文献综述-机器人通信.docx

文献综述题 目 未知环境中多机器人通信技术研究 姓 名 杜帅锋 专 业 通信工程 学 号 201251004 指导教师 邵 杰 郑州科技学院信息工程学院二一六年三月8目录1前言11.1概述11.2 设计研究的背景意义12多机器人通信方式22.1多机器人通信方式介绍22.2基于多机器人通信模型研究22.2.1机器人通信访问协议32.2.2智能体通信方式33基本通信模式43.1C/S模型43.2基于Zigbee通信43.3云计算多机器人54国内外研究状态与水平55 多机器人通信系统研究展望6致谢7参考文献71前言目前，机器人技术是近年来发展起来的一门综合学科，集中了机械、电子、计算机、自动控制等多学科最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就。随着机器人技术的发展，机器人的能力不断提高,机器人应用领域也不断开拓,尤其是一些危险的、特殊的领域人们对其“智能”的要求也日益提高，由于单机器人的局限性,一些复杂任务需要通过多机器人协调来完成，要求多机器人之间具有协作能力。主要通过书籍和网络文献了解国内外群体机器人协调工作中通信技术研究历史和现状。1.1概述本文的主要研究内容如下：主要介绍了多机器人通信研究发展历史与研究现状，指出了论文的课题背景。介绍了国内外多机器人通信的各种通信方式，并重点介绍了三种主流的群体机器人通信方式，并以此引出两种实验与仿真。对全文内容的总结说明，并指出了新的研究方向和仍然需要进一步解决的问题。1.2 设计研究的背景意义目前人们对多机器人的研究主要集中在运动控制层,即研究多机器人忽略了多机器人协调最基本的问题,即多机器人之间信息的传递;多机器人之间通过必要的信息交流,从多机器人的同步或协调,如坐标确定、路径规划、防止死锁、避免碰撞等,这虽然是很有必要的,但忽略了多机器人系统的角度实现系统中单个机器人的控制。多机器人协作和控制研究的基本思想就是将多机器人之间的协作看作一个群体，研究其协作机制，从而充分发挥多机器人系统各种内在的优势。为了有效地交流和协商，必须解决机器人之间信息处理与传输问题，即多机器人通信问题 。多机器人技术是机器人学发展的一个新方向.一方面,由于某些任务的复杂性,单个机器人难以完成时,常通过多机器人之间的合作来完成;另一方面,通过多机器人间的合作,可提高机器人系统在作业过程中的效率,进而当工作环境发生变化或机器人系统局部发生故障时,多机器人系统仍可通过本身具有的合作关系完成预定的任务.2多机器人通信方式2.1多机器人通信方式介绍在多机器人系统中，通过通信多机器人系统中各机器人了解其它机器人的意图、目标和动作以及当前环境状态等信息，进而进行有效的磋商，协作完成任务。机器人之间的通信一般分为隐式通信和显式通信两类隐式通信系统通过外界环境和自身传感器来获取所需的信息并实现相互之间的协作，机器人之间没有直接进行信息交换。在隐式通信中机器人在环境中留下某些特定信息，其通过传感器获取外界环境信息的同时，也可能获取到其它的机器人遗留下的信息。此多机器人系统中，各机器人之间不存在数据的显式交换，所以无法使用一些高级的协调协作策略，降低了完成复杂任务的能力。使用显式通信的多机器人系统利用特定的通信介质，快速有效地完成各机器人间信息的交互，实现许多在隐式通信下无法完成的高级协调协作策略。但由于多机器人系统在通信的实时性、可靠性等方面有特殊要求，所以针对适用于多机器人系统分布式控制结构的特定环境的通信机制的研究具有重要的意义。隐式通信与显式通信是多机器人系统各具特色的两种通信模式，如果将两者各自的优势结合起来，则多机器人系统就可以灵活地应对各种动态未知环境，完成许多复杂任务。多机器人通信拓扑结构大致分为：星形、环形、总线、网状等。在各种拓扑结构中，总线形拓扑结构在多机器人通信中应用得较多。总线拓扑的重要特征是可采用多址访问和广播介质，易于组成分布式系统。总线拓扑的典型代表是著名的以太网。总线结构是目前多机器人通信系统中采用最多的一种拓扑形式，其优点是具有较好的坚固性。2.2基于多机器人通信模型研究协作是多机器人系统的重要特征，协作的实现离不开通信。在多智能体机器人环境中，通信系统的构建与实现，要为多机器人系统提供良好的通信平台以实现总体控制功能。2.2.1机器人通信访问协议针对保证实时通信的研究工作有很多，如令牌总线、令牌环、分布式队列双总线、光纤分布数据接口等。