（控制理论与控制工程专业论文）基于mas的多机器人系统的研究与仿真.pdf

摘要 多机器人系统由于拥有单个机器人无法比拟的优点而受到了越来越 多的重褪稻磷巍，基于多糟熊体系统( m a s ) 寒硬究多撬嚣入系缆是大多数 橇器入学者聚用的研究思路。本文在详缁了解和研究多智能体系统的基础 之上讨论并囊境了一个多稽髓俸视器久系统。 本文曹先对疆瓣莺内外智麓瓤器太的几瓣锩恭维捣避孳亍了分缮、分辑 和研究，总结了这磐体系缡构的特点。在此基础上，总缩出一种蒺于m a s 瓣溅合模式体系缝镌。 魏器天蘩绞中鹣鹫斑俸需要透过遴傣，协捧宠残冬硬程势。本文在 参考戳往多簿麓体辊器太邋信技术静蕊确上，逸耩遴谲缀务器静懑惑设计 了多移动机器人道傣系统，以保障数据交互的及对与准确。 另辩，零文系瘸分森式局帮路径戆磁的方法实魏了分毒式瓤嚣久系练 菇一个必须礤究熬霾点阅越一一分= 露式多掇器大鼹经援划。 最后，我们还邋过仿真试验来缎诞了本文提出愚尝的霹雩亍性翻霄效性。 傍囊中，瓤瓣a 开娥努布在有簿褥的琢辘中，然麓避遥您部瘗魏及瓿嚣人 的熬本行为实现机器人间的相互作用，磺后完成摊箱子任务，体现了多机 器人强调。 关键淘：警煞镕；雾褪嚣a 系统；体系臻穗；路径筑翎；多瓤嚣人逶舔 蹬乐滨工程大攀疆圭学位论文 a b s t r a c t m u l t i r o b o ts y s t e mh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na n dr e s e a r c h b e c a u s eo fi t si n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e so v e rs i n g l er o b o t s t u d y i n gb a s e do nt h e m u l t i a g e n ts y s t e m ( m a s ) i sam o s ta d o p t e di d e ab yr o b o t i cr e s e a r c h e r s a f t e r d e t a i l e du n d e r s t a n d i n ga n dl o n g - t e r ms t u d yo fm u l t i a g e n ts y s t e m ，t h i st h e s i s d i s c u s s e da n dr e a l i z e da m u l t i a g e n tr o b o ts y s t e m i nt h i sp a p e r , s e v e r a la r c h i t e c t u r e so fi n t e l l i g e n tr o b o t sw e r ei n t r o d u c e df i r s t t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e s ea r c h i t e c t t t r e sw e r es u m m a r i z e d 。b ys t u d y i n gt h e s e c h a r a c t e r i s t i c s ，am o d e l i n gm i x e ds y s t e mm e t h o db a s e do nm a sw a sp r e s e n t e d ， w h i c hw a ss u i t a b l ef o rt h ed e s i g n i n go f t h er o b o ts y s t e m i nt h es y s t e m ，a g e n t sc o o p e r a t e dw i t ho t h e ra g e n t st oc o m p l e t e dt h et a s k 。s o t h e yn e e dt oc o m m u n i c a t ew i 氇e a c ho t h e r , i no r d e ri n s u r et h ep r e c i s e n e s sa n d p u n c t u a l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o n ，t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o rt h es y s t e mw a s d e s i g n e db yr e f e r e n c et h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo ft h ee x i s t i n gm u l t i a g e n t r o b o ts y t e m i na d d i t i o n ，t h i sp a p e ra l s or e s e a r c ht h eo n eo fm o s ti m p o r t a n tp r o b l e m d i s t r i b u t i n gm u l t i r o b