基于 Multi-Agent 的多機(jī)器人編隊(duì)控制摘要： 多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)調(diào)是當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。多移動(dòng)機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)與 合作將大大提高機(jī)器人行為的智能化程度，完成由單個(gè)機(jī)器人難以完成的更加復(fù)雜的作業(yè)。多 移動(dòng)機(jī)器人協(xié)調(diào)技術(shù)的研究對(duì)提高機(jī)器人的智能化水平及加快機(jī)器人的實(shí)用化進(jìn)程具有重要的 理論研究意義和實(shí)用價(jià)值。本文結(jié)合多智能體技術(shù)對(duì)多機(jī)器人編隊(duì)控制進(jìn)行了研究，同時(shí)根據(jù) 具體的多機(jī)器人系統(tǒng)，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證了多智能體技術(shù)在機(jī)器人編隊(duì)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用， 完成了小規(guī)模的編隊(duì)控制。關(guān)鍵詞： 多智能體；多機(jī)器人；編隊(duì)控制；協(xié)調(diào)控制；模糊控制Multi-robot Formation Control Based on Multi - AgentAbstract : The problem of multi-robot cooperation and coordination is central to mobile robotics. Cooperation and coordination will improve the intelligent performance of robots and can complete lots of impossible missions for single robot.The research on multi-robot cooperation and coordination is of great academic and applied significance. The multi-robot formation is developed combined with the multi-agent technology in this dissertation, and the simulation is done with the multi-robot system. The application of multi-agent is verified in the multi-robot formation control through a small system adopt the fomation control.Key words: Multi-agent ;Multi-robot ;Formation control;Coordination control; Fuzzycontrol1. 國內(nèi)外機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀自 80 年代末以來，基于多智能體系統(tǒng)理論研究多機(jī)器人協(xié)作受到了普遍的關(guān)注，從軍 事領(lǐng)域到工業(yè)與民用領(lǐng)域， 從星際探險(xiǎn)到海底考察， 從比賽到教學(xué)， 都取得了不同程度的進(jìn) 步。近年來，在IEEER&A,IROS等著名的國際機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議上，幾乎每次會(huì)議都有多智能 體協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)的專題。 一些機(jī)器人學(xué)術(shù)刊物出版了有關(guān)多智能體機(jī)器人的研究專輯。 些研究項(xiàng)目，如 ACTRESS,CEBOT,GOFER,SWARM已進(jìn)行了多年 。目前，國內(nèi)關(guān)于群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究剛剛起步，基本上還處于基礎(chǔ)技術(shù)的研究階段， 這方面的研究成果報(bào)道比較少。 中科院沈陽自動(dòng)化所機(jī)器人開放研究實(shí)驗(yàn)室是國內(nèi)研究多機(jī) 器人技術(shù)較早也較全面的科研單位。(1) CEBOT(Cellular Robotic System)CEBOT是一種自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng) (Self-Reconfigurable Robotic System)，它的研究是受生物 細(xì)胞結(jié)構(gòu)的啟發(fā)， 將系統(tǒng)中眾多的具有相同和不同功能的機(jī)器人視為細(xì)胞元， 這些細(xì)胞元可 以移動(dòng)，尋找和組合。根據(jù)任務(wù)或環(huán)境的變化， 細(xì)胞元機(jī)器人可以自組織成器官化機(jī)器人， 多個(gè)器官化機(jī)器人 可以進(jìn)一步自組織， 形成更加復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)。 細(xì)胞結(jié)構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)是單元體的組合 如何根據(jù)任務(wù)和環(huán)境的要求動(dòng)態(tài)重構(gòu)。 因此， 系統(tǒng)具有多變的構(gòu)型， 可以具有學(xué)習(xí)和適應(yīng)的 系統(tǒng)智能 (Group Intelligence) ，并具有分布式的體系結(jié)構(gòu) 3。(2) ALLANCE/L-ALLANCE 系統(tǒng)ALLIANCE是由美國學(xué)者 Parker提出的用于研究異質(zhì)、中小規(guī)模、獨(dú)立性強(qiáng)的、疏松配合關(guān)系的機(jī)器人協(xié)調(diào)的一種結(jié)構(gòu)。通過傳感器信息和精確的廣播(Broadcast式通訊)來感知自身的行動(dòng)效應(yīng)和其他機(jī)器人的行動(dòng)。每個(gè)機(jī)器人是基于行為控制的。