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硕士论文 分布式多机器人仿真系统的研究与实现 摘要 本文是面向地面智能移动机器人的研究，利用虚拟环境与分布式虚拟机器人 技术，为多机器人的协作提供个良好的虚拟仿真实验平台，以满足多机器人协 作理论与方法研究的需求。 分布式虚拟现实领域是当今国内外的一个应用研究热点。从美国国防部的研 究计划s i m n e t 开始分布式虚拟现实技术得到了巨大的发展，d i s 系列标准是 s i m n e t 技术的扩展和标准化，d i s 技术的发展最终形成了分布式交互仿真的第一 个标准一i e e e l 2 7 8 标准集。随着网络技术和仿真技术的发展，在新的应用需求面 前建立在d i s 2 x 基础之上的分布式仿真系统已经不能满足要求，于是在1 9 9 6 年 美国国防部提出了下代分布式仿真系统的通用技术框架一高层体系结构( h i g h l e v e la r c h i t e c t u r e ，h l a ) 。 本文一开始余绍了分布式虚拟实验环境的基本要求和基本结构，接着对环境 中的一些事物进行了模拟。在此基础之上介绍了h l a 中一个重要部件一运行时间 支撑系统( r t i ：r u n t i m e i n f r a s t r u c t u r e ) ，用r t i 提供的服务实现多个移动 机器人之间的相互协作通信。为了更好的描述r t i 服务以及它以后的扩展，本文 引入了p e t r i 网，在扩充了p e t r i 网基本定义的基础上描述了多机器人之间的基 本通信行为，并用它们构建了r t i 的一些服务。 本文采用c s 模型，用客户端来模拟移动机器人作为联邦成员来仿真一些机 器人的自主行为和协作行为、用服务端来实现r t i 服务，并实现对仿真机器人的 必要监控，形成一个虚拟的实验平台，最后在这个平台上进行了一个简单的实验 来验证系统的可行性和有效性。 关键字：移动机器人、r t i 、p e t r i 网、服务端、客户端 硕士论文分布式多机器人仿真系统的研究与实现 k b s t ra c t i nt h er e s e a r c ho f m n t i r o b o t s ，e x p e r i m e n ti sa l li m p o r t a n tp e r i o d b u t ，i t i sv e r y e x p e n s i v et oc a r r y o u ta ne x p e r i m e n ti nar e a le n v i r o n m e n t s oi t i sn e c e s s a r yt o d r o v i d eav i r t u a le n v i r o n m e n tt od e c l i n et h ee x p e n s e ，i tw i l la f f e c tt h er e s u l to f t h e e x p e r i m e n t t h ea r t i c l ei sb a s eo nt h er e s e a r c ho fm o b i l er o b o t s ，t h ep u r p o s ei s t op r o v i d ea 2 0 0 dv i r t u a le n v i r o n m e n tt oh er e s e a r c ho f m u t i r o b o t a tt h eb e g i no ft h i st h e s i s ，w e i n t r o d u c et h ef r a m e w o r ko ft h es y s t e m ，a n ds i m u l a t es o m eo b j e c t so f t h ee n v i r o n m e n t t h e nw ei n t r o d u c er t i ，b yw h i c hw ep r o v i d es e r v i c e t or e a l i z et h ec o m m u n i o no f r o b o t s i nt h i st h e s i s ，w eu s e dm o d e lo fc s ，i nw h i c h w es i m u l a t ear o b o ti nc l i e n t ，a n d r e a l i z et h es e r v i c eo fr t ii n s e r v e r a tl a s tw em a k eas i m p l ee x p e r i m e n ti nt h e e n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：m o b i l er o b o t ，r t i ，p e t r in e t ，s e r v e r ，c l i e n t i i y 6 2 3 2 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：7 堑至 占。