o ts y s t e mp a t hp l a m f i n g ，w h i c hi sb a s e do nd i s t r i b u t i n g m u l t i - r o b o tp a r tp a t hp l a n n i n g f i n a l l y , s i m u l a t i o nt e s t i n gp r o v e st h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo f t h em e t h o do f t h i sp a p e ni nt h es i m u l a t i o n ，ac e r t a i na n l o u n to f r o b o t sa r er a n d o m l yd i s t r i b u t e di n t h ee n v i r o n m e n tf u l lo f o b s t a c l e s ，t h es y s t e mf i n i s h e dt h em i s s i o ns u c c e s s f u l l ya n d m u t u a li n t e r a c t i o na m o n gr o b o t sa f t e rf lt i m e 。 k e yw o r d s ：a g e n t ；i v i a s ；m n l t i a g e n tc o m m u n i c a t i o n ；p a t hp l a n n i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，涵作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据移文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其 也个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人积集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者 ( 签字) ：1 麴单 日期：妒辟秒月 晗尔滨工程大学硕士学位论文 鞔器人撅述 第 章绪论 有人认为，应用机器人只是为了节镦劳动力，丽我国劳动力资 源丰褰，发展掇瓣入不一定符合我国国瀵。这是一秘误鼹。在我霪， 社会主义制度的优越性决定了视器入能够充分发挥獒长处。它不仅 能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而履将 为我匿的宇宙开发、海洋开发、核熊利用等耨兴领域昀发展做出卓 越熬嚣献。 我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容， 拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了 摄器入萋礁理论与基礁元嚣箨磅究。卡a 年来，稳继耢裁塞示教秀 现型的搬运、点辉、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及 水下作业、军用嗣特种机器人。目前，示教再现型机器人技术融基 本成熟，并在工厂中接广应熙。 筠井，随豢钒器人技术的发展谴得机器人的应蠲颁域和范围不 断扩展，机器人顾临着更复杂的作业，邋些复杂的作业由单一机器 人已难以完成，需要多个机器人协调与合作共同完成。匿前的洳多 台、凡卡台甚至上百台辊器入组成豹鑫魂纯生产线系统柔瞧鞍麓， 机器设备组织的改变既困难又昂贵，仅撩于长周期、单一式产品的 大批鬣生产，而雅以适应小批量、多品种的生产，从而缺乏敏捷制 造静熊力，难以逡应灵嚣多炎熬枣绣零黎。 豳此，多机器人系统的组织与控制方法是机器人研究领域的一 个新谍题，具有黛霭的理论和现实意义。 埝尔滨工程大攀霉 圭学位论文 i l l i i ii i i 1 2 多机器人研究意义 1 2 1 多机器人优点 随耋枫器入技术的发展入们对瓿嚣久的鼹求不再强辍子荸个掇 器人，显然多祝器入系统其有许多单机器入系统所没有的优点，这 主要体现在如下几个方面： ( 1 ) 多机器人系统在空闻上是分布式的。这个特点越完成许多 任务貔关键。毙鲡对手搬运大鍪秘体类匏任务。热栗键爝单个税嚣 人，完成该任务的机器人往往需薅具有较大的本体，而能用多机器 人系统时则可以使用数个小型机器人合作完成，各个机器人本身无 矮攘大。 ( 2 ) 多机器人系统楚并行的，某些任务可以进一步分解成若干 子任务并且这些子任务是相互独立的，可以同时处理的，具有并行 结构的。多机器入系绫在完成此癸饪务时毙零个机器人瑟有优势。 ( 3 ) 。多机器入系统斡容错能力较强。多镌器入系统中，枫器人 的个体功能可以相互熬叠，所以幽某一机器人出现故障时很容易通 过任务的璧掰分配来弥补出该故障引起的系统性能下降。 ( 4 ) 多枣晁器a 系统黪灵活往好。开发出爱活谴穰高静擎辊器大 不仅困难而且很昂贵，而多机器人系统中各个机器人的功能可以互 不相同，通过不同功能的机器人的组合很容易使多机器人系统具有 缀强豹逶瘦性。 ( 5 ) 经济性好，对于一些动恣性强而且复杂的任务开发多机器 人系统远比开发单个机器人容易而且价格较低。 