智能機(jī)器人原理與應(yīng)用 課件 第9章 多機(jī)器人系統(tǒng)

北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院智能機(jī)器人原理與應(yīng)用“智能檢測(cè)技術(shù)與模式識(shí)別”研究所北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》第九章多機(jī)器人系統(tǒng)

智能體(Agent)是一類在特定環(huán)境下能感知環(huán)境,并能自治地運(yùn)行,以代表其設(shè)計(jì)者或使用者實(shí)現(xiàn)一系列目標(biāo)的計(jì)算實(shí)體或程序。自主性是Agent區(qū)別于其他概念的基本必備特征。

Minsky曾經(jīng)對(duì)Agent和多Agent系統(tǒng)有過這樣一段描述:每個(gè)智能體本身只是做一些簡(jiǎn)單的事情,當(dāng)某個(gè)方法將這些單個(gè)Agent組合成一個(gè)群體系統(tǒng)時(shí),就生成了智能,而多Agent的協(xié)調(diào)與協(xié)作正是這種產(chǎn)生智能的組合方法。

目前,對(duì)Agent的研究大致可分為智能Agent、多Agent系統(tǒng)和面向Agent的程序設(shè)計(jì)(Agent-orient-programming,AOP)這3個(gè)相互關(guān)聯(lián)的方面,涉及Agent和MAS的理論、Agent結(jié)構(gòu)和組織及Agent語言規(guī)劃通信和交互技術(shù)MAS之間的協(xié)作和協(xié)商等內(nèi)容。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.1智能體與多智能體系統(tǒng)將每個(gè)Agent系統(tǒng)分為幾個(gè)控制模塊:環(huán)境感知層、動(dòng)作執(zhí)行層、規(guī)劃控制層、通信管理層和信息融合層設(shè)計(jì)出的Agent的體系結(jié)構(gòu)如圖9.1所示。9.1.1Agent的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.1智能體與多智能體系統(tǒng)動(dòng)作執(zhí)行層是執(zhí)行智能機(jī)器人的行為動(dòng)作,根據(jù)當(dāng)前感知的環(huán)境信息和目標(biāo)設(shè)定,將智能機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行變量輸送到電動(dòng)機(jī),改變動(dòng)作的方向和速度。9.1.1Agent的體系結(jié)構(gòu)1.動(dòng)作執(zhí)行層2.規(guī)劃控制層規(guī)劃控制層是完成一些基本功能和行為,包括自定位、行為控制、目標(biāo)檢測(cè)和避障。自定位模塊感知層輸入局部地圖、全局地圖和機(jī)器人的感知信息、計(jì)算機(jī)器人的當(dāng)前信息。規(guī)劃控制根據(jù)規(guī)劃的結(jié)果產(chǎn)生機(jī)器人完成任務(wù)的動(dòng)作序列。避障模塊采用基于免疫網(wǎng)絡(luò)的局部路徑規(guī)劃,以實(shí)現(xiàn)在線避碰。目標(biāo)檢測(cè)根據(jù)傳感器信息和目標(biāo)信息識(shí)別目標(biāo)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.1智能體與多智能體系統(tǒng)環(huán)境感知層是整個(gè)Agent系統(tǒng)的信息輸入點(diǎn),提供各種傳感器,如聲吶測(cè)量值、激光測(cè)距儀數(shù)據(jù)以及里程儀提供的位置信息、攝像頭傳感器提供的圖像數(shù)據(jù)等,也負(fù)責(zé)對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理,完成局部地圖的創(chuàng)建。9.1.1Agent的體系結(jié)構(gòu)3.環(huán)境感知層4.通信管理層通信管理層負(fù)責(zé)與其他Agent通信,包括將自己的信息通知其他Agent及接受從其他Agent發(fā)出的信息;同時(shí)信息融合層將所感知的外界信息或與其他Agent通信所獲知的信息轉(zhuǎn)變成自身能理解的信息表示符號(hào),并與自身信息庫中的信息相融合,再存入自身的信息庫中。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.1智能體與多智能體系統(tǒng)每個(gè)Agent中還存有信息庫、規(guī)則庫和任務(wù)目標(biāo)庫:信息庫中存儲(chǔ)Agent知道的各類信息,包括其他Agent的狀態(tài)和外部環(huán)境的信息；規(guī)則庫中存放設(shè)計(jì)者制定的規(guī)則,當(dāng)Agent進(jìn)行行為規(guī)劃時(shí),根據(jù)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的規(guī)則和當(dāng)時(shí)所知的信息進(jìn)行行為規(guī)劃;任務(wù)目標(biāo)庫中存放每個(gè)Agent需要完成的任務(wù)及目標(biāo),外界環(huán)境狀態(tài)的改變和其他機(jī)器人狀態(tài)的改變都有可能影響每個(gè)Agent的當(dāng)前任務(wù)目標(biāo)。