中年6 月、? 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全都或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：! 差主，) e 。，忙6 月! ! i 日 硕士论文 分布式多机器人仿真系统的研究与实现 1 概述 1 1 选题背景、目的及意义 近年来，随着机器入学及其应用的发展，机器人在许多领域内都得到了应用， 包括自动化工厂的装配工作、深海作业乃至太空中操作的任务都需要机器人的参 与，而且许多复杂的任务必须由多个机器人联合才能完成。 但是研究的多个机器人时，进行实体仿真一般比较昂贵，机器人的结构一旦完 成就难以改变，而且对一些特殊任务和环境无法进行试验，这就需要通过计算机 仿真来进行。用计算机进行仿真只需要几台p c ，用虚拟现实的技术对外部的环境 和机器人进行建模来构成虚拟仿真系统，而且外部的环境可以通过改变参数来模 拟各种情况。机器的体系结构也可以任意改变来达到各种任务的要求。而对于那 些已经有了实体的机器人( 如地面移动机器人) ，为了研究其协作，也可以将用p c 仿真的机器人和实际的机器人联系起来，形成虚实的仿真平台，这样可以进一步 验证控制算法策略的正确性、实用性。 本文是基于地面智能移动机器人的研究，目的是利用虚拟环境与分布式虚拟机 器人技术为多机器人的协作提供一个良好的虚拟仿真实验平台，以满足多机器人 协作理论与方法研究的需求。 通过构建虚拟的实验仿真平台，不但能够提高效率，缩短研究开发的周期。 而且使得研究试验不受环境和气候的影响，保证安全、节约开支，提高质量。由 此可见，多移动机器人计算机仿真系统的设计实施及应用无论对研究或实际应用 都是很有意义的。 1 2 相关的研究现状及发展介绍 目前有关多机器人的仿真系统较少，仅有w a n g 在1 9 9 4 年的i n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u mo nd i s t r i b u t e dr o b o t i e ss y s t e m 上的一篇文章涉及到多机器人仿真 系统。该文详细论述了多机器人系统通用仿真平台的要求并给出了一个多机器人 仿真平台的例子，该文中w a n g 提出多机器仿真平台应该满足如下要求：通用性有 效性，即该系统必须能够模拟多机器入系统的并行异步的特点实时图形显示，友 好的与算法的接口支持增加新的机器人类型。 硕j 论_ 立= 分布式多机器人仿真系统的研究与实现 但是随着多机器人研究的发展多机器人仿真平台却已有了较大发展下面介绍 几个比较有影响的仿真系统： r 1 ( 1 ) t e a m b o t s “。该仿真系统是g e o r g i ai n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y 和c m u 共同丌 发完成的。该系统特点如下，采用j a v a 语言编写在w i n d o w s l i n u x 和s o l a r i s 等操 作系统上均可运行系统源代码公开在遵守一些协议的条件下，可以修改其代码通 用性较好与实际机器人有接口在t e a m b o t s 上实现的程序可直接控制实际机器人但 是该仿真系统运行速度慢环境编辑较为麻烦目前该t e a m b o t s 已经发布了2 。o 版图 1 2 1 是该仿真系统的例子。 图1 2 1t e a m b o t s m i s s i o n l a b 该仿真系统是由g e o r g i ai n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y 的m o b i l e r o b o tl a b o r a t o r y 开发的，该仿真系统的特点是采用c + + 语言编写速度较快有自带 的行为库。其中的机器人完全采用基于行为的控制方式，有专门的用于机器人行 为设计的语言c d l ( c o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，) 与很多实际机器人都 有接口可以直接控制多种实际机器人女n p i o n e e ra t ，r w iu r b a nr o b o t 和n o m a d1 5 0 2 0 0 。但是该系统自从3 0 之后仅能运行于l i n u x 系统中图1 2 2 是该系统的一个 例子。 2 硕士论文 分布式多机器人仿真系统的研究与实现 图1 2 2m i s s i o n l a b s o c c e r s e r v e rs o f t w a r e ”1 这个软件可能是最著名的多机器人仿真软件，该 软件拥有大量的用户b l m i s s i o n l a b 更加成熟。该软件较少考虑到环境的几何要素 而更多考虑到机器人之间的交互和对抗。