这些解决方法都需要维持一个物理或逻辑环，增加的硬件设备导致费用较高，管理和分发很复杂，带来的系统负担将较大。在总线拓扑结构里总线式 CSMA/CA得到广泛应用。CSMA/CA 的目的是避免冲突，而不是检测冲突是否存在。CSMA/CA 存取方式存在的一个问题是报分组冲突后，仍然继续发送直至全部结束，如果冲突各方检测到冲突后能及时停止发送，则可使信道有效利用率得到提高。而 CSMA/CD 协议的存取方式是根据上述要求改进而来的。采用C S M A / C D 控制方式时，不足的一面是，当各机器人发送请求的频率越高信号冲突的可能性就越大，从而造成整个网络信号处理量下降。层协议的研究，目前基于多智能体的实时通信系统中，多采用T C P 协议，以保证系统的稳定性和可靠性，基本不发生丢包的现象。但是，这是以牺牲系统的实时性为代价的，往往达不到预期的效果。相反，无连接的、不可靠的、尽最大努力投递报文的 U D P协议虽然没有差错控制、超时重发、拥塞控制等可靠性保证策略，但这也正是U D P 的特点所在。在基于 U D P 的通信中，没有发送之前建立连接的过程，也没有发送方等待确认包的“握手”过程，但保证了 U D P 的“轻量”、快速的特点，在网络质量较好的情况下仍然是首要选择。因此可考虑使用 TCP 协议和 U D P 协议结合的通信协议。2.2.2智能体通信方式在多智能体机器人系统中，常用通信方式有：黑板模式、联邦方式、广播方式、点到点方式。如下表。3基本通信模式3.1C/S模型此模型适用于需要集中控制的应用，中心服务器利用其特殊地位了解各客户机的需求，这有利于对客户进程的管理以及实现通信资源的合理分配与调度；另外，C / S 模型结构简单、易于实现，便于错误诊断及系统维护。其缺点也很明显：客户进程间通信效率低，服务器工作负荷大，服务器性能及网络带宽是影统性能的瓶颈；中心服务器的错误会导致整个系统的崩溃 。3.2基于Zigbee通信P2P 通信模型由中心结构改变为分布式结构，节点间通信不经过中心服的转发，而是直接进行通信，提高了通信效率；系统运行不依赖于模型中某个节点，因此系统负载较为均衡、可靠性高。然而，P 2 P 模型并不适用于包含控制、调度、管理等任务的应用。我们希望有一种机制能对系统资源进行统一、可预计分配。如果采用 P2P 模型来实现，由于智能体的对等特性，那么每个智能体都要保存所有智能体的状态信息，增加了本地存储负担；智能体内部状态的任何变化都必须及时通知其它智能体，增加了网络通信负担；每个智能体都必须处理控制或调度相关的计算，增加了系统负担。综合比较 C /S 和 P2P 模型，可考虑建立能支持系统复杂通信行为的基于 C/S 和 P2P 模型混合的模型结构。3.3云计算多机器人云计算或者我们听起来很陌生，但是这是近几年来国家大力推广的一项业务，或许现阶段人们还对云计算还没有一个标准定义，也就是一个国际上承认的称呼，但是目前来说基本上都会认为云计算是相比传统，是一种大规模的分布式计算模式。云计算需要通过互联网的人都可以请求资源池，云计算使人们可以分享更多的资源和资源更新速度，当系统不受影响时。用户只需要有一个能够连接硬件终端的网络能够利用云计算资源，云计算在近几年已经得到了广泛的发展和应用，物联网云、云安全、云存储、私有云、云游戏、云教育、云会议、社会网络和云。中国，云计算的生态系统正在建设，在政府、商界和科研人员共同的关切，云计算将会发挥越来越重要的作用，在卫生领域的关心，包括电信、电子商务。电子设计机器人拟人内幕信息从外面快速反应有很多的运算处理，机器人可以大量的算法处理在，云极大地简化了结构的内部设计，但也可以提高处理速度的反应，是可以通过网络实现的最终控制远端的机器人也使更多的机器人集群效应，以执行更复杂的任务。4国内外研究状态与水平目前，多机器人系统应用领域广泛。美、欧、日等国家从 20 世纪 80 年代中期就开始对多机器人系统做了大量研究，协作机器人学得到了较好的发展。日本对群体机器人系统的研究开展得比较早，著名的研究有 A C T R E S S 系统和 C E B O T 系统。A C T E R E S S 系统通过设计底层的通信结构而把机器人、周围设备和计算机等连接起来的自治多机器人智能系统。