L-ALLIANCE是該結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展，通過再勵(lì)學(xué)習(xí)來調(diào)整行為控制器的參數(shù)。(3) Cooperative Robotics實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)美國Oak Ridge國家實(shí)驗(yàn)室的 Lynne E.Parker博士在多 Age nt協(xié)作、自主Agent體系結(jié)構(gòu)、 多Age nt通訊等方面做了許多工作1117。例如人機(jī)協(xié)作，移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作，多Age nt協(xié)作, 智能Age nt體系等。他們研究的協(xié)作機(jī)器人是集成了感知、推理動(dòng)作的智能系統(tǒng)，著重研究在環(huán)境未知且在任務(wù)執(zhí)行過程中環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的情況下，機(jī)器人如何協(xié)作完成任務(wù)。(4) Socially Mobile和 The Nerd Herd 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)美國USC大學(xué)的學(xué)者如 M.J.Mataric等在基于行為的多機(jī)器人協(xié)作方面做了許多工作。他們采用自下而上的路線，基于行為的方式研究分析、設(shè)計(jì)機(jī)器人群行為的表現(xiàn)，在多機(jī)器人學(xué)習(xí)、群體行為、協(xié)調(diào)與協(xié)作等方面展開工作3。(5) 中科院沈陽自動(dòng)化所機(jī)器人開放研究實(shí)驗(yàn)室主要面向發(fā)展具有感知、思維和動(dòng)作能力的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)，研究機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)理論方法、關(guān)鍵技術(shù)、機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)和機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)。我國機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域著名科學(xué)家蔣新松院士曾任實(shí)驗(yàn)室主任。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)任主任為沈陽自動(dòng)化研究所所長王越超研究員。圖 1.1 CEBOT(Cellular Robotic System)圖 1.2Cooperative Robotics 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的圖1.3沈陽自動(dòng)化所多機(jī)器人系統(tǒng)CESAR Emperor2多智能體系統(tǒng)的分類Age nt作為智能計(jì)算實(shí)體，能自主完成一定任務(wù)。但是，實(shí)際中所有的系統(tǒng)都是分布式的，個(gè)體的知識(shí)、能力都是有限的，面對(duì)一些復(fù)雜的問題，如具有分布式數(shù)據(jù)或知識(shí)，或要 求分布式控制的系統(tǒng)，不得不采用多個(gè)Age nt協(xié)作系統(tǒng)。通過適當(dāng)?shù)捏w系結(jié)構(gòu)將個(gè)體組織起 來，不僅能夠彌補(bǔ)個(gè)體的不足，而且能使整個(gè)系統(tǒng)的能力超過任何單個(gè)個(gè)體的能力，這樣的系統(tǒng)稱為多智能體系統(tǒng) （Multi-Agent System， MAS）。多智能體系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要研究如何將多個(gè)單智能體組織為一個(gè)群體并使各個(gè)智能 體有效地進(jìn)行協(xié)調(diào)合作，從而產(chǎn)生總體解決問題的能力。多智能體系統(tǒng)是由大量具有環(huán)境觀 察、任務(wù)規(guī)劃和操作功能的智能體組成。為了把這些智能體組織成一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，來有效的完成某些預(yù)定任務(wù)， 需要一個(gè)合適的控制結(jié)構(gòu)。 多智能體系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)可從不同的角度 來劃分。2.1根據(jù)系統(tǒng)中智能體之間的相對(duì)關(guān)系來劃分按照系統(tǒng)中多智能體之間的相對(duì)關(guān)系，通常多智能體系統(tǒng)可以分為如下幾種結(jié)構(gòu)： （1 ）完全型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通信對(duì)等和信息的局部化是該類型結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)體系要求各智能體均具有通信和控制功能模塊，并且要保存系統(tǒng)內(nèi)所有智能體成員的信息和知識(shí)，還要求保持所有智能體之間的通訊鏈路。 對(duì)于解決復(fù)雜的問題、 或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)來說， 完全型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系的效率會(huì)大大降低，并呈現(xiàn)出一種無組織的狀態(tài)2O（2 ）層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在該類型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，智能體被分為不同的層次，在同一層上的智能體彼此不能夠直接 進(jìn)行通信，而需要經(jīng)過其上一層智能體來完成。上一層智能體負(fù)責(zé)其下一層智能體的決策和控制。