但是由于该软件是机器人足球的专用软 件所以用户不能改变环境难以进行足球比赛以外的仿真实验图1 2 3 是该软件的 一个例子 图1 2 3s o c c e rs e r v e rs o f t w a r e 硕上论立 分布式多机器人仿真系统的研究与实现 但是上述的那些仿真系统都只是简单的通过些二维图形来模拟机器人，进 行研究，缺乏仿真实感。特别是在越野环境中，不能真实的模拟出地形和场景， 当需要进行基于视觉的实验时就不能满足，为了更好的为多机器人系统提供逼真 的三维仿真平台，就需要求助虚拟现实技术。 虚拟现实是一项综合技术，涉及计算机图形学、人机接口技术、传感技术 及人工智能技术等，需要计算机、心理学、人类工程学等专家共同开发研究。当 人们需要构造当前不存在的环境、人类不可能到达的环境或虚拟环境以代替耗资 巨大的现实环境时，虚拟现实技术则必不可少。未来的信息处理将不再建立在单 一的数字空间，也就是说传统的打印输出和电脑显示无法满足信息社会人机交互 的需要，因此，要求能通过人的视觉、听觉、触觉、嗅觉以及形体、手势或口令， 加入到信息处理环境，这是一个多维化的复杂信息空间。虚拟现实技术是支持多 维信息空间的( c y b e r s p a c e ) 的关键技术。 1 9 7 8 年美国空军上尉j a t h o r p e 发表了一篇文章( ( f u t u r ev i e w s ：a i r c r e w t r a i n i n g1 9 8 0 - - 2 0 0 0 9 ，提出了联网仿真的思想。虽然当时的联网仿真技术并不成 熟，但是美国国防部接受了他的思想。【4 j 1 9 8 3 年，d a r p a 制定了一项称为“s i m n e t ( s i m u l a t i o n n e t w o r k i n g ) ”的计 划，希望将各军兵种、单兵使用的仿真器连接到网络上，形成一个共享的仿真环 境，进行各种复杂任务的综合训练。到1 9 9 0 年。这一系统包括了约2 6 0 个地面装 甲车辆仿真器和飞机飞行模拟器，以及通讯网络、指挥所和数据处理设备等，这 些设备和人员分布在美国和德国的1 1 个城市。通过这个系统可以训练军事人员和 团组，也可以对武器系统的性能进行研究和评估。s i m n e t 形成了新的分布仿真 的概念：将多种仿真应用集中到同一个时空环境中。其基本技术原则被以后的发 展所继承。 在s i m n e t 的基础上，异构型网络互联的分布式虚拟现实技术一d i s 发展起 来了，其目的是将不同时期的仿真技术、不同厂家的仿真产品和不同用途的仿真 平台集成在一起，实现交互功能。d i s 是s i m n e t 技术的标准化和扩展，它由一 系列的应用协议与通信服务标准、推荐的演练策略和相关的文档来确保互操作能 力。d i s 标准和协议的核心是建立了一个通用的数据交换环境，通过协议数据单元 ( p r o t o c o l d a t a u n i t ，p d u ) 的使用，支持异地分布的真实、虚拟和构造平台级仿 真之间的互操作。d i s 技术的发展最终形成了分布式交互仿真的第一个标准一 i e e e l 2 7 8 标准集。 s i m n e t 和d i s 都是同类功能仿真应用的互联，只有有限的互操作性，不能 4 硕十论文 分布式多机器人仿真系统的研究与实现 满足越来越复杂的作战仿真需求。为此，美国国防部于1 9 9 5 年发布了建模与仿真 主计划，决定在国防部范围内建立一个通用的仿真技术框架来保证国防部范围内 的各种仿真应用之间的互操作性。技术框架的核心是高层体系结构( h i g hl e v e l a r c h i t e c t u r e ，h l a ) 。h l a 在1 9 9 6 年8 月完成基础定义，随后为北约各国采纳， 并与2 0 0 0 年9 月被i e e e 接受为标准。【4 】 1 2 1 分布式虚拟现实 分布式虚拟现实( d i s t r i b u _ i e d v i r t u a lr e a l i t y ) 又称分布式交互仿真( d i s ) ，是 虚拟现实技术和网络技术相结合的产物，有人称之为网络化的虚拟现实技术。分 布式虚拟现实技术是以网络为支承平台，把分布在不同地域的相对独立的各类仿 真器联起来，构成一个大规模的，多参与者的协同作用的综合虚拟环境，以实现 个人平台、非个人平台问的交互以及平台与环境间的交互。”。 分布式虚拟现实与以前的单机虚拟现实系统强调“临境感”不同，它更强调 各个系统之间的交互和用户之间的通信，能让分布在各个不同地点的用户在同一 虚拟世界中相遇并交互，以支持协同工作。 分布式虚拟现实与以往的仿真技术相比它的不同之处主要体现在以下几个方 面： ( 1 ) 在体系结构上，由过去的集中式、封闭式发展到分布式、开放式和交互式， 构成可互操作、可移植、可伸缩及强交互的协同仿真体系结构。 ( 2 ) 在功能上，由原来的单个武器平台的性能仿真，发展到复杂环境下，以武 器平台为基础的体系与体系对抗仿真。 ( 3 ) 在手段上，从单一的构造仿真、真实仿真和虚拟仿真，发展成集上述多种 仿真为一体的综合仿真系统。 ( 4 ) 在效果上，由只能从系统外部观察仿真结果或直接参与实际物理系统的测 试，发展到能参与到系统中，与系统进行交互作用，并可得到身摘其境的 感受。 分布式虚拟现实技术是计算机技术的进步与仿真需求不断发展的结果，其主 要特点主要表现在五个方面，即：分布性、交互性、异构性、时空一致性和开放 性。在分布式虚拟现实系统中各个仿真结点在地理位置上是分布的，在功能和计 算能力上同样是分布的，既可以联网交互运行，也可以独立运行各自的仿真功能， 而且不同硬件和操作系统的节点可以并存于同一环境中。在仿真运行过程中，一 方面人可以与虚拟实体、计算机生成的构造实体和实际存在的现实实体进行交互： 另一方面各个实体之间具有交互能力。另外，分布式虚拟现实系统必须保证仿真 5 硕士论文 分布式多机器人仿真系统的研究与实现 系统中的时间可空间的与现实世界中时间、空间保持一致，这样才能使通过计算 机生成的综合仿真环境具有真实感，具有较高的可信度。分布式交互仿真系统是 一个开放的体系结构，各节点可以任意地、方便地加入或离开系统，这种动态变 化并不影响整个系统的f 常运行。 3 m 1 1 2 2 高层体系结构 高层体系结构( h l a ) 提供了个建模与仿真的体系结构，它的主要目的是提高 仿真系统之间的互操作性以及仿真系统的可重用性，减少仿真系统丌发、维护和 使用费时，降低开发成本，提高验证性、有效性和置信度，并且尽量涵盖m & s 领 域中所涉及的各种不同类型的仿真系统，同时能适应不断发展的新技术，来满足 复杂大系统的仿真需要。 h l a 主要由对象模型模板( o m t ：o b j e c tm o d e lt e m p l a t e ) 、接口规范( i s ： i n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n s ) 、规则( r u l e s ) 三部分构成。在h l a 中，为实现某 种待定的仿真目的而组织到一起，并且能够彼此进行交互作用的仿真系统、支撑 软件和其他相关的部件就构成了一个联邦( f e d e r a t i o n ) ；所有参与到一个联邦中 的应用系统被称为联邦成员( f e d e r a t e s ) 。h l a 的联邦构成的逻辑表示如图所示。 一个联邦中的各个成员之间的交互作用是通过h l a 中一个重要部件运行时间支 撑系统( r t i ：r u n t i m ei n f r a s t r u c t u r e ) 提供的服务来实现的。l g j l i o 1 l j 1 对象模型模板o m t o m t 提供了一个标准的文档化的格式来描述有关信息，如联邦对象和它们的属 性( 描述联邦中对象状态的数据) 以及联邦中可能出现的对象之间的交互。具体 的来说，联邦对象模型f o m ( f e d e r a t i o no b j e c tm o d e l ) 提供了一个标准化的的 格式用于说明联邦成员间的所有公共数据的交换，从而f o m 建立了个“信息模 型约定”，这对于保证联邦成员之间的交互性是很重要的。仿真对象模型s o l ( s i m u l a t i o no b j e c tm o d e l ) 用于详细描述单个仿真成员所能提供给整个联邦的 自身能力。f o m 和s o m 被存人相应的数据库中，作为建模和仿真资源库( m s r r ) 的一 部分，供联邦执行开发过程使用或重用。 总之o m t 提供了一个对于公共数据交换和联邦成员之间的协调的描述的理解 机制，提供了一个对于联邦成员能力描述的理解机制，它可以使m l a 联邦对象模 型的设计与开发变得更为容易。 2 接口说明i s h l a 的接口说明部分描述了r t i 提供给联邦成员的功能接口。r t i 提供给联邦 6 硕l ：i k 文 分布式多机器人仿真系统的研究与实现 成员的服务就类似于一个分布式操作系统提供给应用程序的服务那样。r t i 提供给 联邦成员的服务可分为六类： 3 规则 要使一个仿真系统与h l a 相适应，必须遵守以下的规则。目前有十条这样的规 则： ( 1 ) 每个联邦都应该有一个符合h l a 的对象模型模板( o m t ) 的联邦对象模 型( f o m ) 。 ( 2 ) 联邦中f o m 内部对象的所有表示都应该包含在联邦成员中，而不是在 r t i 中。 ( 3 ) 在联邦执行当中，联邦成员之问的所有f o m 数据交换都必须经过r t i 实现。 ( 4 ) 在联邦执行当中，联邦成员与r t i 之间的交互应该符合h l a 的接口规范。 ( 5 ) 在联邦执行当中，对象实例的任何一个属性在给定时间至多被一个联邦 成员拥有。 ( 6 ) 每个联邦成员都应该有一个符合h l ao m t 的s o m 。 ( 7 ) 联邦成员能够修改、反映s o m 对象的属性，发送接收$ o m 中对象的交互 信息。 ( 8 ) 联邦成员应该能够在联邦执行过程当中动态转移接受属性的所有权。 ( 9 ) 联邦成员应该能够改变条件，从而实现对象属性的更新。 ( 1 0 ) 联邦成员应该能够管理本地时间，从而能够协调和其他联邦成员的数 据交换。 以上十条规则全面定义了联邦成员之间的关系。 