)的研究已在理論和實踐方面取得很大的進展，并建立了多機器人仿真系統(tǒng)和實驗系統(tǒng)。但是這些研究還都在實驗階段，而且任務的復雜度還不夠高，進行群體機器人系統(tǒng)的研究是機器人技術發(fā)展的必然趨勢，必將對機器人技術的發(fā)展帶來劃時代的變革。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀機器人是20世紀最偉大的發(fā)明之一。從某種意義上講，一個國家機器人技術水平的高低反映了這個國家綜合技術實力的高低。目前，國內(nèi)關于群體機器人系統(tǒng)的研究剛剛起步，而國外的研究則比較活躍。與結構越來越復雜的單個機器人相比，群體機器人系統(tǒng)在魯棒性、可擴展性和靈活性方面都占有很大優(yōu)勢，因此具有更加廣闊的應用前景。

經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，群體機器人系統(tǒng)的研究已在理論和實踐方面取得很大的進展，并建立了群體機器人仿真系統(tǒng)和實驗系統(tǒng)。下面請看幾個已研究的群體機器人的例子······

日本名古屋大學的T.Fukuda教授領導的研究小組在生物細胞結構的啟發(fā)下研究的CEBOT（CellularRobotSystem）系統(tǒng)就是一個典型的示例。CEBOT系統(tǒng)將系統(tǒng)中相同或不同功能的機器人視為細胞元，這些細胞元機器人可以移動、尋找和組合。根據(jù)任務或環(huán)境的變化，這些細胞元機器人可以自行組織成為器官化、功能化的機器人，多個功能器官化機器人可以進一步自行組織成為功能更加復雜的機器人系統(tǒng)。細胞結構機器人系統(tǒng)強調(diào)的是單元體如何根據(jù)任務和環(huán)境的要求進行動態(tài)重構，因此，該系統(tǒng)具有多變的構型，可以具有學習和自適應的群智能，并具有分布式的體系結構。國外>>國外>>比利時布魯塞爾大學開發(fā)了一組名為“Swarm-bot”的機器人系統(tǒng)，它由數(shù)個小型的Swarm-bot通過夾子相互連接起來，通過相互合作來完成個體無法完成的任務。右圖展示了Swarm—bots作探測復雜環(huán)境的情況。很明顯，單個機器人無法進入洞穴中去進行探測，但是通過一群機器人相互連接在一起，就使它們具有了探索這個洞穴的能力。英國科學家對螞蟻、蜜蜂等群居昆蟲雖然個體微不足道，但是集合群體的力量卻能創(chuàng)造自然界奇跡的現(xiàn)象進行研究，研制出一種新型“集群機器人”。雖然看起來不起眼，行動也貌似雜亂無章，但它們裝備有數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，還有一個微型電腦，因此每一個個體都是可以獨立行動，并且還能夠像昆蟲群體一樣交流合作。其研制背景就是由于機器人經(jīng)常被派至惡劣的條件下執(zhí)行任務，易發(fā)生損壞導致無法完成既定任務。如果用一群小型機器人來取代一個昂貴的大型機器人去完成任務，即使其中的若干失效，也不會影響整個任務的達成。國外>>跳舞機器人由中科院深圳先進技術研究院以及中科院香港中文大學深圳先進集成技術研究所合作完成，機器人內(nèi)置有聽筒，可以接受外部的音樂信號，將節(jié)拍特征轉(zhuǎn)換為控制信號，從而控制電機實現(xiàn)機器人各種動作。國內(nèi)>>

中科院沈陽自動化研究所承擔的863課題，“可重構星球探測機器人”。國內(nèi)>>

除了上述的一些例子外。目前，群體機器人已經(jīng)在一些人類難以到達的區(qū)域得到應用。例如礦難事故中的人員搜救；消防上用于代替消防人員滅火和營救受困人員和地震救援等。搜救任務是群體機器人系統(tǒng)應用比較多的一個領域，美國加州大學的機器人輔助搜救系統(tǒng)曾經(jīng)參與了災難搜救工作，其中仍然需要工程師的干預和操作，沒有實現(xiàn)完全自主。軍事上波音公司研發(fā)的第一個運用群體仿生學技術的無人駕駛軍用試驗飛機。隨著全世界科學技術的發(fā)展，群體機器人系統(tǒng)應用逐漸推廣到工業(yè)、軍事、醫(yī)學等各個領域。群體機器人的出現(xiàn)，使得人類在沒有任何危險的狀況下，順利的完成以前艱苦或者危險領域的作業(yè)。