除了上文所述的多枫器人系绞敬貔点辨对予多极嚣入系统豹研 究还可戬灞进研究人员对组织行为学经济学认知科学和生命科学中 的一些基本问题的认识。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 2 多机器人应用领域 由于多机器人系统的优点，使得它的潜在应用领域非常广泛， 列举如下： i 远地作业 如行星科学探险，在煤矿、火由墨等藏危环壤下作业以及在水 下培育作物等。 2 。捺助军潦童亍动 现代战争中使用机器人代替士兵执行危险的任务能最大限度地 减少地瑟部队秘 参战人员黪伤亡。这类任务有撑雷、放哨、搜索、 追踪及架设通信设施等。 3 协助震屡搜索与营救 城市搜寻和营救人员只有4 8 小时在倒塌的建筑物中寻找被阑的 章存者。否则，他们移活的可能性几乎为零。如粱能使机器人协助 进行这方面的工作，那么将会产生很大的影响。 4 。嶷动仓艨管理 仓库操作人员面晒着在降低成本的同时提高对客户的反应速度 的竞争挑战。将这些 乍业自貔化将会受益# 浅。圈此，就可以实现 仓库管理工作的自动化和智能化，提供工作效率。 5 ，镯能环竣 智能环境鼹指利用计算机来完全改善圈常活动的空问。智能环 境通过搬计算机积日常现象联系起来，能够使原来处于人枧范围之 外的事情相互作用。遮可以威用到智能房间和个人助理。许多环境 如办公搂、超带、教塞及饭廖很可能在今蜃逐渐发展成镪能环境。 这些环境中，智能体将会监视资源的优化使用，也会解决资源使用 方藤的冲突，智能体逐要跟踪环境中对各张资源的需求。另钤，进 入环境中的每个人都会拥有一个智能体，该智能体的目标是为髑户 优化环境中的条馋。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 6 裔动建造 该成用领域涉及大规模结构的凝配，诸如高楼大厦、行星属住 嚣或空闻设备。将来，多异擒视器人系统掩会在空阊组装大墅空间 设备，而这对于人类来说是非常困难的。 7 教育及焱乐系统 机器人玩具、教育工具及娱乐系统越来越风行。许多这样的系 统( 翔税器天是球) 要求多税器人之闰迸雩予协调。 8 自动化工厂 工厂实蕊自动纯怒发震趋势。为了增鞠产量、减少势动成本， 提高效率、安全性及总体质量，越来越多的产业在寻求生产自动化 设备。这瑟求有离效、赢鲁襻往静并构多税器人系统的协作。 9 清除危除区域 这样麓饲子有税嚣入扫誊、清扫核疲籽及清扫灾区。 1 0 农业机器人 在蔽簧条肄下的耋体力劳动、蕈谖重复静工 窜，如喷洒农药、 收割及分选作物等有望由多农业机器人系统完成，以解放出大量的 入力资源。 1 3 国内外研究现状 蠡飘2 0 藿缌7 0 年代，多餐戆髂静磅究在分布式人工智麓领域 得到重视，一些机器人学的研究者开始将分布式人工智能( d a i ) 理 论应磊爨多撬器入系统瀚研究中。 由于多机器人系统的应用前景非常巨大，美、欧、f = ；i 等发达国 家觚2 0 鬟瑟8 年代中期就对多辊嚣太系绫投入了耱当大的研究热 情，协作机器人学得到发展，趔初的项目有a c t r e s s 、c e b o t 、g o f e r 、 s w a r m 等。旱麓豹疆究主要以偿真为主，毽遥来静研究更强调实际豹 物理实现。如欧盟设立专门进行多机器人系统研究的m a r t h a 课题一 一“罐子搬运熬多叁主孝氕器久系统( m u l t i p l ea u t o n o m o u sr o b o t sf o r 晗尔滚王程犬掌礤士掌憾论文 t r a a s p o r t 氇n dh a n d l i n ga p p l i e a t i o n ) ”。荚国海军躐翅郝鄹能源 郝氇对雾飘器天系娩瓣磷燕滋行了波麓。 剿翔；c e b o t e o l t u t a rr o b e t i cs y s t e m ) c e b o t 楚髓是激| 羹本n a g o y a 大攀鲶t 。f u k u d a 教搜鞭霉瓣醛究小 懋嚣袋。c e g o t 跫静囊羹秘辍鼹a 系姣s 8 i 卜r e o o n f i g u r 幻l o t l o b e t i s y s t e m 它瓣掰究髓受生物绥熬缡穗酶癞发，将系绫中众多 憋爨穗嚣或不鞠功越黪拳琏器丸瓢为缨骢元。这些鲻腿元枫嚣入可 激移动罨找您缀合，掇攥饪务或环壤戆变他鳃照元橇瓣氏可以爨继 缀蕊器露毽瓤器太，多令瓣襄诧皴器舂可爨逡步囊袋缓影袋臻裁 瑟热囊聚弱毒a 器太蒸麓。如慝1 - 1 缨臁缡襁壤器丸蒸拣强诵瓣逄攀 是搭麴缀台，烟褥凝拣任务秘矫撬魍要求动惑熏构。瓣此，强绫熟 蠢多变鹣络穗，以其露孥习裙逶嫩靛爨餐黥g r o u pi n t e l j i 鐾o n 0 8 ， 劳曩畜分窭式稳髂舔绥秘。 弱1 1 缨熬缝鞫辍器a 琴统 澍hc e b o t 袭绫瀚礤究，涉及澍系绞黔侮系缭梅、溺讯、僚崽交 嚣替许多方露。文黻f 3 谗埝了鬟绫蕊体系鲢挺势针对努屡式缭擒摁 踺一辩逡撵i a s t e rc e l l 瓣方法。文献群掰究了对瓣器天苻为兹慧 攘瓣蔻。文献f ”绘燃葶孛计冀瓤瓣人之间信息交按堂的方法。文献 6 赍缳一瓣瓣颖蛇毫氇嚣太好为遮耩概潮穰摄两个矩阵挽凳缭矩终 ( p r i o r i t y l a t r i 蒜) 獭稳麓关系怒辩( z n t e r e s t ：r e l a t i e l ? 