該結(jié)構(gòu)中智能體不需要保存系統(tǒng)內(nèi)所有的智能體信息，只需要保存下一層智能體的相關(guān)信息和知識(shí)，該結(jié)構(gòu)盡管在通信上不如完全網(wǎng)絡(luò)型簡略，但結(jié)構(gòu)層次分明，管理方便2（3 ）聯(lián)盟型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)的智能體按照某種方式（通常按照距離遠(yuǎn)近、 智能體功能等）來劃分為不同的智能體聯(lián)盟。在各聯(lián)盟內(nèi)部都存在一個(gè)協(xié)助智能體，它負(fù)責(zé)不同聯(lián)盟之間的通信。不同聯(lián)盟之間處于對(duì)等的關(guān)系，類似于完全網(wǎng)絡(luò)型各智能體之間的關(guān)系2。圖2.2層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖2.3聯(lián)盟型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2.2從多智能體協(xié)調(diào)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)來劃分多智能體協(xié)調(diào)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行協(xié)調(diào)合作任務(wù)的基礎(chǔ)，決定了系統(tǒng)的能力和局限性。多智能體協(xié)調(diào)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分為集中式(Centralized)、分散式(Decentralized)和分布式(Distributed)三種。協(xié)調(diào)(Coordination)是指智能體對(duì)自己的局部行為進(jìn)行推理，并估計(jì)其他智能體的行為，以保證協(xié)作行為以連貫的方式進(jìn)行的一個(gè)過程。(1) 集中式(Centralized)控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由一個(gè)智能體集中控制整個(gè)系統(tǒng)，它是一種規(guī)劃與決策的自上而下Top-Down式的層次控制結(jié)構(gòu)，其層的數(shù)量和復(fù)雜性決定了系統(tǒng)響應(yīng)所需的時(shí)間和行為決策的質(zhì)量。系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性較好，但實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性較差，對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)能力差，集中式系統(tǒng)由一個(gè)核心智能體和多個(gè)與之在結(jié)構(gòu)上分散的、獨(dú)立的協(xié)作智能體構(gòu)成。核心智能體負(fù)責(zé)任務(wù)的動(dòng)態(tài)分配與資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度，協(xié)調(diào)各協(xié)作智能體間的競爭與合作。該類系統(tǒng)較易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理、控制和調(diào)度。分散式(Decentralized)控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各智能體具有高度智能自治能力，各智能體自行處理信息、自行規(guī)劃與決策、自行執(zhí)行自己的任務(wù)，與其它智能體相互通訊來協(xié)調(diào)各自行為而沒有任何集中控制單元這種結(jié)構(gòu)有較好的容錯(cuò)能力和可擴(kuò)展性，但對(duì)通訊要求較高(多邊通信)，且多邊協(xié)商效率較低(各有各的算法，思路不統(tǒng)一)，無法保證全局目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。分布式(Distributed)控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)其介于上述兩者之間，是一種全局上各智能體等同的智能分布一分層式結(jié)構(gòu)而局部集中 的結(jié)構(gòu)方式。這種結(jié)構(gòu)方式是分散式的水平交互與集中式的垂直控制相結(jié)合的產(chǎn)物，其由彼此獨(dú)立、完全平等、無邏輯上的主從關(guān)系的、能夠自律的一組智能體構(gòu)成。各智能體按預(yù)先 規(guī)定的協(xié)議，根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)、狀態(tài)與自身的狀態(tài)、能力、資源和知識(shí)，利用通信網(wǎng)絡(luò)相互 間協(xié)商與談判，確定各自的任務(wù)，協(xié)調(diào)各自的行為活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)資源、知識(shí)、信息和功能的共 享，協(xié)作完成共同的任務(wù)以達(dá)到整體目標(biāo)。在該類系統(tǒng)中，各智能體在結(jié)構(gòu)和功能上彼此獨(dú)立，都以同樣的方式通過網(wǎng)絡(luò)通信相互發(fā)生關(guān)系，具有良好的封裝性，因此使系統(tǒng)具有很好的容錯(cuò)性、開放性和擴(kuò)展性。既提高了協(xié)調(diào)效率，又不影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性、容錯(cuò)性 和擴(kuò)展性5。圖2.4集中式、分散式、分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3多機(jī)器人控制系統(tǒng)模型系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)明確了系統(tǒng)中具有不同職能的個(gè)體相互間的控制關(guān)系。與MAS體系結(jié)構(gòu)相同，多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)也分為集中和分散兩種類型，其中分散式又可分為分層式和分布式。為了實(shí)現(xiàn)多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和靈活的控制，借鑒MAS體系結(jié)構(gòu)的研究，這里設(shè)計(jì)了一種多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)模型。