9.1.1Agent的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.1智能體與多智能體系統(tǒng)多Agent系統(tǒng)(multiagentsystem,MAS),是由多個(gè)可計(jì)算的Agent組成的集合,即MAS,是一種分布式自主系統(tǒng),其中每個(gè)Agent是一個(gè)物理的或抽象的實(shí)體,可作用于自身和環(huán)境,并與其他Agent進(jìn)行通信,也可以定義MAS是由一些對(duì)所處環(huán)境具有局部觀點(diǎn)并可對(duì)環(huán)境產(chǎn)生局部響應(yīng)的Agent構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。9.1.2MAS的相關(guān)概念MAS的主要研究?jī)?nèi)容集中在以下幾個(gè)方面:Agent結(jié)構(gòu)和多Agent組織結(jié)構(gòu)和模型的設(shè)計(jì)、Agent協(xié)作策略模型和機(jī)制的研究、Agent通信機(jī)制的研究等。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.1智能體與多智能體系統(tǒng)MAS的組織體系結(jié)構(gòu)包括Agent的模型結(jié)構(gòu)和Agent之間的組織形式,是指系統(tǒng)中Agent之間的信息關(guān)系和控制關(guān)系以及問題求解能力的分布模式組織結(jié)構(gòu)的研究。這對(duì)于整個(gè)MAS的研究具有重要意義,是多Agent系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)。9.1.2MAS的相關(guān)概念1.MAS的組織體系結(jié)構(gòu)2.MAS的通信通信是MAS中最基本的問題,MAS將獨(dú)立的Agent個(gè)體通過通信模塊實(shí)現(xiàn)相互協(xié)作與協(xié)調(diào),構(gòu)成一個(gè)有一定功能、可以運(yùn)行的系統(tǒng),因此通信問題是MAS中的基本問題。3.MAS的協(xié)調(diào)和協(xié)作MAS不同于傳統(tǒng)的分布式處理系統(tǒng),它側(cè)重于研究一組Agent的自治能力,如獨(dú)立的推理、規(guī)劃和學(xué)習(xí)等能力,以及為了聯(lián)合采取行動(dòng)求解問題,以達(dá)到某一全局目標(biāo),如何協(xié)調(diào)各自的目標(biāo)、策略和規(guī)劃能力等。雖然單個(gè)Agent的智能是有限的,但可以通過適當(dāng)?shù)捏w系結(jié)構(gòu)將Agent組織起來,彌補(bǔ)各個(gè)Agent的不足,使整個(gè)系統(tǒng)的能力超過任何單個(gè)Agent的能力。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.1智能體與多智能體系統(tǒng)MAS作為一個(gè)整體參與協(xié)作任務(wù),并不是簡(jiǎn)單地將多個(gè)具有一定自主能力的智能體合并到一起,而是需要通過協(xié)商解決各自規(guī)劃時(shí)產(chǎn)生的沖突與對(duì)抗,根據(jù)協(xié)作任務(wù)的目標(biāo),在個(gè)體之間交互大量信息,分析可能產(chǎn)生的沖突,制定協(xié)作策略。9.1.3MAS的體系結(jié)構(gòu)多智能機(jī)器人采用協(xié)同的體系結(jié)構(gòu)主要有集中式、分布式和混合式,如圖所示為本節(jié)建立的一個(gè)多智能體協(xié)作模型。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.1智能體與多智能體系統(tǒng)在MAS中,常見的協(xié)作規(guī)劃模式是集中規(guī)劃模式、分散規(guī)劃模式和分散集中規(guī)劃模式3種。9.1.3MAS的體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提供了一個(gè)具有全局性屬性的機(jī)器人,通過它實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人協(xié)作過程中的全局控制,比如任務(wù)的規(guī)劃和分配。其他機(jī)器人僅為執(zhí)行者。這種協(xié)作模式的問題是隨著各機(jī)器人的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性的增加,控制的瓶頸問題愈加突出,一旦控制全局的機(jī)器人崩潰,將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。1.集中規(guī)劃此時(shí)不存在用來綜合協(xié)調(diào)各子(部分)規(guī)劃的機(jī)器人,每一個(gè)機(jī)器人根據(jù)各自的目標(biāo)獨(dú)立制定各自的動(dòng)作計(jì)劃,所有的控制是分散的,知識(shí)是局部的。這種模式可以使得每個(gè)智能體獲得一定的自主性,增加了靈活性;缺點(diǎn)是不僅要解決規(guī)劃執(zhí)行過程中可能出現(xiàn)的各種潛在沖突,還要分析各機(jī)器人規(guī)劃執(zhí)行過程中產(chǎn)生的各種有利或無利的狀態(tài)。2.分散規(guī)劃模式北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.1智能體與多智能體系統(tǒng)在MAS中,常見的協(xié)作規(guī)劃模式是集中規(guī)劃模式、分散規(guī)劃模式和分散集中規(guī)劃模式3種。9.1.3MAS的體系結(jié)構(gòu)3.分散集中規(guī)劃模式允許每個(gè)機(jī)器人制訂自己的子(部分)規(guī)劃,這些子規(guī)劃統(tǒng)一提交給協(xié)調(diào)者,協(xié)調(diào)工作由某個(gè)機(jī)器人集中完成;協(xié)調(diào)者綜合所有子規(guī)劃形成一個(gè)整體規(guī)劃,對(duì)于潛在沖突的發(fā)現(xiàn)和剔除,可采用合理安排動(dòng)作執(zhí)行順序或確定必要的同步點(diǎn)來完成。