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简易智能群体机器人系统 【目的】设计和制作智能化、系统化、信息化的群体机器人，在工作能力、可靠性、效率等方面突破单机器人工作的局限。探讨如何使群体机器人在复杂的工作环境中执行难度较大的工作任务，如危险环境下的机器人救援工作、有害物质清理、未知领域的探索工作等。【思路】结合分布式人工智能、复杂系统、社会学、管理学等其他研究领域的理论及方法，探讨机器人群体乃至机器人社会的各种组织方式、信息交互方式和进化机制的基本问题。并在结构上对其进行仿真。【工具材料】ARM嵌入式系统：一个；AT89c51单片机系统： 三个，分为两个单控，一个主控；传感器：邻近传感器、光敏传感器、加速度传感器、湿度传感器、声音传感器；小车车体：三个（车体上包含小车之间相互连接的夹子与移动基座）；无线通讯模块：基于Zigbee标准的CC2420芯片GSM模块：菲利普公司生产的TC35型；相关电路板以及电子元器件若干；供电电源：12V50Hz交流变换器；相关及调试编程软件：visual studio 2010、keil uvision3、mat lab 等。【制作过程】用相关软件进行系统仿真，配合搭接相关硬件系统，并进行调试，在相关简单环境下进行项目测试，分析不足与遇到的问题，进行查证以及改进。【科学性】本次实验综合应用了很多先进的理论，实现了很多功能的集成与再创新，并进行了相关理论的学习与实际应用，极大促进了理论与实践的相结合。【先进性】本次实验大部分由学生设计，亲自动手操作，详细查阅了相关文献，但不拘泥于资料中的方法与结论，通过自己设计的实验方法，完善并优化了设计方案，极大提高了学生动手能力。【创新点】(1) 完成一些单机器人系统无法完成的需要几个机器人同时配合操作的内在合作任务，实现智能群体控制。(2) 设计若干简单的机器人比为具体任务设计功能强大的单个机器人更容易、更经济。(3) 可以提高工作效率，实现群体路径及工作方式的优化选择，实现协同控制。(4) 利用系统内机器人能力的冗余性提高完成任务的可能性，增强系统的性能，如柔性、鲁棒性等。(5) 小车上增加GSM模块，增加短信控制功能，实现部分情况下的人为的GSM网络控制，实现部分人工智能作品简介群体机器人是比较前沿的课题，能被广泛地应用于各个领域，例如探测、搜救等，各个国家都在研究，我国也在作相关的科学考察与研究，因此有着一定的理论基础。本项目将通过一定的机械结构与算法的设计进行行走方式的优化，并应用传感技术与控制技术，使得当其中小车出现意外时实现自身团队营救，确保约定功能的实现；同时利用红外线进行图像侦测以识别地形，识别壕沟后调整运动状态，对自身结构进行调整，连成整体；将机器人技术与图像处理技术结合起来，从技术层面上讲有很大的应用前景。项目技术方案群体机器人系统是能够跨越壕沟并在意外情况下实现自动搜救的小车群。它的整体方案分为机械硬件系统与控制系统，具体内容如下：一、机械硬件系统：本项目所设计的智能群体机器人，其机械结构主要由若干小车、机械臂、衔接钩环、小车载物平台组成。在此基础上，可以在小车载物平台上加装需要的各种功能模块，以实现功能扩展。为完成若干小车运行的相关功能，平台设计为略小于小车长度和宽度的双层阶梯结构，下层结构中心为双面电路板，为控制系统心脏部分，安装了各类电子器件、处理器等；上层为机械安装部位，安装夹子与移动基座，小车周边各方向安装相关探测传感器等。功能模块由车体、载物平台等组成的基础构架上，可以按需求安装各种必要的功能模块。为充分、细致地感知外部环境中的障碍物、搜救物，完成自主导航功能，机器人需配置数个红外线传感器；另外，在平台上可以其他的各种载荷，如红外检测装置，加速度计和撞击检测开关等。二、控制系统：控制系统是机器人的核心，通过不同的控制语令，将各个机械结构的驱动电机协调起来，使其能完成预定的功能。高效智能的控制系统是本项目的关键部分。项目对于系统的稳定性及实时性都有较高的要求。小车的控制系统主要分为硬件配置和软件规划两个部分。硬件部分为控制系统建立基本的控制平台，而软件部分则是智能化的体现。在小车的控制系统上，我们将考虑采用功能强大的ARM单片机作为主控部分的处理器，以AT89c51单片机作为前后衔接控制电路的处理器，以提高系统的稳定性。通过中央控制器给关节控制电路及各个附加功能模块提供指令，控制其状态的变换 以及协调各个模块，而这些关节控制器以及附加功能控制器再控制相应的机械结构，从而使小车能按照预期的方案实现相应的功能。在控制方面，小车按次序在路面行走，在调节控制过程中红外线探测模块将地形信息采集后送往图像处理区，转化成系统可识别的信号后传递给控制系统，而控制系统则根据接收到的图像信息配置做出相应的调整方案，通过指令控制车前后衔接机械部分较好衔接，使其各小车能成为一个系统，红外探测装置可以实时的采集反馈回地形情况，以提高系统的实时性控制能力，找到最佳前进路线。