圖3.1智能控制器結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的上層是由中央控制器、避障模塊、多移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃、任務(wù)規(guī)劃模塊、人機(jī)界面和通訊模塊組成。它的核心是中央控制器， 它負(fù)責(zé)調(diào)用其它的智能體以及對(duì)其各個(gè)智能體進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。下層是具有一定智能的各個(gè)機(jī)器人組成。中央控制器由四個(gè)系統(tǒng)（知識(shí)庫系統(tǒng)、模型庫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及總控系統(tǒng)）構(gòu)成。其 中總控系統(tǒng)控制著其它三個(gè)系統(tǒng)的連接與調(diào)用。知識(shí)庫系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中取得事實(shí)進(jìn)行推理,從而決定從模型庫中調(diào)用何種模型進(jìn)行計(jì)算并確定模型中的一些參數(shù)。選定的模型從數(shù) 據(jù)庫中獲得初始數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算并將運(yùn)算結(jié)果送回?cái)?shù)據(jù)庫。4. 多機(jī)器人系統(tǒng)中的信息交互在目前的多機(jī)器人系統(tǒng)中，由于考慮到現(xiàn)場的復(fù)雜性與系統(tǒng)的靈活性，普遍采用無線通信來完成多機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)交互。在無線通信領(lǐng)域存在有多種通訊方式，各種通訊方式有各自的特點(diǎn)，根據(jù)具體的通訊系統(tǒng)， 采用不同的無線通訊手段。 在我們?cè)囼?yàn)系統(tǒng)中采用的是 無線局域網(wǎng)（WLAN）,無線局域網(wǎng)利用了無線多址信道和寬帶調(diào)制技術(shù)來提供統(tǒng)一的物理層 平臺(tái)，并以此來支持計(jì)算機(jī)和相關(guān)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，并為通信的移動(dòng)化、個(gè)性化和多媒體應(yīng)用提供了可能。因此在多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制中，無線局域網(wǎng)完全能滿足通訊與可靠性的要 求。4.1無線局域網(wǎng)絡(luò)無線局域網(wǎng)的設(shè)備通常有以下幾種：無線網(wǎng)卡（終端）、無線接入點(diǎn)（Access Point接入端）、無線網(wǎng)橋（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸設(shè)備）圖4.1基于無線網(wǎng)橋的無線局域網(wǎng)設(shè)置該系統(tǒng)是以對(duì)Pio neer 3 H8-AT機(jī)器人的改造基礎(chǔ)上形成的HEBUT2機(jī)器人和另一臺(tái)同結(jié)構(gòu)的機(jī)器人為平臺(tái)進(jìn)行研究的。本系統(tǒng)中的各機(jī)器人之間的通信系統(tǒng)是建立在以WLAN為基礎(chǔ)，利用基站和多移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通訊。在我們的多機(jī)器人系統(tǒng)中，我們采用了 802.11b協(xié)議，具體的協(xié)議定義與通信幀的結(jié)構(gòu) 可以參考802.11b的國際標(biāo)準(zhǔn)。在無線通信的建立上可以借助與多種專用的軟件來編程實(shí) 現(xiàn)，在我們的系統(tǒng)中采用了另外一種方法，即在Visual C+環(huán)境下應(yīng)用WINSOCK控件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程。WINSOCK控件提供了訪問TCP和UDP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的方便途徑。采用TCP協(xié)議可以提供雙向的、可靠的、有序的和無重復(fù)投遞的數(shù)據(jù)流。TCP允許創(chuàng)建和維護(hù)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的連接，連接兩臺(tái)計(jì)算機(jī)就可彼此進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。用戶數(shù)據(jù)文報(bào)協(xié)議(UDP)是一個(gè)無連接協(xié)議。采用UDP協(xié)議，支持雙向的數(shù)據(jù)流，但計(jì)算機(jī)并不建立連接，不保證有序、可靠或無重復(fù) 的投遞。在使用中，采用TCP協(xié)議的編程模型應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)槊嫦蜻B接協(xié)議提供了一系列的數(shù)據(jù)糾錯(cuò)功能，可以保證在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)及時(shí)、無誤地到達(dá)對(duì)方，In ternet上的多數(shù)服務(wù)(WWW、FTP、Telnet、SMTP)就是靠此協(xié)議運(yùn)轉(zhuǎn)的。采用UDP協(xié)議由于不用建立TCP和連接，傳輸比連接協(xié)議快，無數(shù)據(jù)糾錯(cuò)功能，不保證數(shù)據(jù)的可靠傳遞。比較上述的UCP兩種通信協(xié)議后，本項(xiàng)目采取了TCP協(xié)議進(jìn)行通信。4.2 WINSOCK使用的主要函數(shù)Server端使用的主要函數(shù)：Bind()函數(shù)指定用于 TCP連接的 LocalPort和 LocalIPoListe n()函數(shù)設(shè)置偵聽模式。該方法僅適用于TCP連接。Accept。在處理ConnectionRequest事件時(shí)用這個(gè)方法接受新連接。Sen dData()用于數(shù)據(jù)的發(fā)送。Close(關(guān)閉與對(duì)方的連接。