h l a 是一个开放的、支持面向对象的体系结构。它最显著的特点就是通过提供 通用的、相对独立的支撑服务程序，将应用层同底层支撑环境分离，即将具体的 仿真功能实现、仿真运行管理和底层通信三者分开，隐蔽各自的实现细节。 因此，基于h l a r t i 的三维仿真平台是大势所趋。 1 2 3h l a 与d ls 的主要区别 1 在d i s 中，仿真网络从逻辑上来看是一种网状连接。也就是说，每个仿真应 用都向网络上的其他仿真应用广播自身的状态信息，同时又接收来自其他 仿真应用的信息。这中网状逻辑结构比较容易管理，但是与之相伴的是大 量的冗余信息，使仿真网络难以扩展。而在h l a 的结构下，仿真网络呈现出 一种星形的逻辑拓扑结构。这种结构使仿真网络中的通信更加有序，仿真 网络的扩充变为可能。 7 硕十论史 分布式多机器人仿真系统的研究与实现 2 在d i s 中，仿真网络是种严格的对等体系结构。如果实体有状态变化，那 么就要随时间向其他仿真应用广播自身状态信息。在h l a 中，采用了客户 服务器机制，只有当实体的状态信息发生变化时，才发送信息。每个联邦 成员都可以指明自己能发送的信息和想要接受的信息。 3 在d i s 中，网络传输的对象是协议数据单元p d u ，每个p d u 都包含了一系列的 信息，即使是其中一个数据发生变化，也要发送整个p d u 。而在h l a 中，网 络传输的数据来源于联邦成员的与r t i 之间的各种服务请求和应答。当实体 的某些参数发生变化时，就传送这些参数的值，数据的传输量比在d i s 下要 小得多。 4 。在时间推进机制上，h l a 允诲不同时时间推进机制的仿真应用实现彼此的交 互和作用。具体的讲，h l a 允许实时、超实时、欠实时以及完全由事件驱动 的仿真的共同参与，并保证它们之间的互操作性。d i s 系统则不然，他只允 许在统一时间推进机制和时间尺度下的实时仿真应用的共同参与，实现交 互。尽管作为d i s 组成之一的构造仿真单独可以在飞实时模式下运行，因为 在d i s 环境下，要实现实体间信息的相互理解，必须保证时间一致性，这是 d i s 的基本原则之一。 从上面几点可以看出，h l a 定义的结构规模更大，仿真功能更强，因此h l a 已 经成为下一代仿真系统的标准，美国国防部1 9 9 9 年已经决定，不再支持不符合h l a 标准的仿真系统的研究“1 。 国外在h l a r t i 方面的研究已经有了较高的水平，从1 9 9 4 年丌始，美国陆军 与美国大西洋司令部联合开展了战争综合演练场的研究，建成了一个包括海陆空 多兵种、有3 7 0 0 多个仿真实体参与的地域范围覆盖5 0 0 公里7 5 0 公里的军事演 练环境。近年来国内对h l a r t i 的研究与应用也已经日渐深入。 1 3 本文的内容安排 本文借鉴h l a 的体系标准实现了仿真系统中的部分内容，包括单个机器人的 仿真和r t i 提供的一些的简单服务。具体内容安排如下： 第一章对多机器人系统及其仿真系统和虚拟现实的背景资料做一个综述，阐 明本文的工作重点和内容安排。 第二章从总体上介绍本文研究的多机器人仿真系统的结构，并提出在系统中 要解决的问题，并着重提出机器人间的通信问题，加以分析。 第三章介绍单个机器人的仿真，主要介绍移动机器人的行为模拟，以及场景 中太阳光照的模拟。 硕士论文 分布式多机器人仿真系统的研究与实现 第四章主要介绍r t i 服务，并用扩充的p e t r in e t 对一些基本通信行为建模 进而描述简单的r t i 服务。 第五章实现一个多移动机器人协作的仿真试验。 最后对以后的工作做了展望。 9 坝l 论文 分布式多机器人仿真系统的研究与实现 2 分布式多机器人仿真系统 2 1 系统的开发背景 地面智能移动机器人是利用多种高技术( 人工智能、信息处理、精确定位、 计算机科学与工程、系统集成、系统仿真、通信技术、自动驾驶等) 手段，研制 多个能在复杂的地理环境中自主和遥控行驶的无人驾驶地面机动平台。该平台除 具有全天候自主导航能力外。还具有运动目标检测与跟踪的能力。多机器人仿真 系统是为地面移动智能机器人堤供一个虚拟的试验平台，来验证路径规划等等一 系列算法以期应用于实际的地面智能机器人平台。设计这个仿真系统的时候给出 的任务是让机器人群按照一定的队形前进至指定的地点，虚拟的试验环境是用预 先在试验场采集的地形坐标数据三维建模搭建起来的。试验环境比较复杂，有山、 湖和其他障碍物，在实际使用时也可以对场景的某些部分进行编辑，如添加障碍 物等。并且对一些环境中的不确定因素进行模拟，如天气、太阳光照等。机器人 在行进的过程中必须避开这些障碍物，选择合适的路径到达目的地。机器人在前 进过程中传递的主要数据就是位置姿态信息以及障碍信息和一些协作信息，位置 信息是指机器人目前所处的位置的三坐标，姿态是指机器人的三个量( 在后面的 章节中详细介绍) ，障碍信息是指机器人探测到的障碍的位置三坐标。 仿真实验对于多机器人协作的试验是很重要的，仿真实验环境的好坏将直接 影响到实验的结果。根据我对一些文献的研究并结合本项目的要求，一个良好 的分布式仿真系统一定要达到下要求： 1 通用性。 