[硕士论文精品]多移动机器人协调控制

南泉璀T大学硕IJ论立多移动机器人协调控制摘要本文以轮式移动机器人协调控制为背景，对多机器人的编队行为进行了研究。多机器人的协调控制涉及到信息共享、路径选择以及控制策略等方面的知识，论文综述了目前多机器人队形研究的控制方法，提出了一种保持任意队形的方案跟随法。实现了避碰和跟随的具体算法，通过设置优先级的方法解决了编队中的死锁问题，采用同屡切换法解决编队中某些机器人的失效问题。应用无线局域网技术，分析了机器人之阐传递状态和控制信息的机理，研究了机器人在行进过程当中的避障问题。利用YUV颜色模型的原理，识别红色障碍物；针对实验用移动机器入，分析了机器入走直线和走圆弧的原理，采用参数匹配法对其行走路线进行了矫正，实现行进过程中队形的准确移动。根据跟随法编写了相关程序和界面，使得多机器人按指定队形排列行进。最后指出了多机器人任意队形控制中的几个难点，并展望了这一领域的未来。关键词多机器人编队无线通讯YUV颜色模型跟随法第1负ABSTRACT硕上论文ABSTRACTINTHISTHESIS，BASEDONTHEBACKGROUNDOFTHEWHEELEDMOBILEROBOTCOOPERATIONCONTROL，THEMULTIROBOTTEAMFORMATIONISSTUDIEDMULTIROBOTCOOPERATIONWILLBERELEVANTTOMUCHKNOWLEDGESUCHASINFORMATIONSHARING，ROUTESEARCHINGANDCONTROLSTRATEGYANDSOONTHECURRENTCONTROLMETHODSONTHERESEARCHOFMULTIROBOTTEAMFORMATIONARESUMMARIZEDONEPROGRAMFORKEEPINGARBITRARYSHAPEOFMULTIROBOT1RACKINGMETHGDISPROPOSEDSPECIFICALGORITHMOFEVADINGCOLLISIONANDTRACKINGISREALIZEDTHEPROBLEMOFDEADLOCKISRESOLVEDBYSETTINGPRL，ANDTHEPROBLEMOFSOMEROBOTSINVALIDATIONINTEAMFORMATIONISRESOLVEDBYADOPTINGLAYERSWITCHMETHODBYUSINGTHETECHNOLOGYOFWIRELESSCOMMUNICATION，THEMECHANISMOFTRANSFERRINGSTATEINFORMATIONANDCONTROLINFORMATIONBETWEENROBOTSISANALYZED；THEPROBLEMONROBOTEVADINGOBSTACLEDURINGMARCHINGISLEARNEDANDTHEREDOBSTACLEISINSPECTEDBYUSINGYUVCOLORMODELAIMINGATTHEEXPERIMENTALMOBILEROBOT，THEMARCHINGROUTESUCHASWALKINGSTRAIGHTLYORWALKINGROUNDLY，ISCORRECTEDBYADOPTINGPARAMETERMARCHINGSOTHATTHEMULTIROBOTCARLMOVEINTHEPREDICTEDINFORMATIONLASTLY,SEVERALCOMPLICATEDPOINTSABOUTCOOPERATIONCONTROLAREPUTFORWARDANDTHEFUTUREINTHISFIELDISOROSOECTEDKEYWORDSMULTIROBOTTEAMFORMATION，WIRELESSCOMMUNICATION，YUVCOLORMODEL，TRACKINGMETHOD第1I贞丫763100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7“3J日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已在论文中作了明确的说明。