Client端使用的主要函數(shù)：Conn ect()要求連接到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。GetData()得到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)。Server圖4.2 WINSOCK通信流程4.3無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)利用 WLAN建立的通信是建立在 TCP/IP協(xié)議棧上的應(yīng)用層的協(xié)議， 協(xié)議中的主要是利用底層的TCP/IP協(xié)議規(guī)定特定格式的字符串，這些字符中包含著：各機(jī)器人的當(dāng)前的狀態(tài)信息；主控端對(duì)各機(jī)器人的遙操作信息；各機(jī)器人上的傳感器信息。包括了兩組共6個(gè)顏色傳感器的開關(guān)量信息，以及車體上的兩組共 6個(gè)超聲傳感器返回的測(cè)距信息。還包括了 GPS接收機(jī)接收到的位置信息，以及條碼傳感器采集回來的位置信息等內(nèi)容。4.4在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用多移動(dòng)機(jī)器人的通信系統(tǒng)中分為了移動(dòng)機(jī)器人端和控制臺(tái)端兩部分。但在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上， 移動(dòng)機(jī)器人端為服務(wù)器端(server),而控制臺(tái)端為客戶端(client),這中分配方式的原因有 以下幾點(diǎn)。移動(dòng)機(jī)器人端的 PC 一旦啟動(dòng)后就沒有辦法在對(duì)其進(jìn)行操作了。由于移動(dòng)機(jī)器人的移 動(dòng)端PC并沒有安裝顯示器，以及鍵盤鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，所以一旦開啟PC后，移動(dòng)機(jī)器人 自動(dòng)進(jìn)入 WINME 操作系統(tǒng)，然后自動(dòng)啟動(dòng)編寫好的程序，等待終控端的連接，所以要將移 動(dòng)端作為 server 端。移動(dòng)機(jī)器人通信系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。 移動(dòng)機(jī)器人的通信系統(tǒng)中可涉及的通信對(duì)象并不只 有一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人， 所以控制端的連接要有選擇性， 通信也要有選擇性。 終控端可以同時(shí)連 接多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人，并進(jìn)行多機(jī)的同時(shí)控制。5. 多機(jī)器人系統(tǒng)編隊(duì)避障控制所謂隊(duì)形控制就是指多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人在前進(jìn)的過程中,保持某種隊(duì)形 ,同時(shí)又要適應(yīng)環(huán)境（例如障礙物 ）約束的控制技術(shù)。 隊(duì)形保持控制一般分為兩步 :首先根據(jù)當(dāng)前環(huán)境確定各機(jī)器人 的目標(biāo)位置； 然后根據(jù)一定的控制策略生成控制命令， 驅(qū)動(dòng)機(jī)器人以一定隊(duì)形駛向目標(biāo)位置。路徑規(guī)劃主要涉及的問題包括：利用獲得的移動(dòng)機(jī)器人環(huán)境信息建立較為合理的模型 , 再用某種算法尋找一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或近似最優(yōu)的無碰撞路徑； 能夠處理環(huán) 境模型中的不確定因素和路徑跟蹤中出現(xiàn)的誤差,使外界物體對(duì)機(jī)器人的影響降到最??；如何利用已知的所有信息來引導(dǎo)機(jī)器人的動(dòng)作,從而得到相對(duì)更優(yōu)的行為決策4。5.1 幾種常見的編隊(duì)控制策略 2 多移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃問題不單純是單個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃問題的延伸,還要考慮多移動(dòng)機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)、 編隊(duì)避障 （機(jī)器人可能成為其他機(jī)器人的障礙）等 ,因而使問題更加復(fù)雜。1. 跟隨領(lǐng)航者法 跟隨領(lǐng)航者法的基本思想是： 在多移動(dòng)機(jī)器人組成的群體中， 某個(gè)機(jī)器人被指定為領(lǐng)航 者，其余作為它的跟隨者， 跟隨者以一定的距離跟蹤領(lǐng)航機(jī)器人的位置和方向。 對(duì)該方法進(jìn) 行拓展，可以指定一個(gè)領(lǐng)航者， 也可以指定多個(gè)領(lǐng)航者， 但群體隊(duì)形的領(lǐng)航者只有一個(gè)，這 與一個(gè)步兵班在進(jìn)攻中可以劃分為若干戰(zhàn)斗小組是類似的。 根據(jù)領(lǐng)航者與跟隨機(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)， 即形成不同的隊(duì)形。 該方法中， 協(xié)作是通 過共享領(lǐng)航機(jī)器人的狀態(tài)等信息實(shí)現(xiàn)的。跟隨領(lǐng)航者法的優(yōu)點(diǎn)是， 僅僅給定領(lǐng)航者的行為或軌跡就可以控制整個(gè)機(jī)器人群體的行 為。該方法的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)中沒有明確的隊(duì)形反饋，例如，如果領(lǐng)航機(jī)器人前進(jìn)得太快， 那么跟隨機(jī)器人就有可能不能及時(shí)跟蹤。 另一個(gè)缺點(diǎn)是如果領(lǐng)航機(jī)器人失效， 那么整個(gè)隊(duì)形 就會(huì)無法保持。2. 基于行為法 基于行為法的基本思想是： 首先為機(jī)器人規(guī)定一些期望的基本行為， 一般情況下， 機(jī)器 人的行為包括避碰、 避障、駛向目標(biāo)和保持隊(duì)形等。 當(dāng)機(jī)器人的傳感器受到外界環(huán)境刺激時(shí)， 機(jī)器人根據(jù)傳感器的測(cè)得的信息作出反應(yīng)， 改變自身的運(yùn)動(dòng)方向和速度。 