研究表明,集中式規(guī)劃效率最高,適合于簡(jiǎn)單理想的環(huán)境,對(duì)協(xié)作任務(wù)的配合要求強(qiáng);分布式規(guī)劃復(fù)雜度最高,遇到的潛在沖突也最高,適合于復(fù)雜獨(dú)立的環(huán)境,自主性強(qiáng),對(duì)協(xié)作任務(wù)的配合要求弱;分布式集中協(xié)調(diào)規(guī)劃的復(fù)雜度和效率位于上述兩種模式之間,適合于有組織結(jié)構(gòu)、各自有較強(qiáng)自主性的群體機(jī)器人。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.2多機(jī)器人系統(tǒng)9.2.1多機(jī)器人系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.多機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)隨著多機(jī)器人技術(shù)的日益發(fā)展,越來越多的復(fù)雜作業(yè)依靠單個(gè)機(jī)器人的能力已經(jīng)難以完成,因此多機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。一個(gè)相互協(xié)調(diào)的多機(jī)器人系統(tǒng)有著單個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)所無法比擬的優(yōu)勢(shì)。(1)通過對(duì)某些任務(wù)進(jìn)行適當(dāng)分解,多個(gè)機(jī)器人可以分別并行地完成不同的子任務(wù),從而加快任務(wù)執(zhí)行速度,提高工作效率。(2)可以將系統(tǒng)中的成員設(shè)計(jì)為完成某項(xiàng)任務(wù)的“專家”,而不是設(shè)計(jì)為完成所有任務(wù)的“通才”,使機(jī)器人的設(shè)計(jì)有更大的靈活性,完成有限任務(wù)的機(jī)器人可以設(shè)計(jì)得更完善。(3)可以通過成員間的相互協(xié)作交換信息,增加冗余度,消除失效點(diǎn),增加解決方案的魯棒性。(4)可以提供更多的解決方案,降低系統(tǒng)造價(jià)與復(fù)雜度等。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.2多機(jī)器人系統(tǒng)9.2.1多機(jī)器人系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.多機(jī)器人系統(tǒng)系統(tǒng)的任務(wù)模型20世紀(jì)80年代后期,協(xié)作多機(jī)器人系統(tǒng)的快速發(fā)展體現(xiàn)為3個(gè)方面的相互影響:問題、系統(tǒng)和理論。為解決一個(gè)給定的問題,想象出一個(gè)系統(tǒng),然后進(jìn)行仿真、構(gòu)建,借用別的領(lǐng)域理論進(jìn)行協(xié)作。1)交通控制當(dāng)多個(gè)機(jī)器人運(yùn)行在同一環(huán)境中時(shí),它們要努力避免碰撞。2)推箱子/協(xié)作操作許多工作是討論推箱子問題的。有的集中在任務(wù)分配、容錯(cuò)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)上,有的則研究通信協(xié)議和硬件。3)采蜜它要求一群機(jī)器人去揀起散落在環(huán)境中的物體。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.2多機(jī)器人系統(tǒng)9.2.1多機(jī)器人系統(tǒng)簡(jiǎn)介3.多機(jī)器人系統(tǒng)的性能指標(biāo)魯棒性:對(duì)機(jī)器人出現(xiàn)故障具有魯棒性。最優(yōu)化:對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境有優(yōu)化反應(yīng)。速度:對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境反應(yīng)要迅速?？蓴U(kuò)展性:根據(jù)不同應(yīng)用的要求易于擴(kuò)展。通信:要有處理有限的或不太好的通信的能力。資源:合理利用有限資源的能力。分配:優(yōu)化分配任務(wù)。異構(gòu)性:能夠應(yīng)用到異構(gòu)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的能力。角色:優(yōu)化指定角色。新輸入:有處理動(dòng)態(tài)新任務(wù)、資源和角色的能力。靈活性:易于適應(yīng)不同的任務(wù)。流動(dòng)性:易于適應(yīng)在操作過程中增加或減少機(jī)器人。學(xué)習(xí):在線適應(yīng)特定的任務(wù)。實(shí)現(xiàn):能夠在物理系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.2多機(jī)器人系統(tǒng)9.2.2多機(jī)器人系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容(1)分布式人工智能(distributedartificialintelligence,DAI)。DAI主要研究由Agent組成的分布式系統(tǒng),它分為兩個(gè)部分:分布式問題求解(DPS)和MAS。DPS主要研究利用多個(gè)Agent解決同一個(gè)問題,Agent獨(dú)立地解決每個(gè)子問題或子任務(wù),并周期性地交流結(jié)果。(2)分布式系統(tǒng)(distributedsystem)。多機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)際上就是一個(gè)分布式系統(tǒng)的特例,因此分布式系統(tǒng)是解決多機(jī)器人系統(tǒng)問題的重要思想來源。