C E B O T 系统中，每个机器人可以自主地运动，整个系统没有集中控制，可以根据任务和环境动态重构、可以具有学习和适应的群体智能。我国群体机器人的研究起步较晚，上海交通大学、中国科学院、哈尔滨工业大学机器人研究所、东北大学等已先后开发出各种形式的群体机器人系统。中科院沈阳自动化研究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系统。国内外对群体机器人通信的研究已取得了令人瞩目的进展，但与工业机器人相比，实用性尚有很大的差距，仍需要在通信协作，系统可靠性，任务分解与分配等方面继续研究，不断深入。5 多机器人通信系统研究展望有限的通信范围影响了多机器人系统完成任务的效率. 目前的多机器人系统研究中， 并没有考虑机器人通信范围的受限性， 机器人往往不受任何通信范围的约束而进行工作.深入讨论了通信受限情况下的机器人探索策略，均提出了用/ 包机器人0来扩展机器人活动范围的策略，类似的策略还有转播节点和转发器 Puck具有通信受限约束的机器探测环境时， 比不含有此限制的情况困难得多，因此通信受限题是目前研究的热点和难点。通信质量问题机器人在移动过程中脱离了通信网络，或者遇到通信故障时，没有任何信息交流， 可能去探测已探测过的区域， 从而造成资源浪费若 1 个机器人与其他机器人脱离了联系。 第 2 个机器人可以自主地创建一个新的通信网络,将丢失的机器人与团队重新连接，则可以避免这种浪费。 文献进行了恢复通信和保证通信质量的研究.文献提出了一个基于行为的导航方法，用于在机器人团队间保持直线通信.利用其他机器人的信息，对通信质量进行实时检测，并结合环境的先验地图近似计算出一个最佳的移动方向.实验表明，该方法在机器人数增加时，可以提高机器人间的通信质量目前多机器人通信技术远未成熟，还需要进行广泛的研究，以实现在不可靠环境中机器人的可靠通信。 因此， 提高多机器人通信系统的通信质量是一个值得研究的方向。 通信复杂度和切换不适应性多机器人系统通信网络研究的主要挑战在于机器人系统是将控制、通信和计算三者相结合的复杂智能体系统.结合通信问题， 提出了一种多机器人运动控制算法,并提出了时间可计算理论和基于通信复杂度的运动协调算法。当多机器人需要适应其他特定的任务或环境时， 这种变化会给整个团队带来混乱，即环境切换感知能力不足，针对如何达到无缝的环境切换感知能力,提出了一种规一化熵索引模型.该模型通过计算每个机器人对团队的贡献来估计系统状态， 进而做出相应的调整，以克服这种环境切换不适应性问题.智能体子系统间的相互通信具有较大的复杂性，目前对于多机器人系统中通信复杂度的研究已引起了研究人员的重视。致谢首先，真诚的感谢我的指导老师邵杰老师，自从选择毕业论文课题以后，邵老师就一直很关心我们的毕业论文，给我进行论文课题的分析和讲解，并帮助我分析了未知环境中多机器人通信技术研究发展历史和国内外的发展现状，而且帮助我分析预测了论文撰写过程中可能会出现的各种各样的问题，提出了一些针对性的建议，使我少走了很多弯路。邵杰老师为人谦虚宽容，和蔼可亲，学识渊博，老师严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。邵杰老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向邵杰老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。我还要感谢在一起愉快的度过毕业论文小组的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。参考文献1 谭民, 王硕, 曹志强. 多机器人系统 M . 北京: 清华大学出版社, 2005.2 熊举峰, 谭冠政, 盘辉. 多机器人系统的研究现状 J .计算机工程与应用, 2005, 41( 30) : 28-45.3 原魁, 李园, 房立新. 多移动机器人系统研究发展近况J . 自动化学报, 2007, 33( 8) : 786-794.吴艮霞,4 李国阳, 韦巍. 基于 W LA N 的多机器人分布式合作系统研究 J . 机电工程, 2006, 23( 5) : 32-36.5 吴涛, 黄心汉, 黄振宇. 基于 Linux 的多机器人通信的原理与实现方法 J . 电工技术杂志, 2003, 12:73-7