總體而言，群體機器人在諸多領域的研究取得了一定的進展，盡管目前還不是很成熟，但其發(fā)展和應用前景很廣，其發(fā)展方向有如下幾點：

(1)機器人個體之間相互通信技術；

(2)機器人個體之間表達、描述問題，分解和分配任務；

(3)機器人在行動中的行為協(xié)調(diào)一致技術；

(4)機器人彼此之間識別和沖突解決技術。目前群體機器人的研究主要集中在群體機器人的編隊控制、聚集隊形控制、任務分配、搜索等方面的研究，但是對群體機器人的圍捕行為的研究還相對較少，群體機器人圍捕系統(tǒng)又是一種比較典型的群體協(xié)作系統(tǒng)，它的研究對群體機器人協(xié)作技術的發(fā)展有著普遍的推動意義。研究目標根據(jù)群體機器人運動的特點，用粒子群算法建立群體機器人運動的數(shù)學模型，利用仿真軟件MATLAB對群體機器人的圍捕行為進行仿真實驗，并設計群體機器人的實體實驗，實現(xiàn)群體機器人的圍捕功能。研究內(nèi)容（1）建立群體機器人圍捕的數(shù)學模型分析群體機器人的圍捕問題，選擇環(huán)境建模和規(guī)劃方法，分析粒子群算法，在粒子群算法的基礎上，根據(jù)群體機器人特點，建立群體機器人圍捕的數(shù)學模型。（2）利用粒子群算法實現(xiàn)群體機器人的系統(tǒng)協(xié)作與控制。（3）設計并編程實現(xiàn)群體機器人圍捕的算法，在仿真軟件中驗證算法的可行性和有效性，實現(xiàn)群體機器人的圍捕功能。（4）進行群體機器人系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)，建立一套群體機器人系統(tǒng)，進行群體機器人圍捕的實驗，解決試驗中可能遇到的群體機器人的協(xié)作與通信沖突等問題。擬解決的關鍵性問題（1）群體機器人對外界環(huán)境信息的精確采集以及對信息的模糊處理。（2）群體機器人相互之間的通信技術以實現(xiàn)信息資源的共享。（3）群機器人系統(tǒng)沖突問題。擬采取的研究方法以群體智能、仿生學、現(xiàn)代控制理論、電工電子為理論基礎進行理論分析、系統(tǒng)開發(fā)、仿真設計與實體實驗、調(diào)試相結合的研究方法。技術路線（1）理論分析：群體機器人的圍捕是多學科的交叉領域，要求對各門知識都有一定的掌握如：機器人學、仿生學、現(xiàn)代控制理論、單片機、群體智能等，通過理論知識和群體機器人的特點，建立群體機器人的數(shù)學模型。（2）系統(tǒng)開發(fā)：以仿真軟件matlab來實現(xiàn)群體機器人圍捕的仿真實驗，通過實驗數(shù)據(jù)分析證明圍捕算法的可形性。（3）實體試驗：通過建立一套群體機器人并開發(fā)一套群體機器人系統(tǒng)，進行多次試驗調(diào)試，來驗證圍捕策略的可行性。技術流程圖實驗方案（1）用三維軟件proe建立群體機器人的三維模型，并進行結構優(yōu)化。（2）以matlab為仿真軟件對群體機器人的圍捕策略進行仿真實驗，查看圍捕策略的效果。（3）設計群體機器人的控制電路圖。（4）完成群體機器人實體的制作，編寫控制程序，運行調(diào)試，實現(xiàn)群體機器人的圍捕功能?？尚行苑治觯?）目前國內(nèi)外對群體機器人的研究已經(jīng)很多，但是大部分是關于群體機器人的路徑規(guī)劃與編隊，對群體機器人圍捕行為的研究還相對較少，而且國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)多機器人圍捕策略的實驗與研究，這對對群體機器人的圍捕策略有一定的借鑒作用。（2）當代群體機器人通訊技術的發(fā)展和群體機器人協(xié)作與控制行為的研究為本課題的研究提供了理論基礎。（3）大量閱讀了群體機器人協(xié)作和群體機器人系統(tǒng)沖突的解決等方面的期刊、書籍，并收集了很多相關資料，為該群體機器人的圍捕策略及仿真的研究指明了方向。（4）對本課題涉及到的一些知識和軟件進行了充分的學習，另外自己在運動學、機構學、控制理論學科方面也有一定的經(jīng)驗積累，為進一步研究提供了基礎保障。（5）有機電工程學院強有力的師資力量和硬設備做保證，相信在老師的指導和同學的幫助下可以達到預期的目的。課題創(chuàng)新性（1）用粒子群算法建立群體機器人圍捕系統(tǒng)的數(shù)學模型，優(yōu)化群體機器人運動路徑。（2）利用模糊控制改進群體機器人的傳感器系統(tǒng)，增加群體機器人接收信息的精確度。計劃進度和預