(3)生物學(xué)(biology)。生物學(xué)中的螞蟻、蜜蜂及其他群居昆蟲的協(xié)作行為提供了有力的證據(jù):簡(jiǎn)單的智能體組成的系統(tǒng)能完成復(fù)雜的任務(wù)。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.2多機(jī)器人系統(tǒng)9.2.2多機(jī)器人系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容1.群體的體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)是多機(jī)器人系統(tǒng)的最高層部分和基礎(chǔ),多機(jī)器人之間的協(xié)作機(jī)制就是通過它來體現(xiàn)的,它決定了多機(jī)器人系統(tǒng)在任務(wù)分解、分配、規(guī)劃、決策及執(zhí)行等過程中的運(yùn)行機(jī)制以及系統(tǒng)各機(jī)器人成員擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧?如各機(jī)器人成員在系統(tǒng)中的相對(duì)地位如何,是平等、自主的互惠互利式協(xié)作還是有等級(jí)差別的統(tǒng)籌規(guī)劃協(xié)調(diào)。一般地,根據(jù)系統(tǒng)中是否有組織Agent為標(biāo)準(zhǔn),將體系結(jié)構(gòu)分為集中式控制和分布式控制。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.2多機(jī)器人系統(tǒng)9.2.2多機(jī)器人系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容1.群體的體系結(jié)構(gòu)1)集中式結(jié)構(gòu)集中式結(jié)構(gòu)以有一個(gè)組織Agent為特點(diǎn),由該Agent負(fù)責(zé)規(guī)劃和決策,其協(xié)調(diào)效率比較高,減少了協(xié)商的開銷,最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得最優(yōu)規(guī)劃。但它難以解決計(jì)算量大的問題,因此實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性較差,不適于動(dòng)態(tài)、開放的環(huán)境。2)分布式結(jié)構(gòu)分布式結(jié)構(gòu)沒有組織Agent,個(gè)體高度自治,每個(gè)機(jī)器人根據(jù)局部信息規(guī)劃自己的行為,并能借助于通信手段合作完成任務(wù),其所有Agent相對(duì)于控制是平等的,這種結(jié)構(gòu)較好地模擬了自然社會(huì)系統(tǒng),具有反應(yīng)速度快、靈活性高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),適用于動(dòng)態(tài)、開放的任務(wù)環(huán)境。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.2多機(jī)器人系統(tǒng)9.2.2多機(jī)器人系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容2.通信與協(xié)商為進(jìn)行合作,多Agent之間要協(xié)商。協(xié)商從形式上看是合作前或合作中的通信過程。因此,通信是多機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵。(1)通過環(huán)境實(shí)現(xiàn)交互。即以環(huán)境作為通信的媒體。(2)通過感知實(shí)現(xiàn)交互。機(jī)器人之間的距離在傳感器感知范圍之內(nèi)時(shí),可以相互感知到對(duì)方的存在,感知是一種局部的交互,機(jī)器人之間也沒有明確的通信。(3)通過明確的通信實(shí)現(xiàn)交互。機(jī)器人之間有明確的通信,包括直接型通信和廣播型通信。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.2多機(jī)器人系統(tǒng)9.2.2多機(jī)器人系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容3.學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)是系統(tǒng)不斷尋找或優(yōu)化協(xié)作控制參數(shù)正確值的一種手段,也是系統(tǒng)具有適應(yīng)性和靈活性的體現(xiàn)。因此,非常渴望多機(jī)器人系統(tǒng)能夠?qū)W習(xí),從而優(yōu)化控制參數(shù)完成任務(wù),且能適應(yīng)環(huán)境的變化。強(qiáng)化學(xué)習(xí)(reinforcementlearning)是多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)中經(jīng)常使用的一種學(xué)習(xí)方式。如果Agent對(duì)與之協(xié)作的其他Agent的意圖、行動(dòng)、能力和狀態(tài)等進(jìn)行建模,可使Agent之間的合作更有效。當(dāng)Agent具有對(duì)其他Agent行為進(jìn)行建模的能力時(shí),對(duì)通信的依賴也就降低了。4.建模與規(guī)劃北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.2多機(jī)器人系統(tǒng)9.2.2多機(jī)器人系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容5.防止死鎖與避免碰撞