婪蘸t r i x 避 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 过一个学习算法来调整优先级矩阵。 国内在该领域的研究工作很少，只有少数的研究所和大学在进 行相关的研究，且大部分的研究工作仍然停留在仿真和实验室阶段。 例如：m r c a s ( m u l t i r o b o tc o o p e r a t i v ea s s e m b lys y s t e m ) 中国科学院沈阳自动化所以制造环境应用多机器人装配为背 景，建立了一个多机器人协作装配实验系统m r c a s 【2 9 ”。建立m r c a s 实验系统的目的是建立一个实验平台为多机器人协作研究提供研究 环境和实验手段并在多机器人协作理论研究的基础上开展多机器人 协作的实验研究。 图1 2m r c a s 系统体系结构 m r c a s 实验系统采用集中与分散相结合的分层体系结构，分为合 作组织级和协调作业级。合作组织级的协作控制智能体h o s t 由一台 p c 计算机构成，协调作业级则由p u m a 5 6 2 、p u m a 7 6 0 、a d e p ti 和全 方位移动车o d v 组成。h o s t 硬件平台采用一台宏基a c e r p o w e rp t l o o p c 机，在h o s t 机的i s a 总线上安装块四串口板，分别与p u m a 5 6 2 、 p u m a 7 6 0 、a d e p ti 和o d v 车通讯。利用m r c a s 进行多机器人协作装 配式工件的实验结果表明；m r c a s 系统为深入研究多机器人协作理论 与方法提供了一个良好的实验平台，并对多机器人协作系统的实际 应用具有参考价值。 哈尔滨： 糕大学磁士学位谂文 1 4 论文主要内容安排 本文以多机器入系统为背景，精合嗣浆2 1 1 计划项圈对多机器 人体系期分布式多机器人协传阅题进行磷究。内容主臻分三部分： 绪论豁分： 誉章：鼹参裰器人系统豹特点逐行分辑。综述多橇纂a 系统 研究的懑义、应用领域以及国内外部分多机器人系统研究现状介绍。 理 仑研究部分： 分裂分绍了多糖嚣久系绫疆基撼氇楚簸重要豹咒鄢势内容。芳 虽在前人开发的算法上进行藤姆改遴，摄滋逶合本文移动多极嚣天 系统的辣法。 第二= 辜：主要奔鬃多援嚣j 夫戆俘系终构，详餐簸述了黉髓俸 ( a g e n t ) 、多智麓体系统( 硒a s ) 。并且建立了一种纂于m a s 韵混合 模式绻槐。 第三章：主要涉及多规器入鹤邋添间耀，剩瘸邋添服务器的设 嚣愚怒设计了茎予s e r v e r 斡多a g e n 逮谯系统。 第嘲嚣：侧霞予多机器入爵勺路径规划辫法实现。详细介绍了分 布式多桃器人路径煺划算法以及县体的实蛾过程。 铸爨买瑷部分： 主袋根据前兰濑研究与开发的理论，对本文多极器入系统遴行 建模和协灏。 篑玉掌：套爨了本文采掰麓建摸方法，薨壤撂茂方法建立多移 动祝器人系统静懿体模凝结构。 第六鼹：详缎分缓了为本文开发麴多槐器人谚冀平台。并且傻 塌瓣两对黎的方法设计并实现了多移渤枫撩人搬箱子躲仿真，同鞋尊 毽综合验谨了第二部分涉及毽谂的可行毪。 最群总结了本文的研究内梅与成泶。并糕此基础上提出了燧 值得继续羲阡究或糟改进的地方。 7 啥尔滨工程大学硕士学位论文 2 ， 孳l 言 第2 章多视器人体系结构 体系结构是多机器人系统的最高层部分和基础，多机器人之间 鲍秘 乍枧刳就是遴过它来体现夔，它决定了多掘嚣久系统在任务分 解、分配、麓翔、决策及执行等过程中的运行机帝4 激及系统各机器 人成员所担当的角色。 在设计多机器人体系结构的过程中，会涉及到糖能体霹多铿能 体系绫麴诲多校本阖蘧，需瑟结合稻关秘理论稻技术分褥磺究。本 章就智能体和多智能体系统的相关理论进行简单的介绍。 2 ，2 智慧体( a g e n t ) 智能体( a g e n t ) 被认为是一种在分布式系统或协作系统中能持 续自主的发挥作雳盼诗箕实髂。w o o l d r i d g e 霹j e n n i n g s 对a g e n t 有这榉酌定义：a g e n t 是处在菜令环境中的计算系统，该系统有貔力 在这个环境中自主行动以实现其设计目标2 ”。 a g e n t 一般具巍自主性、交互性、反应性和主动性的特征m 3 “。 ( 1 ) 鑫主往 a g e n t 具有属予其自身的计算资源和局部于自身行为控制的机 制，能在无外界直接操纵的情况下，根据熟内部状态和感知到的( 外 聱) 环缓信悫，决定期控裁鑫蹙豹雩亍为。 ( 2 ) 交互性 能与其他a g e n t 进行多种形式的交互，能有效地与其他a g e n t 协同工作。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 反应性 能感知所处环境，并对相关事件做出适时反应。 ( 4 ) 主动性 能遵循承诺采取主动行为，表现出面向目标的行为。 在多移动小型机器人系统中，各功能模块相当于一个a g e n t 。它 们具有自己的知识模型和i o 系统，独立运行于计算环境中，相当 于计算机系统中的一个进程。系统中的各模块能够感知环境信息， 并根据环境的变化做出适时反应。各模块可以控制自身的行为和内 部状态，并根据自身情况对任务进行详细的规划和执行，并在需要 时主动与其它模块通信。 