某些仿真平台如上一章提到的一些都只是为某种特定的算法或任务而建立， 要不就是失研究某种特定的问题如机器人足球，都缺乏通用性，因此建立一个比 较通用的平台，并提供一些接口给一些算法来实现，将减少很多工作量。当然这 很难实现，能在同类型机器人中的仿真实验实现通用就很好了。 2 交互的人机图形界面。 提供这样一个接口，一方面可以让用户各直接的看到实验的效果，另一方 面可以让用户对场景和机器人模型进行编辑，以达到对某一些算法的具体要求， 如在场景中添加一些障碍，改变机器人的外形和参数等。 3 机器人行为的模拟。 要能确实模拟出机器人的运动和各种状态行为，对于移动机器人最主要的 1 0 硕上论文 分布式多机器人仿真系统的研究与实现 就是运动。 4 实时性 因为，有的时候多机器人的协作需要马上作出反应，还可能要进行一些预 测，因此，一定要有个统一的时钟。 5 汜录功能 可以记录仿真机器人在实验过程中的一些数据，以便以后用来分析和研究， 如仿真摄像头采集到的画面。 6 机器人之间的通讯。 机器入之间通信是多机器人系统的核心活动之一，是机器人之间相互协 调，合作，竞争和完成任务的基础，特别是一些数据的流向，考虑到系统中描述 的有很多并发现象和资源共享等。本文中将用r t i 服务来实现它们之间的相互 作用。 2 2 分布式多机器人仿真系统的结构 分布式多机器人仿真系统在物理结构上一共分成两部分，一个是监视控制端， 用于对参与实验的仿真机器人进行必要的监控和协调控制：另一个是机器人仿真 端，用于仿真单个机器人的一些自主和受控的行为。 分布式多机器人仿真系统在系统结构在采用c s 模型，在服务端用一台p c 来 实现，除了实现对仿真多机器人在必要时的控制和监控外，还为多机器人的协作 提供一些通用的服务，客户端用于仿真单个机器人的行为，实现实验中的算法。 如图2 2 1 是仿真系统的一个物理结构图，总控端用一台p c 来实现，各个机器人 分别由一台p c 来模拟成各个客户端，在客户端上可以进行各种仿真试验，然后通 过有线网络来进行通信协作。 各个客户端若通过无线网络再和他所仿真的机器人相连用于真实机器人。如 图2 1 ，把客户端和机器人放一起就形成虚拟的多机器人仿真系统，把总控端和各 客户端放在一起就成一个真实的多机器入系统，这样就形成一个虚实的多机器人 仿真系统。这旱相当于用一个总控服务端p c 来模拟一个总体环境，用有线网络来 模拟个机器人的传感器和无线网络，来进行机器人和环境或机器人之间的通信， 当然，这只是对该系统未来发展的一些展望，本文中对无线网络不作考虑。 硕，l 论义分布式多机器人仿真系统的研究与实现 图2 2 1 仿真系统结构图 2 2 1 总控服务端 总控端用一台p c 来实现，如图2 2 1 1 由以下几部分组成： 1 机器人的控制。在必要时( 如机器人在某种情况下不能进行自主工作) 给机 器人发送事先定义命令，来指挥机器人的行为。 2 数据管理。 ( 1 ) 地形数据。 地形数据是由以下几部分组成： a 一些物体高程坐标和位置坐标，如草地、工事、平台、湖泊、路面等 b 树、花、房子的位置坐标 地形数据对地面移动机器人的仿真是很重要的。 ( 2 ) 机器人的模型和一些状态信息，包括机器入位置、速度、运动方向等 硕土论文分布式多机器人仿真系统的研究与实现 图2 2 1 1 服务端物理结构 3 用户编辑接口 提供该接口能使仿真平台更具有通用性，用户可以对自己所需要的环境进 行一些编辑，以达到自己的仿真试验的要求。如添加障碍、改变路的表面、 选择试验的时间、设置机器人的外形等。 4 有线通信接口 用于总控端和客户端的数据通信。本平台是用基于连接的t c p 协议。由于 本平台用的网络是用高速局域网的，速度快，不会有延迟的问题，所以就 能从分利用t c p 的可靠性，而不必担心延迟问题，这样可以不用考虑由于 包丢失的问题。 5 仿真进程 考虑多机器人之间的相互影响等，将得到的一些数据和中间过程的数据用 于动画显示 6 监控动画显示 ( 1 ) 监控各客户端仿真机器人的行为，主要是对机器人行为的模拟 ( 2 ) 场景显示 2 2 2 客户端 因为客户端和服务端共享同一个时间和空间，其地形数据和服务端是一样 硕士论文分布式多机器人仿真系统的研究与垂；现 的，并需要保持它们之间时空的一致。所以他们仿真的过程是相似的。不同的是 他作为客户端只和服务端通信，而服务端要和多个客户端通信。如图2 2 2 1 ，仿 真实验的算法和策略在用户仿真部分进行，用于控制机器人以及和其他机器人的 协作。 2 3 小结 图2 2 2 1 客户端物理结构 本章介绍了地面移动机器人仿真系统的基本情况，分别从物理上和系统上介 绍了仿真系统的基本结构和组成，并详细分析了每个部分的组成和功能，为下面 的具体实现做好准备。 1 4 碳i ：论文 分布式多机器人仿真系统的研究与实现 3 单个机器人仿真 单个机器人的仿真包括机器人行为的仿真以及机器人传感器的仿真，这些都 离不开它所在的环境，所以有必要建一个虚拟的场景。其实，不管是总控的服务 端还是仿真机器人所在的客户端，它们的场景都是一样的。他们拥有相同的地形 数据，它们之间通过网络来保持一致。这样客户端模拟机器人上的模拟传感器探 测的数据就可以直接从本地获取，而不必到服务端去获取。