研究生签名年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部或部分内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名年月臼南京理T大学硕士论义多移动机器人协调控制1绪论11研究背景和意义机器人作为人类20世纪最伟大的发明之一，在短短的40年内发生了日新月异的变化。发展机器人技术已成为高技术领域中具有代表性的战略目标之一。机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产面貌发生了根本性变化，而且将对人类的社会产生深远的影响。随着社会生产技术的飞速发展，机器人的应用领域不断扩展。从自动化生产线到海洋资源的探索，乃至太空作业等领域，机器人可谓是无处不在。就目前的机器人技术水平而言，单机器人在信息的获取、处理及控制能力等方面都是有限的，对于复杂的工作任务及多变的工作环境，单机器人的能力尤显不足。于是人们考虑由多个机器人组成的群体系统通过协调、协作来完成单机器人无法或难以完成的工作【2J。群体机器人系统比单机器人系统具有更强的优越性，主要表现在以下几个方面11相互协调的R1个机器人系统的能力可以远大于一个单机器人系统的N倍，通过共享资源信息、知识等可以弥补单机器人能力的不足，完成单机器人系统无法完成的复杂任务；2设计和制造多个简单机器人比单个复杂机器人更容易、成本更低；3使用群体机器入系统可以大大节约时间，提高效率；41群体机器人系统的平行性和冗余性可以提高系统的柔性和鲁棒性等等”。J。在多机器人系统的许多应用领域中，要求多机器人在作业和运动过程中保持一定的队形，尤其是在完成军事任务的过程中，保持队形显得更为重要【5J。所谓队形控制就是指多个移动机器人在前进的过程中，保持某种队形，同时又要适应环境例如障碍物1约束的控制技术。研究较多的队形有横队形、纵队形、菱形和楔形，这主要是从军事需要的角度考虑的。多移动机器人保持一定的队形至少有以下几点好处充分获取当前环境信息。单个机器人的传感器获取信息的能力是有限的，如果多个机器人保持一定的队形，而每个机器人的传感器负责获取自己周围的环境信息，这样就可以保证比较完整地获得机器人群体当前活动区域的环境信息，对于实现侦察、搜寻、排雷及安全巡逻等任务是有利的。可以增强抵御外界入侵的能力，作战过程中，机器人士兵通过保持队形，可以抵抗多方向的入侵，增加自身安全性，群居动物按一定队形行进可以有效抵抗掠食者的现象就是一例。可以提高工作效率，如果选择的队形适当，可以加快任务的完成。例如，多个机器人推箱子，机器人与箱子之间必须保持一定的几何关系才能够将箱子推向期望的方向，类似的任务还有农作物收割、播种等。另外，研究多机器人的队形保持问题，对于自动公路系统及战斗机编队F”】等也有籀L页绪论硕上论文指导意义，因为它们的共同之处都是多个智能体协作实现共同的目标【6“】。总体来说，国内外对群体机器人的研究已取得了令人瞩目的进展，但与工业机器人相比，实用性尚有很大差距，需要解决以下几个方面的问题1如何实现机器人个体之间相互通信和相互作用；2如何在各机器人间表达、描述问题，分解和分配任务；3如何保证机器人在行动中的行为协调致，即保持队伍的队形；4机器人彼此之间如何识别和解决冲突。课题研究解决的主要问题是通过无线局域网实现信息共享，以达到机器人间的协调和协作。通常协调是为了解决机器人之间的冲突和矛盾，对于自主移动机器人编队问题来说，冲突主要就是碰撞，即在同一时刻多个机器人不能处于同一位置；协作是指机器人通过一种机制合作完成一项任务，对于自主移动机器人编队问题来说，合作就是保持队形为期望队形。进行群体机器人系统的研究是机器人技术发展的必然趋势，必将对机器人技术的发展起着重要作用。今后随着科技的发展，群体机器人系统的应用领域将逐渐向工业、军事领域发展，它的应用将越来越广。在工业中，群体机器人系统的柔性可极大地加快企业的转产速度，实现柔性加工；在国防中，它可以实现无人飞机和无人坦克代替军队进行作战，最大限度地减少人员伤亡。可以预见群体机器人系统的应用将会对社会带来巨大变革，能极大地提高人们的生活质量以及工农业和国防现代化程度，因而对于群体机器人协调作业问题的研究更具有实际的应用价值。12国内外研究概况经过二十几年的发展，群体机器人系统的研究己在理论和实践方面取得很大的进展，已出现了多机器人仿真系统和实验系统。目前，国内关于群体机器人系统的研究刚刚起步，而国外的研究则比较活跃。