多個(gè)Agent機(jī)器人在共同的環(huán)境中運(yùn)行時(shí),會(huì)產(chǎn)生資源(如時(shí)間和空間)沖突問題。Agent之間能否自發(fā)地產(chǎn)生合作,合作動(dòng)機(jī)是什么,是一個(gè)令人感興趣的問題。目前的多機(jī)器人系統(tǒng)研究中幾乎都是人為地假設(shè)了合作必然發(fā)生。6.合作7.多Agent機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)多Agent機(jī)器人控制器與傳統(tǒng)的機(jī)器人控制器有很大區(qū)別,它不僅要求較高的智能與自治控制能力,而且要有易于協(xié)作、集成為系統(tǒng)工作的機(jī)制與能力。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.2多機(jī)器人系統(tǒng)9.2.3多機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展趨勢(shì)通過機(jī)器人之間的合作,多機(jī)器人系統(tǒng)整體上能呈現(xiàn)出高級(jí)智能行為。而單個(gè)復(fù)雜機(jī)器人不一定能擁有這樣的智能行為,多機(jī)器人合作系統(tǒng)的研究可以從社會(huì)科學(xué)(組織原理、經(jīng)濟(jì)學(xué)等),生命科學(xué)(動(dòng)物行為學(xué)和心理學(xué)等)等學(xué)科領(lǐng)域得到有益的啟示,以更好地了解多機(jī)器人系統(tǒng)的內(nèi)在特性,發(fā)揮多機(jī)器人系統(tǒng)的潛在優(yōu)勢(shì),因此它的潛在應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。自動(dòng)化工廠：高效、高魯棒性的智能機(jī)器系統(tǒng)的協(xié)作可以擔(dān)負(fù)起人類的工作科學(xué)領(lǐng)域：利用系統(tǒng)內(nèi)機(jī)器人能力的冗余性提高完成任務(wù)的可能性,增強(qiáng)系統(tǒng)的性能教育及娛樂系統(tǒng)：機(jī)器人玩具、教育工具及娛樂系統(tǒng)越來越風(fēng)行遠(yuǎn)地作業(yè)：包括科學(xué)探險(xiǎn),高危環(huán)境下作業(yè)以及在水下培育作物、協(xié)助震后搜救與營救智能環(huán)境：利用計(jì)算機(jī)來改善日?；顒?dòng)的空間北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.3多機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)例:多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航9.3.1多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航簡(jiǎn)介多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航控制是指多個(gè)機(jī)器人編隊(duì)向目標(biāo)行進(jìn)過程中保持某些隊(duì)形,同時(shí)又要適應(yīng)環(huán)境約束的控制技術(shù);同時(shí)包括保持隊(duì)形,根據(jù)環(huán)境約束而變換隊(duì)形,以及驅(qū)動(dòng)機(jī)器人根據(jù)隊(duì)形需要到達(dá)指定位置的控制過程。多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航是多機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)同完成任務(wù)的前提,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國防和民用領(lǐng)域。多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)包括如下。多機(jī)器人協(xié)同定位路徑規(guī)劃多機(jī)器人通信合作編隊(duì)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.3多機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)例:多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航9.3.2多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航模型1.集中式:領(lǐng)導(dǎo)者—跟隨者(leader-follower)1)基本原理領(lǐng)導(dǎo)者—跟隨者編隊(duì)控制器有以下兩種形式。(1)l—ф控制器。根據(jù)距離與角度兩個(gè)量控制機(jī)器人的位置,該算法控制跟隨機(jī)器人與領(lǐng)隊(duì)機(jī)器人維持某個(gè)固定的距離與角度。(2)l—l控制器。利用三角形的幾何特性來控制機(jī)器人的位置,該算法考慮3個(gè)機(jī)器人,跟隨者與兩個(gè)領(lǐng)隊(duì)機(jī)器人之間達(dá)到某個(gè)固定距離,就認(rèn)為隊(duì)形穩(wěn)定。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.3多機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)例:多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航9.3.2多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航模型1.