场景的构建可以分成 以下几部分： l 、场景的构建。构建一些地形情况，如山、湖、路、工事和树等。 2 、机器人模型的构建，其中包括移动机器人行为的模拟，如向前行使、转弯等， 还有机器人传感器的模拟，如摄像头、雷达等。 3 、场景中一些不确定因素的模拟，如天气、太阳光照等效果 3 1 地形的构建 地形的显示是将采集到的一系列的连续的坐标分成一个个三角形，然后画出 这些三角形、贴上相应的纹理，加上一定的属性设置，就得到场景。其他一些物 体，如树、花等，都是通过建模，然后再显示。只有通过生动的三维场景显示， 机器人才能进行基于视觉的实验。因为这部分不是本文的工作就不详细阐述了。 3 2 机器人模型的构建 机器人的模型是用3 d m a x 建的，如图3 2 3 1 就是机器人的模型，但这不是 问题的重点。重要的是模拟机器人的移动的动画显示，使之看起来有连续性。一 般显示移动机器人模型需要3 个向量：机器人的位置、机器人身的方向、机器人 车身平面法向量( 即机器人的4 个轮子所在平面的法向量) 。 3 2 1 机器人的位置 一般模拟机器人向前移动时，是在每一帧把机器人显示在不同的位置。机器 人彳导到的算法规划出的路径一般只给出一些关键的点，很离散，不能按照那些关 键点来显示，否则的话动画就很不连续，必须在这些关键点之间进行插值。 设路径上两点( x 。，z ，) 、( 五，z ：) ，( 这里暂时不考虑高度，后面会考虑) 可以在两点之间进行n 点插值。则得到的一系列点为 硕士论文 分布式多机器人仿真系统的研究与实现 f x + 生当z 。+ 丝+ 门 l 玎力 其中t = 0 ，1 ，2 n 3 2 2 机器人的方向 确定机器人的方向有点麻烦，当然在机器人沿直线走时，只要保持方向不变 就行了。但是在转弯时方向就要变化。这个变化也要具有连续性，不能一下子就 改变方向，应慢慢的转过，但这有会引起位置显示的问题。 如图3 2 2 1 假设移动机器人的路径为从a 经过b 转弯到c a 图3 2 2 1 路径图1 b e c 图3 2 2 2 路径图2 c 假设移动机器人转弯时走的是个弧形，则移动机器人的移动轨迹为a d e c ， 其中d e 为一段弧，假设a b 、b c 和圆0 分别相切于d 、e ，d b = b e d ( x l ，y 1 ) ，b ( x 2 ，y 2 ) ，c ( x 3 ，y 3 ) 则坐标圆心d ( x ，y ) 的坐标为 ( x l + a c 留i 口s i n ，y l c 增i 货c o s f l j 半径为r = a c t g a 其中a ：b d ，q 为角d o e 的一半，b 为a b 和水平线的夹角 1 6 倾 论文 分布式多机器人仿真系统的研究与实现 易得弧d e 上的任意一点的坐标为 【x r s i n 0 ，y 十r c o s 口) 其中0 介于a b 的方向角和b c 的方向角之间，而b d 的值就要看机器人和弯的 具体的情况来设定了，由于本文的实验中转弯的幅度都不是很大，就固定的设了 一个值。 这样就可以对一共要转过的方向角进行插值，得到方向角0 ，就能得到机器 人在二维的平面位置。 3 2 3 机器人平面的法向量 得到机器人在二维的平面上的位置之后，就可以得出四个机器人轮子在二维的 平面上的位置，假设其中一个机器入轮子在二维平面上的位置坐标是( m ，n ) 则其在三维中的坐标设为( m ，y ，n ) ，这是一条垂直于水平面的直线，方程为 i x = m 【z2 n 因为这条直线是垂直于水平面的，所以它一定且穿过唯一一个描述地形的三 角形面片w ，通过搜索地形面片就能找出这个面片，从而求出交点，即是机器人轮 子的三维坐标。同样可以得出三个机器人轮子的三维坐标，根据三点确定的平面， 求出它的法向量，就是机器入平面的法向量。 在这个过程中搜索w 是很复杂的，因为描述地形的三角形面片有很多，如果逐 个搜索的话，会浪费很多资源，消耗的时间也多。所以就有必要把这些面片按二 维位置区域做好索引，相应位雹的点就搜索相应区域的三角面片，这样可以节省 大量的计算量。具体索引方法的就不详述。 假设求出的机器人三个轮子的位置为a ( x 。，y i ，z 。) 、b ( x ：，e ，z ：) 、c ( x 3 ，墨，z 3 ) 则机器人平面为 a x + b y + c z = l 其中 硕卜论文分布式多机器人仿真系统的研究与实现 a = x l 1 x 2 1 x 3 1 c = l z l z 2 z 3 可得机器人平面的法向为： 0 ，b ，c ) 同时根据这个平面方程，由机器人的平面位置可以得出机器人高度为； z ：! 二些二坚+ 尘生 cc o s 曰 其中h h 为当机器人处于水平位置时，机器人上选定的作为机器人位置的一点 位置和机器人的轮子位置的高度之差，p 是机器人平面和水平面的夹角。 综合以上求得的几个量就可以准确的模拟出移动机器人一些行为。下面的图 3 2 3 1 和3 2 3 2 是机器人在不同地形上的机器人身的姿态 图3 2 3 1 机器人的姿态a 、lll；ll 乙乙乏i z z 6 、?