行為選擇模塊通過 一定的機(jī)制來綜合各行為的輸出， 并將綜合結(jié)果作為機(jī)器人當(dāng)前的行為輸出。 該方法中， 協(xié) 作是通過共享機(jī)器人之間的相對(duì)位置、 狀態(tài)等信息實(shí)現(xiàn)的。 對(duì)該方法的拓展和改進(jìn)主要體現(xiàn) 在對(duì)各行為輸出的處理上，即行為選擇機(jī)制上。3. 虛擬結(jié)構(gòu)法 假想將剛體上的某些點(diǎn)用機(jī)器人代替， 并以剛體上的坐標(biāo)系統(tǒng)作為參考坐標(biāo)系， 那么剛 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)位置也保持不變， 即機(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)稱為虛擬結(jié)構(gòu)。 雖然每個(gè)機(jī)器人相對(duì)于參考系統(tǒng)位置不變， 但它仍可以一定的自由度來改變自己的方向。 多 移動(dòng)機(jī)器人以剛體上的不同點(diǎn)作為各自的跟蹤目標(biāo)就可以形成一定的隊(duì)形2 。5.2 多機(jī)器人編隊(duì)策略本文選用的是美國 ActivMedia公司生產(chǎn)的Pioneer 3 H8-AT機(jī)器人，它有四個(gè)橡膠輪胎，同側(cè)輪是由一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，類似與履帶式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。因此可以將其簡化成兩輪移動(dòng)載體 模型，且兩輪同軸而且位于車體的中心位置。Pioneer 3移動(dòng)機(jī)器人上裝有顏色傳感器、 條碼傳感器、路徑跟蹤 CCD監(jiān)視CCD,它們 負(fù)責(zé)環(huán)境感知信號(hào)的采集；視頻傳輸模塊將 CCD的AN信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)視器上，可以遠(yuǎn)程監(jiān) 視；無線網(wǎng)卡負(fù)責(zé)移動(dòng)機(jī)器人和外界的數(shù)據(jù)通 信。Pioneer 3 H8-AT移動(dòng)機(jī)器人的下位機(jī) MCU 承擔(dān)了底盤驅(qū)動(dòng)和傳感信號(hào)采集的工作，并將各種信息傳輸給上位機(jī)，待上位機(jī)處理以后， 再將輸出的信息通過串口通信送往底層控制， 以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的兩輪驅(qū)動(dòng)。控制策略：本文是以 Pioneer 3移動(dòng)機(jī)器 人改造后的HEBUT2機(jī)器人作為領(lǐng)航機(jī)器人， 它要一直沿著一根寬度為 56cm的紅色的軌 跡運(yùn)動(dòng)到一個(gè)目標(biāo)位置，另一機(jī)器人一定的距 離跟蹤領(lǐng)航機(jī)器人的位置和方向。CCD另一種方案領(lǐng)航機(jī)器人用于路徑跟蹤的傳感器有兩種方案: 是顏色傳感器和條碼傳感器組合。當(dāng)使用路徑跟蹤 CCD時(shí)，運(yùn)用 圖像處理的方法從 CCD采集的圖像 信息中提取出路徑，經(jīng)過 CCD坐標(biāo) 和車體坐標(biāo)的換算得出移動(dòng)機(jī)械手 相對(duì)與車體的偏航角，進(jìn)而由程序處 理發(fā)出糾偏指令，移動(dòng)載體進(jìn)行糾 偏。再通過路徑上所貼的不同顏色的 路標(biāo)進(jìn)行定位。其優(yōu)點(diǎn)是糾偏量合 理，路徑跟蹤軌跡圓滑，但精度較差， 且易受光線影響。圖5.1經(jīng)改裝后的Pioneer 3移動(dòng)機(jī)器人一種方案是路徑跟蹤路徑圖5.2顏色傳感器與條形碼傳感器顏色和條碼傳感器組合的方案中，顏色傳感器使用的是KEYENCE司的CZ-V1,CZ-10它對(duì)顏色的辨識(shí)準(zhǔn)確、誤報(bào)率低、運(yùn)行可靠。選用兩組對(duì)路徑進(jìn)行辨識(shí)，當(dāng)機(jī)器人偏差較大時(shí)，顏色變化引起傳感器 I/O輸出量變化，主機(jī) PC檢測(cè)到后程序糾偏，完成巡跡。條形碼 傳感器主要是起定位的作用，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到條形碼的上方時(shí)，條碼掃描器掃中條碼同時(shí)將條碼的內(nèi)容通過串口發(fā)給主機(jī)，主機(jī)解析條碼的內(nèi)容來做出相應(yīng)的動(dòng)作。其優(yōu)點(diǎn)是跟蹤準(zhǔn)確，不易受干擾，但跟蹤軌跡成“之”字形比較嚴(yán)重。在實(shí)際使用中，采取兩種方式結(jié)合使用， 取其優(yōu)勢(shì)，視現(xiàn)場情況而定。多移動(dòng)機(jī)器人隊(duì)形控制中應(yīng)該做到：隊(duì)列向目標(biāo)區(qū)域運(yùn)動(dòng)時(shí)盡量保持隊(duì)形（除非隊(duì)列中有機(jī)器人遇到障礙物）；機(jī)器人在遇到障礙物后，先進(jìn)行避障，然后恢復(fù)隊(duì)形并要求時(shí) 間盡可能的短，恢復(fù)隊(duì)形后再向目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)。5.3多機(jī)器人編隊(duì)控制算法本課題采用了閉環(huán)1-2編隊(duì)控制算法。I為兩機(jī)器人之間的相對(duì)距離，“為兩機(jī)器人間的相對(duì)角度。算法的中心思想是將機(jī)器人間的I和“保持在一個(gè)固定的值1。ROBOT1 是 leader,ROBOT2是 follower。那么，ROBOT2跟隨 ROBOT1 運(yùn)動(dòng)。每臺(tái)機(jī)器人的位姿為（xi,yi, Bi），它們就是機(jī)器人的參考原點(diǎn)的坐標(biāo)，已在全局坐標(biāo)系中表示出來。0是全局坐標(biāo)系原點(diǎn)。機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)位于中心軸上兩驅(qū)動(dòng)輪的中心位置。R0B0T1和R0B0T2的兩參考原點(diǎn)間的直線距離就是兩機(jī)器人間的距離I，d表示參考點(diǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)間在中心軸線上的直線距離。