欧盟专门设立了一个进行多机器人系统研究的MARTHA课题一“用于搬运的多自主机器人系统MULTIPLEAUTONOMOUSROBOTSSYSTEMFORTRANSPORTANDHANDINGAPPLICATION”。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ACTRESS系统和CEBOT系统。ACTRESS系统是由日本HASRLNA等人提出的通过设计底层的通讯结构，把机器人与周边设备和计算机等连接起来的自治多机器人智能系统，这个系统的主要特点是系统的单个动作和合作动作的并存17,9A01。闩本名古屋大学的FUKUDA教授提出的CEBOT系统，每个机器人可以自主地运动，没有全局的模型，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，具有分布式的体系结构。美国学者KJIN和GBENI等研究了SWARM系统J。SWARM系统是由大量自治机器人组成的分布式系统，其主要特点是机器人本身被认为无智能，它们在组成系统后，将表现出群体的智能。在国内第2页南京理人学坝卜论文多移动机器人悱渊挎制己开发出在车辆拥挤时自行移动的全方位移动结构机器人，还开发了使用带有桶型自由辊的车轮，用3个传动装置驱动可自由地前后左右移动或旋转。相对于国外，我国对于群体机器人的研究起步较晚，目前已逐渐引起人们的重视，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”“J。在群体机器人系统中，最集中和关键的问题表现在群体机器人系统的体系结构以及相应的协调机制上【L。因此，如何定义和评价机器人群体的活动和准则，是群体机器人系统面临和需要解决的首要问题。目前对于群体机器人评价方法和准则的研究还处于初级阶段，许多方面的问题还有待更深入的研究，这是一项富有挑战性的工作，在理论上、技术实现上都需要我们做更多的工作。13论文的主要内容及结构安排研究群体机器入的协作主要涉及三方面的内容群体机器人系统的通信、群体机器人系统的协作与控制和群体机器人系统冲突问题的解决。本文综合三方面的内容，提出了一种保持多机器人队形的改进方案，并应用于实际控制，主要工作由两部分组成1通过分析机器人运动过程中涉及到的信息共事、传感器信息处理、路径规划和协调作业等问题，查阅相关资料，总结已有的队形控制方法，依据切实可行的原则提出一种改进的控制算法跟随法。该方法来源于领航机器人法，核心思想是把群体机器入分为跟随机器人和被跟随机器人两种类型，分别进行控制策略的设计；21将跟随法应用于实际控制中，通过已有移动机器人实验平台，实现了多机器人间的通信、障碍物的识别，采用参数匹配法矫正了机器人的走直线和走圆弧，获得了初步的效果。文章的结构安排如下第1章绪论概括地介绍了课题研究背景及发展现状，并安排论文的结构。第2章一种保持多机器人队形的方案比较几种队形控制方法，依据领航法的原理提出了一种改进的控制方案跟随法，描述了具体细节，提出解决问题的理论方法。第3章机器人编队中的通讯根据无线通讯的基本原理和ASR能力风暴机器人提供的通讯设施，在VISUAJC_L环境下编写程序，完成了通讯软件的设计。第4章障碍物的识别和机器人的运动根据ASR机器人提供的图像采集处理设备和颜色模型的基础知识，完成红色障碍物的识别；基于ASR机器人的运动模块，对它的彳亍走路线进行了矫正，保证机器入队伍的准确移动。第5章基于跟随法的多机器人编队实验针对三机器人编队实验，根据跟随法，编写了通讯和图像识别的界面。实验取得了初步的结果。馇3砸种保持多机器人趴形的改进方案颂卜论文2一种保持多机器人队形的改进方案21群体机器人中研究的主要内容多机器人的研究属于多智能体的研究范畴。现在多智能体学在学术界已经引起广泛的重视，吸引了大批的学者和研究人员进行研究和探讨。研究内容范围广，程度深是多智能体学的两大特点，信息融合、人工智能和计算机视觉等每一领域又可作为一个研究方向。群体机器人研究的主要内容可抽象为群体机器人系统的通信，群体机器人系统的协作与控制，群体机器人系统冲突问题的解决。根据系统中机器人功能结构的不同，可将群体机器人系统分为同构系统和异构系统。同构系统就是系统中每个机器人的结构相同、功能相同异构系统中每个机器人的结构和功能不尽相同。