2 2 1 a g e n t 的抽象描述 a g e n t 是在环境中的计算实体，它根据环境的变化做出适当的行 为。下面是a g e n t 的抽象描述，它反映了a g e n t 与环境之间的交互 3 q 。 假设a g e n t 所处的环境是一组离散瞬时状态的有限集合e ： f = 伯，e ，( 2 一1 ) 虽然现实的环境是连续的，但可以用达到需要的任意精度的离 散环境建模。 用a c 表示a g e n t 的一组可执行动作，而且是有限集，它们改变 了环境的状态， 设： a c = ，a ，a ，( 2 2 ) 下面给出a g e n t 与环境交互的基本模型。环境从某个状态开始， a g e n t 选择一个动作作用于这个状态，动作的结果是环境可能到达的 某些状态。而事实上只有一个状态可以真正实现，当然a g e n t 事先 并不知道哪个状态会实现。在第二个状态的基础上，a g e n t 继续选择 一个动作执行，环境到达可能状态集中的一个状态。然后，a g e n t 再选择另一个动作，如此继续下去。因此，a g e n t 在环境中的一次执 9 啥尔滨工税大学硕士学位论文 行：是环境状态与动作交替的一个序列： 设： 膏魑所有可能的( 万和a c 上的) 有限序歹4 集合 斤“是以动作结柬的序列所组成的斤的予集 胪怒以状态结束的序列所缀成的r 的予集 嗣，j ，代表露静袋受。 为了表示a g e n t 的动作作用于环境的效果，引入状态转移函数 【3 2 1 f ：r “- - g a ( e ) ( 2 - - 3 ) 状态转移函数建立了一个执行( 假设以a g e n t 的动作作为结荣) 与可能的环境状态集合之间的映射，这些环境状态是动作执行的结 果。从公式可以看爨：酋先环壤躲下一个状态不仅仅楚出a g e n t 执行 的动律幂辩当前的状悉决定，早时a g e n t 掰做的动 乍对决定当前状态 也起部分作用：其次，这个定义允许不确定的环境。因此某个状态下 执行个动作的结暴具有不确定性。 翔泶r = 密 a c( 2 - 4 ) 可见，a g e n t 根据系统到当前为止的历史决定执行什么动作。 系绞是a g e n t 葶鬟琢境穆成熬对。饪嚣系统都毒与之提关豹霹憝 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的执行集合：用r ( a g , 肋表示a g e n t 在环境砌y 中的执行的集合， 并且假设厅翻凸砌只包含可以结束的执行，即执行，不存在可能 的后继状态：f 一= 函。 形式上，序列： ( po ，ao ，e l ，目1 ，e2 ，盆2 ，) ( 2 - 5 ) 表示a g e n td g 在环境如r = 饵e 。，f ) 中的一次执行，如果： ( 1 ) e 。是励y 的初始状态 ( 2 ) a 。= d g 伯o ， ( 3 ) 对于u ) 驴 e 。f ( eo ，ao a 。1 ) ( 2 6 ) 其中： 盘。= d g ( e o ，盘o e 。) ( 2 - 7 ) 如果两个a g e n td g 。，和a g ，对环境肋v 是行为等价的，当且 仅当r ( a g l ，肋= 斤阳占2 ，踟：两个a g e n td g i 和a g e n ta 9 2 是完全行 为等价的，当且仅当它们对所有环境是行为等价的。 从a g e n t 的抽象描述可知，a g e n t 可以看作是根据环境状态而自 主产生行为的个体，所以在由a g e n t 所组成的系统中，a g e n t 需要有 能力侦测到所在系统环境的变化，并由此产生行为。在履带式移动 机器人系统中，每个a g e n t 具有输入和输出端口，输入端口被设计 为不停的侦测系统环境变化的功能部件，一旦发现促使a g e n t 产生 行为的条件满足( 相关数据到达) ，便通知a g e n t 产生行为。输出端 口通过将计算结果输出至系统环境中来使系统环境发生改变。这样， a g e n t 每产生一组计算结果，系统环境的状态就会发生改变，由于环 境的变化，又促使另一个a g e n t 产生行为，如此便形成了一个序列， 正如公式2 6 描述的那样。 2 2 2a g e n t 的结构 一个完整意义上的a g e n t 结构可以有下面的一种描述：它包含有 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 局部数据、历史经验席、处理过程和处理机。其结构如图2 1 所示： 图2 1a g e n t 的结构 局郝数摆是指辩装在a g e n t 建部款，只缝逶过a g e n t 戆处理过 程所存取的数据，它楣当于面向对象程j 芋谮言中类的私有变量。掰 史经验库存放a g e n t 每次行动可以借鉴的规则。处理机是a g e n t 处 理能力的提供者，一般来说它棚濒于提供a g e n t 处理能力的计算机。 a g e n t 豹她理过程叛予进程或线程豹形式在处理税上执行，对处瑾过 程的调度相当于对进程或线程的凋度，可以采用传统的基于优先级 的调度算法，根据处理过程的优先级从处理过程队列中选择当前的 运行楚莲过程。楚纛道程是a g e n t 麓棱心部分，它燕a g e n t 对羚鹣 窗口，a g e n t 所提供的服务都嫩通过对处理过程的调用请求而实现 的。