考虑到小车在行走的过程中会发生预期设计之外的故障问题，比如有一小车意外掉入壕沟，我们将在系统中加入意外备用模块。此模块安装在各个小车上，当小车功能均正常时模块不向其他小车反馈信息，其他结构均按照正常设计要求工作；当有一小车掉入壕沟时，该小车会通过无线电向其他小车反馈报错信息，而控制系统将在这些报错指令的激励下做出相应的调整，带有相关救援机械的小车会驱动自带的机械装置做出相应的调整，对掉入壕沟的小车实施营救，而不带该类机械装置的小车会对救援主体小车做出相应的配合，确保能够拉起掉下的小车，继而完成原先设定的任务。通过这样相互的配合，确保能成功地完成任务。在其他功能模块的控制方面，控制系统将按照预先设定的程序来控制相应模块的动作。通过对图像处理模块进行控制，使超声波模块能够采集到相应的地形及障碍信息，为小车前进路线及速度的调整提供实时依据。在功能实现方面，找到合适机器人的算法是至关重要的，本项目将主要采用蚁群算法、粒子群算法和博弈理论的混合算法来共同实现小车的功能。其中，利用蚁群算法进行智能机器人运动路径规划，求解出智能机器人的目标方向概率，确定下一步的移动方向；以粒子群算法优化智能机器人的移动速度，以合适的移动速度完成任务；基于人工势场法，对群体机器人系统做宏观协调，避免智能机器人之间相互发生冲突。三、协同控制系统协同控制系统是指找出构建智能机器人、并把若干个智能机器人联系到一起的形式，进而构成群体结构体系，实现预定的群体行为。协同智能可以解决个体之间可能存在的竞争或协作的问题，即系统内部的博弈关系，包括策略、信息、控制等方面长远的、静态的关系模式，从全局角度定义每个个体在系统中需要履行的职责。在群体机器人协作系统中，每个个体机器人通过群体结构体系能够获得关于系统整体行为的高级观点，在减少冲突的基础上，有助于引导局部控制实现协作，增强系统的全局一致性。为了保证群体机器人系统具有模块性、容错性、完整性、可靠性和可扩展性等要求，由一个主控单元和一组自治智能机器人组成了分层式结构系统。各个机器人之间的关系、地位是平等的，各个机器人均能够通过通讯等手段与其他机器人进行信息交流，自主的进行决策。该系统组织协调一群机器人共同进行工作，并通过宏观协调机制来建立智能机器人之间的合作。主控单元负责规划机器人的任务和运行路线，并将其发送给智能机器人：智能机器人从主控单元接受命令，自行进行路径规划、速度优化，并针对此规划同其他机器人进行协调，在执行规划时监控紧急情况，由主控单元协调潜在的冲突或无法完成的失败动作。这种结构方式具有灵活性和适应性强的优点，可以避免出现个体机器人以自我为中心的系统冲突。由于具备全局的宏观调控机制，从而使得个体机器人较少的占有系统资源，使得算法的收敛速度加快，总体目标任务完成的效率提高。 为成功完成上述目标，可以将分层式结构体系细分为系统监控层SML、协作规划层CPL和行为控制层BCL三个层次。通讯是协作机器人之间交互的基本手段，机器人之间相互交换的信息主要包括任务、环境状态和运动数据等。SML运行于主控单元，在群体机器人协作系统中，系统自动检测运行情况，其目的是使任务更有利于执行、运动更加合理。SML不参与具体的任务和运动规划，除了判断并提供关于整个系统的运动状态信息外，当系统发生不可预知的情况使得CPL和BCL都无法解决时，由SML处理这些异常、冲突和锁死等。另外，在某些情况下监控系统还可以通过系统监控层向外界展示出其系统运行情况。CPL同时运行于主控单元和自治机器人本体，它的主要功能是建立群体机器人之间分层式结构的组织形式关系，在主控单元中根据任务的要求创建宏观协调机制以组织机器人群体，并计算各个机器人之间博弈任务的权重，解决机器人之间的任务级别协作问题(如一些异常、无法解决的冲突和锁死)。在自治机器人中以蚁群算法规划自身最优路径，以粒子群算法进行全局问题优化，并解决机器人之间的信息传递问题。BCL垂行于自治机器人本体中，采用基于行为的方法，根据当前的任务状态，综合传感模块检测到的环境信息，通过通讯获得的相关信息及来自上层系统的有关命令，结合对工作环境的了解进行决策，传递CPL给出的具体的运动方向和运动速度，使执行模块实现具体的运动控制，并结合对工作环境的了解，随时向CPL反馈自身位置和环境信息。 以上所述分层式机器人控制结构体系的控制策略，主要是考虑到群体机器人较大的系统规模以及比较复杂的工作环境。系统监控层主要实现系统自身的的实时监控功能；协作规划层在与其他机器人相应层的交互过程中建立系统的分层式组织形式，合理快速的完成任务的分解和分配，实现机器人之间的任务级别协作；行为控层主要采用基于行为的方法实现具体的运动控制。根据各层所实现的功能，使系统整体具有容错性、模块化等优点，是一种适合群体机器人系统任务级协作的控制结构体系。通过这次项