集中式:領(lǐng)導(dǎo)者—跟隨者(leader-follower)2)特點(diǎn)只要給定領(lǐng)導(dǎo)者機(jī)器人的行為或軌跡,就可以控制整個(gè)機(jī)器人群體的行為。給定領(lǐng)導(dǎo)者與跟隨者機(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),也就是形成不同的隊(duì)形。這種方法的不足之處在于系統(tǒng)中沒有明確的隊(duì)形反饋,如果領(lǐng)導(dǎo)者機(jī)器人前進(jìn)得太快,那么跟隨者機(jī)器人就有可能不能及時(shí)跟蹤,另外如果領(lǐng)導(dǎo)者機(jī)器人失效,那么整個(gè)隊(duì)形就無法保持。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.3多機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)例:多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航9.3.2多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航模型2.分布式:基于行為的編隊(duì)控制方法(behavior)基于行為的控制方法主要是通過對(duì)機(jī)器人基本行為以及局部控制規(guī)則的設(shè)計(jì)使得機(jī)器人群體產(chǎn)生所需的整體行為。1)基本原理基于行為的控制方法定義了一個(gè)包含機(jī)器人的簡(jiǎn)單基本行為的行為集,機(jī)器人的行為包括避障、駛向目標(biāo)和隊(duì)形保持、機(jī)器人在受到外界環(huán)境刺激做出反應(yīng)等。而行為決策則通過一定的機(jī)制綜合各行為的輸出,并將綜合結(jié)果作為機(jī)器人對(duì)環(huán)境刺激的反應(yīng)而輸出。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.3多機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)例:多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航9.3.2多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航模型2.分布式:基于行為的編隊(duì)控制方法(behavior)2)特點(diǎn)基于行為的隊(duì)形控制方法的優(yōu)點(diǎn)在于,當(dāng)機(jī)器人具有多個(gè)競(jìng)爭(zhēng)性目標(biāo)時(shí),可以很容易地得出控制策略。由于機(jī)器人根據(jù)其他機(jī)器人的位置進(jìn)行反應(yīng),所以系統(tǒng)中有明確的隊(duì)形反饋,易于實(shí)現(xiàn)分布式控制。缺點(diǎn)在于不能明確地定義群體行為,很難對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)分析,并且不能保證隊(duì)形的穩(wěn)定性等。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.3多機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)例:多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航9.3.2多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航模型3.虛擬結(jié)構(gòu)法(virtual

structure)1)基本原理設(shè)想把剛體上的某些點(diǎn)用機(jī)器人來代替,并以剛體上的坐標(biāo)系作為參考坐標(biāo)系,那么當(dāng)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)位置也就保持不變。也就是說,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)被稱為虛擬結(jié)構(gòu)。2)特點(diǎn)虛擬結(jié)構(gòu)法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了任務(wù)的描述與分配,用剛性結(jié)構(gòu)來描述隊(duì)形,具有較高的隊(duì)列控制精度,可以很容易地制定機(jī)器人群體的行為(虛擬結(jié)構(gòu)的行為),并可以進(jìn)行隊(duì)形反饋,取得較高精度的軌跡跟蹤效果;機(jī)器人之間沒有明確的功能劃分,不涉及復(fù)雜的通信協(xié)議。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》9.3多機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)例:多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航9.3.3多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航的應(yīng)用多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航是多機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)同完成任務(wù)的前提,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國防和民用領(lǐng)域。1.軍事機(jī)器人作戰(zhàn)群隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)逐漸由機(jī)械化戰(zhàn)