線速度的正方向?yàn)闄C(jī)器人前行的方向，角速度的正方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。R0B0T1LiRDBQI2圖5.3兩個(gè)機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型對(duì)于第i號(hào)機(jī)器人來說，它本地的狀態(tài)變量（xi,yi,vi, 3 i）是從定位線程得到的，而它所得到的其他機(jī)器人的信息（xj,yj, 0 j,vj, 3 j）（j工i）是通過無限網(wǎng)卡傳輸過來的。跟隨機(jī)器人將自己與領(lǐng)航機(jī)器人間的相對(duì)參數(shù)（I, “）以及系統(tǒng)所期望的理想之（Id, W d）之差反饋于機(jī)器人自身，再通過比例控制器將這一反饋信息作用于自身的速度（v）和角速度（3 ），從而完成跟隨控制。5.4恢復(fù)隊(duì)形階段的路徑規(guī)劃當(dāng)隊(duì)形被嚴(yán)重打亂時(shí)，隊(duì)列的首要任務(wù)是快速恢復(fù)隊(duì)形。保持隊(duì)形的控制方法雖然可以保證隊(duì)形收斂到目標(biāo)隊(duì)形，但所需的恢復(fù)時(shí)間較長，因此需要尋找更有效的控制方法以保證隊(duì)形快速恢復(fù)。顯然，隊(duì)列恢復(fù)隊(duì)形所需的時(shí)間就是隊(duì)列中最后到達(dá)局部目標(biāo)位姿的機(jī)器人 所花費(fèi)的時(shí)間。因此本論文將快速恢復(fù)隊(duì)形問題轉(zhuǎn)化為尋找各機(jī)器人局部目標(biāo)位姿問題，使得各機(jī)器人從當(dāng)前位姿運(yùn)動(dòng)到對(duì)應(yīng)局部目標(biāo)位姿的最長時(shí)間最短5。記R（i=1,2, ,n）當(dāng)前位姿為Qi，局部目標(biāo)位姿 Giq,最終位姿Qi*。顯然，當(dāng)隊(duì)列恢復(fù)隊(duì)形 時(shí)，各機(jī)器人的局部目標(biāo)位姿受到I-W編隊(duì)參數(shù)的約束，故只要確定隊(duì)列中一個(gè)機(jī)器人的局部目標(biāo)位姿，即可得到其他機(jī)器人的局部目標(biāo)位姿。本文直接規(guī)劃R的局部目標(biāo)位姿 Qig,其他機(jī)器人的局部目標(biāo)位姿Qig可根據(jù)Qig計(jì)算得到。5.5多機(jī)器人編隊(duì)中避障控制本論文使用了一種基于模糊邏輯的移動(dòng)機(jī)器人“感知一動(dòng)作”行為控制的新方法利用模糊邏輯來融合多個(gè)“感知一動(dòng)作”行為，來改善系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。模糊控制的核心部分為模糊控制器。模糊控制器的控制規(guī)則由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)，微機(jī)通過采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)E（在此取誤差反饋）。一般誤差信號(hào) E作為模糊控制器的輸入量。把誤差信號(hào)E的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量，誤差E的模糊量可用響應(yīng)的模糊語言表示。至此，得到了誤差E的模糊語言集合的一個(gè)子集e（e實(shí)際上是一個(gè)模糊向量）。再由e和模糊控制規(guī)則 R模糊關(guān)系）根據(jù)推理合成規(guī)則 進(jìn)行決策，得到模糊控制量u.以下給出了移動(dòng)機(jī)器人的模糊邏輯控制方案，即所選取的模糊控制器的輸入輸出變量,得到移動(dòng)機(jī)器人左該機(jī)器人是通過安裝在機(jī)器人前端的多超聲傳感器陣列來獲取環(huán)境信息， 側(cè)、右側(cè)的障礙物距離信息。輸出變量是機(jī)器人在前進(jìn)方向上的旋轉(zhuǎn)角度。模糊控制器左側(cè)距離信息右側(cè)距離儁息模糊星化反模糊化機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角度圖5.4模糊邏輯模型與控制方案5.5.1輸入量模糊化(1) 設(shè)距離信號(hào)的模糊語言變量值的集合為：近，中，遠(yuǎn)，簡化表示為：ND, MD，LD(2) 根據(jù)超聲傳感器的實(shí)測(cè)距離，輸入距離信號(hào)的實(shí)際論域?yàn)閄* 500，1500毫米；采用線性變換：x=1/100x*-10取計(jì)算論域?yàn)閤 -5，5。(3) 左、右兩側(cè)輸入距離的模糊語言隸屬度函數(shù)如圖5.5所示：5-4-32“0 I 2345圖5.5輸入距離的隸屬度函數(shù)隸屬 規(guī)則-5-4-3-2-1012345ND10.80.60.40.2000000MD00.20.40.60.810.80.60.40.20LD0000000.20.40.60.81表1.輸入距離量隸屬度規(guī)則5.5.2輸岀量模糊化設(shè)輸出的模糊語言集合如下：右轉(zhuǎn)，稍微右轉(zhuǎn)，前進(jìn)，稍微左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)簡化表示為：TR, TRL, GA, TLL TL移動(dòng)機(jī)器人的輸出變量即旋轉(zhuǎn)角度的實(shí)際論域?yàn)?30 , 30，單位是度，且向左轉(zhuǎn)為正方向；采用線性變換，y=215y*取計(jì)算論域?yàn)?4 , 4。角度輸出的模糊語言隸屬度函數(shù)如圖4.11所示：TRTRLGA TLLTL432101234圖5.6輸出變量隸屬度函數(shù)規(guī)則-4-3-2-101234TR10.50000000TRL00.510.500000GA0000.510.5000TLL000000.510.50TL00000000.51表2.輸出角度隸屬規(guī)則表5.5.3最終的模糊控制規(guī)則用Rd表示機(jī)器人右側(cè)與障礙物的距離；Ld表示機(jī)器人左側(cè)與障礙物的距離；U表示輸出。機(jī)器人的避障規(guī)則如表 3所示，根據(jù)模糊輸入的輸出控制如表4所示:DRUDLNDMDLDNDTRLTLLTLMDTRLGATLLLDTRTRLGA表3.避障模糊控制規(guī)則-5-4-3-2-1012345-5-11222333444-4-1-1122233344-3-1-1012223334-2-2-1-101222333-1-2-2-1-101122330-3-2-2-1-10112231-3-3-2-2-1-1011222-3-3-3-2-2-2-101123-4-3-3-3-2-2-2-10114-4-4-3-3-3-2-2-2-1005-4-4-4-3-3-3-2-2-2-10表4.