每个处理过程可以设置相应的优先级。县体语法如下： o n d o a tp r i o f i t y 其中， 定义了触发处理过程的环境，可以认为怒 a g e n t 侦测到要产生处理过程行为所需的系统环境己满足； 定义了此处理过程的具体操作； 则定义了处理过程的优先 级。当处毽过程浆疑发事件发生瓣，a g e n t 簸截建一个予避程或线程 来完成处理过程的操作，并赋以优先级 ，让其在处理机上执 行。 2 2 3a g e n t 的一种形式化定义 遗造对a g e n t 缝梅跌及与环境交互方式夔硬究，给爨一鼹a g e n t 咯尔滨工程大学硕士学位论文 a g e n t 的形式化定义，它反映了 根据环撬变化向严亚仃刀削慢a 是a g e n t 抽象描述盼具体化，瞧是设计莎謦能体机器人系统中可以 参考豹a g e n t 设计模式。 a g e n t p r o c e s s o r ， p r i v a t ed a t a l ，d a t a 2 ， k n o w l e d g e b a s er u l e l r u le 2 ， a c t i o n ， w h i l e ( a g e n tis a l i v e & & e n v i r o n m e n th a sc h a n g e d ) s w i t c h ( e n v i r o n m e n t ) c a s ee f l v i r o n m e n t l ： d o a tp r i o r i t y ： b r e a k ： c a s ee r i v ir o n m e n t 2 ： d o a tp r i o r i t y ： b r e a k ： j e n dw h i l e e n db e f i n i t i o n 其中 标识a g e n t 名：p r o c e s s o r 域则标识处理机的 地址：p r i v a t e 域定义a g e n t 魄局部数据：k n o w l e d g e b a s e 域定义 a g e n t 豹历史经验疼：a c t i o n 域定义每令簸瑾过程懿蒸 奉整理浚程a a g e n t 的处理过程将根据需要访问历史经验库。 a g e n t 的形式化定义，给出了a g e n t 根据环境变化产生行为的模 式。纛a g e n t 酶生念周期痰，a g e n t 不搏谈溅繇境憝变亿，著棂掇其 啥尔滨= ：| ：= 程大学硕士学能论文 变化后所达的环境状态调用相关的处理过程。在基于多智能体的机 器人系统中，系统中运行的每个功能模块祁是以一个进程的形式出 现，每个进程可以根据自身衙要通过镬建予逮程或线程秘方式采执 行处理过程。在螽统运行期间，如何根据任务需求寻找合适的处理 过程，以及处理过程之间如何协作完成任务，是设计机器人体系结 穆爱滋要戆考瘗懿瓣蘧。 2 3 多智能体系统( m a s ) 国于单个a g e n t 所能完成任务的是荦一的、岗戳的，而一颈复 杂的任务通常包宙多个作业予项，所以必须构建一个由多个a g e n t 所组成黥多a g e n t 系统，通过各a g e n t 之间鲍协作采完成复杂的任 务。m a s 系统可以幽多个智戆羧低静a g e n t 组成，氇可瞄由咒个鬻麓 较高的a g e n t 联合几个智能较低的a g e n t 组成；而多个m a s 又可以组 成一个更为复杂的镶能系统，如多机器人团队口”。图2 2 为m a s 的 一耱鬃次缝稳。 图2 。2m a s 层次维毒每 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在图2 i 中，第n 层由多个a g e n t 所组成的组织，而在第n + 1 层可以看成是一个单a g e n t ：相反，在第n + i 层的单a g e n t 在第n 层 又可以看作是一个m a s 。所以，从层次化的角度看，单a g e n t 与m a s 是相对的，主要取决于观察时所站的角度。在第n 层中，数个a g e n t 根据要完成的目标任务组成一个m a s 系统，在这个系统中需要一个 管理a g e n t ( m a n a g e ra g e n t ，m a ) 来维护系统中的各个a g e n t 的信息。 然后第n 层的各个m a s 可以在第n 十1 层形成一个更大的m a s 联盟， 同样在这个联盟中也需要一个m a 。层与层之间主要传递的是控制信 息，系统内部主要交换数据信息。 2 3 1m a 8 的体系结构 本文的研究重点在于基于多智能体的机器人体系结构，所以有 必要对现行的m a s 体系结构做一些了解。基于m a s 的结构不仅运用 于机器人体系结构的设计当中，它还被广泛的运用在信息检索、网 络管理、电子商务以及移动计算等多个领域。在这里，还是就运用 在机器人上的一些基本的m a s 体系结构进行介绍。 m a s 的体系结构是指多a g e n t 系统中a g e n t 间的信息关系和控制 关系，以及问题求解能力的分布模式，它是结构和控制的有机结合， 是提供a g e n t 活动和交互的框架。 m a s 的体系结构不但决定了各a g e n t 之间的通信方式，也决定了 系统中信息的存储和共享方式。 ( 1 ) 集中式结构 在这种结构中，系统中的a g e n t 被分成若干的组，每个组中有 一个管理a g e n t ( m a ) ，而系统还有一个总m a 来协调各个组系统。系 统通过m a 来实现多a g e n t 合作的局部控制，如任务规划和分配等， 并由一个消息传递a g e n t 来承担消息传递任务。采用集中式结构， 对系统的管理、控制和调度较为容易。但它的缺点是随着系统中 a g e n t 的个数和复杂程度的增加，m a 所要承受的负载也就随之增大， 哈尔滨工程火学硕士学位论文 反应性会下降，并且一旦某个m a 出现故障，就可能导致系统崩溃。 集中式结构如图2 3 所示。 图2 3 集中式结构 ( 2 ) 分布式结构 在这种结构中，各a g e n t 或a g e n t 组之间处于平等地位。a g e n t 是否被激活以激活后做什么动作取决于系统状态、周围环境、自身 状况以及当前拥有的数据。这种结构可以存在多个中介服务机构， 为a g e n t 成员寻求协作伙伴时提供服务。采用这种结构的优点是增 加了灵活性、稳定性，控制的瓶颈问题也能得到缓解，但不足之处 在于：因每个a g e n t 组或a g e n t 的运作受限于局部和不完整的信息， 很难实现全局一致的行为。分布式结构如图2 4 所示。 图2 4 分布式结构 ( 3 ) 混合式结构 这种结构是集中式和分布式机构的综合。它包含一个或多个m a 略尔漠工程大学硕卡学靛论文 但这种m a 只对部分成员a g e n t 以慕秘方式进行统一管蠼，参与解决 a g e n t 之瓣的任务划分和分骶、共享资源的分配辩管璞、冲突的协调 簿。其它成员之阕遐平等黝，签a g e n t 瓣抒为由自爨徽蹬决麓。这 种结构平衡了集中式和分布式溉种结构的优点和不足，适应分布式 m a $ 复杂、开放的姆性，是鼹蘸m a s 普遍浆爝的系统结构。混合式炼 秘蟊蓥2 ，5 所 2 3 。2m a s 的舞敖憔 翻2 5 混合式结构 m a s 的开放任怒撵：向系统当中添加或删除a g e n t 酶难易程度。 不圆体笨结梅靛鞲a s 有羞不隧鹣开羧等级。有些鞑a s 嵬金禁止尚系 统中添翩任髂新a g e n t ，丽商些m a s 剥开敞的多，可以淘系统中添搬 任何类测的新a g e n t 。一个开放的m a s ，可以有下列三种开放等级。 ( 1 ) 动态开放缀 这级巍鞠赫a s ，允许a g e n t 在茉统遴行对动态翡翔，入或遮爨系 统，而箍不需强通知系统中的藏它a g e n t ，这是歼放等级最高级剐。 具有这种开放级的系统，可以根据环境、任务以及可厢凝源的变化 璐态豹傲豳系统重熬。这静系绞主矮瘗鲻奁毫废不礁逛浆珲境孛。 这种掇绽开放的机制需要系统具备大量可计算资源，幽予a g e n t 会 随时船入或退出，系统中需要有功能强大的定位a g e n t ，用来监概簿 个a g e n t 粒瘊处位瀑。另终，巍予蓬统功姥秘资澡会薅藩a g e n t 瓣 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 进出而改变，所以系统需要具有一组方法来随时变更任务执行的计 划。 ( 2 ) 静态开放级 这一级别的m a s ，仍然允许新a g e n t 在系统运行时动态的加入系 统，但在加入时需要告知系统中其它a g e n t 有新a g e n t 加入，或者 是在系统启动前，就告诉系统有可能会加入的a g e n t 名单。这种 级别的系统，不需要有定位a g e n t ，对随时变更任务执行计划的要求 没有动态开放级的高。但另一方面，系统的动态重整没有动态开放 级的灵活。这种系统不适合在高度不确定的环境中工作，但可以适 应有规律性变化或者可预知变化的环境。 ( 3 ) 离线开放级 这是开放等级最低的一级。这一级别的m a s ，只允许在系统停止 工作后加入新的a g e n t ，并同时修改a g e n t 间的连接关系，然后重新 启动系统。在这种系统中，不需要有处理a g e n t 动态加入的机构， 减少了系统的计算资源。但这种系统只适合执行一些确定的任务。 2 3 3m a s 中的服务机制 在m a s 中，需要有一些服务机制来为系统做一些基础服务。其 中有些服务机制是必不可少的，而有些是可选择的或者是不需要的。 下面介绍三种服务机制。 ( 1 ) 命名服务 在开放式m a s 中，必须提供命名服务机制，它确保没有a g e n t 会重名。在封闭式或开放程度不是很高的系统中，由于a g e n t 是事 先确定的，所以就不需要命名服务。 ( 2 ) 定位服务 当系统中的a g e n t 没有能力知道其它a g e n t 的位置时，就需要 在系统中设置定位服务机制。定位服务可以通过中央集中式的方式 实现，这种实现方式比较简单，但很容易造成整个系统的瘫痪。相 嗡尔蒺二 糕大学醺士掌位论文 反，如暴采用分布式的定位服务，则系统的可靠德会融鞍好，襁系 统的实现翘维护会比较困难，同时系统的邋信登和计算量会增加。 3 ) 安全鞭势 在蒸予蚕联网应鼹驰m a s 中，需要对每个嬲入系统斡a g e n t 逡 行身份认证，以确徕a g e n t 的台法柱。通常通过第三方c a ( c e r t i f i c a t i o na u t h o r i tj e s ) 认谜来实现安全服务机制。