引一引 一匕ei匕匕 一 iiiijx x 硕士论文分布式多机器人仿真系统的研究与实现 图3 2 3 2 机器人的姿态b 3 3 场景中一些自然现象的模拟 在一些仿真实验中，需要一些特殊的要求，如天气情况等，本节中将介绍一下 参考文献 8 中的太阳模型实现对太阳光照的模拟。 3 3 1 太阳模型 太阳的一些几何参量8 | ： ( 1 ) 太阳高度角0 。，是地球表面上某点和太阳的连线与地平南之间的夹角 s i n 如= s i n 妒+ s i n a + c o s + c o s l 2 + c o s 0 9 其中够为当地纬度角；a 为地心和太阳中心的连线和赤道平面的夹角；为 太阳时角， 吲等+ 丽e - 1 2 ) 1 5 h 。为当地标准时间，l 为当地经度，l 为标准时间经度，e 为时差 ( 2 ) 太阳的方位角p 。是太阳到地面上某地在地面上的投影与南向( 当地子午 1 9 坝卜论文 分布式多机器人仿真系统的研究与实现 线) 的夹角。 p ，的计算方法见文献 8 太阳光学参量 8 i ： 仿真中，主要要采用大气上界垂直太阳光线平面的太阳辐射亮度点。( ) ，他和 地同距离成反比。 删姐，+ ( 毒2 式中e 。为太阳常数，r 为地日距离月。为平均地日距离， 3 3 2 太阳光照仿真 太阳到达地面的光辐射可分为两种：太阳的直接辐射、大气中的热量辐射即 l 。= l d 。_ + ls h l 。= e o ( 五) + ( ) 其中 ( 五) = e x p ( 一5 s e c ( 9 0 - ) ( 3 3 2 3 ) 其中占为太阳穿过大气的透过率，他和很多因数有关，如温度、湿度等，但 为了仿真方便，就不再仔细考虑，使其固定为1 5 1 9 。 l m ，e - 黔 其中k 为散射辐射照度常鼙，和火气反射率有关，暂时取为1 。进而估计得 l 。h = l 。，。一l d | 以上一些参量的计算方法在文献8 中可见，就可以得到两种光的辐射度。 下面的几条曲线是在同一地点的不同日期的两种光的估算的辐射度，这里本 文假定标准时间是北京时间。 比较下面的两幅同一地点的不同季节一天的的辐射度图，可以发现和实际情 况还是比较接近的。每幅图的上面一条曲线是l d 。t 下面一条是l s k ，。 倾卜论史 分布武多机器人仿真系统的研究与实现 如图是三月五日那天在纬度4 5 度、经度1 3 0 度的两种光的辐射度 图3 3 2 1 - - j 9 五日两种光的辐射度 2 1 硕t 论文 分布式多机器人仿真系统的研究弓实现 下图是在九月七日在纬度4 5 度、经度1 3 0 度的两种光的辐射度 图3 3 2 2 九月七日两种光的辐射度 碗：论立 分布式多机器人仿真系统的研究与实现 3 3 3 环境太阳光照仿真 得到两种太阳光的辐射度后，就可以用o p e n g l 中的光源来模拟。 这里我用一个方向随时间变化的定向光源来模拟某一时间的上。，光强的大 小按上面的辐射度的变化进行变化，方向为， ( c o s 8 h + s i n 妒，s i n 目h ，c o s h + c o s 妒。) 用多个不同位置的光源来模拟三。( 位置最好均匀一点) ，这样就能得到太阳 光照。下图是假设场景在纬度4 5 度、经度1 3 0 度，3 月5 日中的不同时间的场景 光照效果。 图3 3 3 1 场景的不同时间太阳光照效果图 硕l 论义 分布式多机器人仿真系统的研究与实现 3 4 小结 本章实现了对单个移动机器人的一些基本行为和其所在环境的仿真，对仿真 机器人的三维坐标的确定、前进、转弯等进行了仿真。本文对传统的太阳光照仿 真模型加以改进，实现了太阳光照的仿真效果，实现了短时昼夜光效模拟，光照 基本上符合实际情况。由于只考虑了太阳的影响，没有考虑其他的因素，所以在 有些时间段得到的光照不均匀，造成有的地方亮，有的地方暗，但总的来说效果 还是可以的。 倾二论文 分布式多机器人仿真系统的研究与实现 4 多机器人间的通信模型 多机器入之间协作的关键是通信，本文通过实现一些简单的r t i 服务来实现 多机器人间的相互通信。r t i ( r u n t i m e i n f r a s t r u c t u r e ) 是h l a 中的一个重 要部件，它提供的服务来为联邦中的成员之间的交互作用的实现提供服务。 r t i 提供给联邦成员的服务就类似于一个分布式操作系统提供给应用程序的 服务那样。r t i 提供给联邦成员的服务可分为六类”1 ： 1 ) 联邦管理：指的是对一个联邦执行的创建、动态控制、修改和删除。 ( 1 ) 创建删除一个联邦执行。创建一个联邦执行到r t i 所支持的一系列联 邦执行当中，或是从中删除一个联邦执行。 ( 2 ) 加入退出一个联邦执行。把一个联邦成员加入到一个联邦执行当中， 或是一个联邦成员退出一个联邦执行。 ( 3 ) 请求发起暂停。请求暂停联邦执行的推进。r t i 通过发起暂停服务指 示联邦成员暂停联邦执行的推进。 ( 4 ) 暂停完成。联邦成员通过这个服务表明自己已经停止状态的改变，进入 暂停状态。 ( 5 ) 请求开始恢复。一个处于暂停状态的联邦成员想恢复联邦执行的推 进。 ( 6 ) 恢复完成。联邦成员正在展开状态。 ( 7 ) 请求开始联邦联邦成员状态的保存。要求保存联邦或联邦