輸入輸出模糊控制規(guī)則5.6去模糊化去模糊化的方法很多，常用的有最大隸屬度法、加權(quán)平均法、取中位數(shù)法等，本文采用了加權(quán)平均法。例如：Ld輸入為1000 ( mm) ,Rd輸入為900 ( mm),根據(jù)x=1/100x*-10轉(zhuǎn)換到計(jì)算論域中為， X左=0, X右=-1。則查表4可以得到輸出角度的模糊變量為1，輸出向量為0 , 0, 0.5, 0.5 ,0, TR, TRL，GA, TLL，TL對(duì)應(yīng)角度為-30，-15 ° 0 °, 15 ° 30 °。應(yīng)用加權(quán)平均法，可得：*Ty = -30 , °15 ° 0° 15 ° 300, 0, 0.5, 0.5, 0y =7.5°,表示機(jī)器人向左轉(zhuǎn) 7.56. 仿真結(jié)果與試運(yùn)行狀態(tài)在本論文中，實(shí)際使用了 Pion eer 3 H8-AT型智能移動(dòng)機(jī)器人前方的六個(gè)超聲傳感器，把它們分成了左組和右組，選取每組中的最小的一個(gè)數(shù)值作為輸入。因此，在仿真實(shí)驗(yàn)中機(jī)器人按照實(shí)際的移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)置，分別在機(jī)器人的左前和右前位置上布置了相同的超聲傳感 器，這樣就可以探測(cè)到機(jī)器人前方的比較完全的信息。由于實(shí)際的機(jī)器人有盲區(qū)問題，而在仿真中的超聲波傳感器的測(cè)距范圍是0,+,所以在仿真中傳感器的檢測(cè)范圍按照實(shí)際值設(shè)置為0.5, 1.5(單位：米)。在多移動(dòng)機(jī)器人以一定的隊(duì)形移動(dòng)的控制中，主要是利用閉環(huán) 1-2控制算法來實(shí)現(xiàn)的。其中機(jī)器人的避障行為，是通過建立模糊規(guī)則設(shè)計(jì)了模糊控制器來 實(shí)現(xiàn)的。(1) 單個(gè)機(jī)器人避障行為的仿真，如圖6.1所示。(2) 在無障礙物的環(huán)境下，兩機(jī)器人以l=1m, 2 =30度的隊(duì)形移動(dòng)的仿真結(jié)果，如圖6.2所示。恃厲拈果(I I迅，日?qǐng)D6.1單機(jī)器人避障行為仿真扮止純槊I I)I 1 a ROBOT2RflEOTL-./ 卜7 1怙盤蛉杲I 2 1圖6.2多機(jī)器人避障行為仿真本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的路徑跟蹤、避障行為（圖6.3所示）以及解死鎖等行為，并能夠?qū)崿F(xiàn)良好的人機(jī)交互，完成復(fù)雜的任務(wù)。圖6.3實(shí)驗(yàn)機(jī)器人在障礙環(huán)境中7總結(jié)體會(huì)多移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的一種大的趨勢(shì)，它將對(duì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展帶來很大的變革，多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)、國防等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用背景，目前多移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究己經(jīng)成為國際學(xué)術(shù)前沿的研究熱點(diǎn)。作為當(dāng)前人工智能領(lǐng)域中研究熱點(diǎn)的 MAS理論，以Age nt為其核心概念，研究MAS如何通過Age nt間的協(xié)調(diào)與協(xié)作完成復(fù)雜任務(wù)，特別是分布式任務(wù)。本論文的研究工作主要從多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的高層組織與規(guī)劃著手，以全局觀念研究多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)調(diào)協(xié)作機(jī)制以及其它問題，解決了多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)研究中的一些問題。 同時(shí)，也看到了當(dāng)前在多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)研究中對(duì)多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的研究主要圍繞具體任 務(wù)或具體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)展開，而且各機(jī)器人都是同構(gòu)的，使得系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和擴(kuò)充性有限，研究成果往往難以推廣。鑒于多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)智能化、自治化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢(shì)， 總結(jié)本文工作，并結(jié)合已有研究的不足，還需要在以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)和完善：1 多智能體的理論與應(yīng)用研究剛剛起步，把多智能體技術(shù)應(yīng)用到多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)調(diào)控 制系統(tǒng)中，是一種較新的方法，我們只做了比較初步的工作，在理論和實(shí)際應(yīng)用上還存在一 些差距，需進(jìn)一步完善。2在多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中，還需要進(jìn)一步提高單個(gè)機(jī)器人智能體的智能化程度，使機(jī) 器人能夠更有效的理解人類的意圖。參考文獻(xiàn)：1 D.Sri nivasa n and M.C.Choy. 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