但邋棒 藏会不可避免酌灌操瓣系统懿逶僖蠹和诗雾懿，瓣爵交霹麓会爨为 第三方的她迟而蹬现累统瓶颈问题。 2 ，3 4m a s 的磐棒瞧 要提商m a $ 的鲁棒性，应使旗畚统尽可能的采用分布式处理方 式。这释，当一个系统串秘慕个a g e n t 壶予袋些琢因不戆工箨辩， 就不会导致整个系统瘫痪。魄魏，可以在象筑中增趣一蹙殛能褪骰 瀚a g e n t ，警一个a g e n t 失去工作能力时，媳有栩同功麓的a g e n t 可以替代它始工作。假融于系统成员数量购燃加。在系缆鲁棒蠼提 麓静霜露，繁亲麓弱憨怒系统瀚冤余度疆黧。 2 3 5m a s 的彩式化定义 在3 中给国了一稀a g e n t 的形式化定义，下稀臀乘瓣一下m a s 的影式化定义，它是一种层次化的概念 u 9 1 ，反映的是m a $ 中a g e n t 翡组织关繇薅方式。参纛圈2 ，l o 设a g 为多个a g e n t 掰维畿静集会，记羚： a g = 蹦g ，i - - o ，l ，2 ，n ( 2 - 8 ) 因为每个a g e n t 集合并不怒几个a g e n t 篱单集合，它需要有 效瓣壅绞起来彰成一个熬俸，疆鼗霰簧一个缀缓孛心，将这令受责 组织的a g e n t 称作m a ( m a n a g e ra g e n t ) ，并假设由矗g o 担任。那么 一个m a s 鞠层次满注可强这样描述：m a $ 由a g e n t 组戚者a g e n t 组和 1 9 暗尔滨工程大学硕士学位论文 子m a s 缀成，即： m a s2 = s 4 g bi = 0 ，1 ，2 ，n m a s 。= a g ? | a g 溯s ， i = o ，1 ，2 ，n 其中m a s 的层次定义如下： ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 a g e n t 个体和a g e n t 组的鼷次分别为0 硼1 ，即： z e v e l ( a g ，) = 0l e v e t ( a 谚) = 1 ( 2 - ll 元缀仅为a g e n t 组的m a s 朦次为2 ，而由混合式编构组成的m a s 的层次为所有元素中最高层次加1 ，即： l e v e l ( m a s2 ) = 叠窟i 掰 g v g “么g ，) + 1 = 2 ( 2 1 2 ) f # o l e v e l ( m a s 。) = m a x l e v e l ( a g ? a g 川m a s “) + l ( 2 一l3 ) 2 4 常用多机器人体系结构分析 近年采，霹予帮艇祝嚣入翁研究一壹受到关注，为疆毫瓤器久 的自主决策能力，许多学者从不同的角度提出不同韵智能机器人系 统体系绒构，各种体系结构都有其自身的优点与不足，本文旨在以 含l 睾多移动撬器入系统为骜豢港论舞静典爨豹体系缮秘躲特熹。 2 4 1 分层递阶 该炎结构是以n b s 模型为代表，以闻麓的分解、缎划为基础豹。 每一层都有一个统一的问题表达方式，也可认为是该屡的世界模型， 往往上朕模型比下鼷具有更高的抽象层次，能处理更为复杂的问题。 当莱层蔽到土层下发魏经务屠，要禳疆本艨豹整赛摸麓，将该馁务 表达为本层问题，将该问题分解为下一层可解决的予问题序列，并 将其作为任务继续下发给下层。这样，一个总任务经层层分解，赢 裂最低簇，一般为捷嚣极兹懿驱动瑟。麸这一逮程霹鼓着爨，n b s 跨尔滨工程大学硕士学位论文 任务分解与规划基本是离线的邂程，其传感器的作用是为离线飙划 提供避爨模型，这种模型是静悉懿，重新趣矧发生在上屡下达耨任 务及下震摄告菜予任务无法完成对。蔼无论在蒋静祷凝下，掰有已 有的分解及规划结果都将被含弃，而代之以新的规划结果。因此， 我们只霄两静途径处理动态环蟪的问题，一是建立可以表达这种动 态环境麓超赛模型，这辩藏可以事先对环骧翁变纯徽密反应，擞鑫 合理的规划。但对动态环境建立有效的模型是很困难的，虽然对于 某些问题可能有然统计意义上的模型，但这对于建立在精确问题 捶述蕊懿上熬传绕人工彗熊中的闯遂求翳辩法是不邋瘸。霞瑟，在 高度动淼环境中，弱能通过传感器等绩慧来源惑知环境的变化，在 n b s 中环境的变化导致某层任务的失败，该失败将上报埝上层，同时， 环境的变化将被感躲并引起i 匿= 界模型静变傀，上层熬凝援划或将任 务失黢嵇意继续土掇，壹交莱一合适翡功髓层耄巍瓶潮兔壹。爨j 邈， 任何环境的变化都脊可能导致煎新规划的发生，而鼠可能在多个层 次上发生，如果遗荦枣重薪规划的频率过怒，将大大降低任务的完成 效率，壤弱瓤嚣a 的反痤骚力。 綦予问题求解的分层体系不利于入丰凡交互与自主的共存。当我 们试图淑变机器人的运动时，必须选择税何层次上介入，通过修改 该瑟黪任务序烈来干预或取代钒器天趣蠡主运蘸，这一过程黯予下 层来说怒透臻翁，对其没有影响，德对予j 二层来说，润题就变褥复 杂了。熟上层任务魑否完成了呢? 该任务序列是上层对自身任务的分 解结祭，_ 并且恩来剡断该任努豹完成清况，焉且该分姆是根据传感 器蓿感及毽赛模型蕊劐嚣褥，墨在天觞予鞭下，橇器入魏毒亍了葵链 运动，遮种改变鼹然不是该层规划器所期勰的。而且，问题在予机 器人将不知道这种改变的起因，如果不祭取特殊的方法，机器人会 挺太弱于颈撂令捧隽一耱于撬，并力罄褥英捧懿捧，通过簧惑器豁 反馈，规划器将有一种重新