对于同构群体机器人系统研究的主要问题是设计正确的控制方案和通信机制，使之能正确完成给定的任务；丽对于异构群体机器人系统的研究主要是解决如何在它1J、J之间进行有意识的合作，另外还要解决动作选择和通讯冲突等问题。不论是同构系统还是异构系统的研究，对群体机器人系统的研究都起着重要作用，下面以同构系统为主来讨论群体机器入的研究FN叫31。211群体机器人的通讯信息技术的高速发展引起了衽会方方面面的变化，多智能体领域也跟着向前发展，与网络技术相互渗透，同时也推动了信息技术的发展，互联网、无线通讯和串口通讯等都被应用到了多机器人领域。群体机器人系统的通信是研究群体机器人系统的基础，由多个体机器人组成一个群体系统，通讯是基础。群体机器人系统在执行某项任务时，为了实现协调与合作。个体机器人的传感器必须提供足够的环境描述信息和其它机器人的信息，因此机器人个体之间或者上层控制和下层合作之间的通信是必要的。机器人之间的通信方式主要有两种，即直接通信和间接通信。直接通信要求发送和接收信息保持一致，因此机器人之间需要一种通信协议，而且直接通信时发送方和接收方必须同时在线，而间接通信没有此项要求。一般来说，直接通信存在于有智能的机器人之间，而间接通信应用范围比较广，如个体和个体通信、个体和群体通信、个体和环境通信等。目前，大部分关于群体机器人的通信主要采用广播的方式，即个体机器人将自己的位置和传感器信息以及自己从事的工作信息广播出去，其它个体机器人可以按自己的需要选择信息，或主控机器人通过广播分配任务等。要傈证通信的有效性和实时性，必须选择合适的通信方式，实际应用中可根据机器人的结构和任务要求来选择。目前群体机器人的通信还存在许多瓶颈问题，如机器人数目增加时，通信速度和效率将下降114】。嚣4页南京理工大学硕J论史多移动机器人协调控制目前在多移动机器人中，几乎所有的机器入都是采用无线通讯，其中基于WLAN利用基站和多机器人进行点对点通讯较为实用。如图21描述了一个多机器人系统，利用无线局域网，可以方便地实现它们的通讯。基站IP地址192168，1，1孓佐移动机器人FP拍女R19216812移动机器人IP蚋自19216813移动机器人IP地自R19216814圈21多桃器人的信息交互结构图在TCPIP网络应用中，通信的两个进程相互通信的主要模式是客户机朋匣务器模式。系统中，机器入发送给基站的信息有两种1机器人的传感器信息，包括声纳信息、视觉信息、马达编码器信息；2机器人的状态信息，包括机器人的线速度、角速度、机器人当前的行为、动作。基站发送给机器人的信息主要是控制信息，它们是通过基站对当前机器人所需完成的任务和机器人发送来的信息进行分析与融合。从而给出各个机器人下一步控制信息。通讯的形式也有不同，在机器人数目不多的情况下可以建立点对点的通讯，这样可以保证较快的速度，但目前在多机器人仿真系统中，多数采用的都是一个叫“黑板”的系统F16,17每个机器人都有块黑板，实质是个数据库，专门用于存放群体机器人的各种信息，当需要与其中的一个或多个机器人发生联系时，提取出有用的信息做出决策，该方法通讯流量大，会降低通讯的速度。本文设计的算法中，建立了一个类似黑板的数据库，但存储的不是所有机器人的状态信息，而是与其联系的局部机器人交换信息。212群体机器人系统的协作与控制机器人之间的协作与控制问题属于群体机器人系统中的高级控制任务，是研究群体机器人系统的关键技术。机器人群体系统是由机器人个体按照一定关系联系起来，并具有自我调整的功能。系统中机器人个体和机器人群体都要协作动作，以实现机器第5负种保持多机器人队彤的改进方案硕上论文人群体的功能。群体机器人系统研究包含机器人个体、机器人群体两个层次，即机器人个体行为和机器人群体行为1机器人个体行为主要包括机器人个体对环境的感知、学习、响应以及自适应动作的协调。机器人个体控制系统是实现个体行为的基础，机器人个体控制系统要求能使个体表现出较强的协作性和自主性协作性是指机器人能协调合作的能力自主性是指机器人具有一定的自主能力、能感知环境的变化并能作用于环境。系统的协调行为在很大程度上依赖于如何处理机器人的自主和协作之间的关系。2机器人群体行为是机器人个体行为的合成，典型的群体行为研究有集中行为、分散行为和编队行为等LL”。根据机器人群体结构分布的不同，控制结构也不同，可分为集中式和分布式两种。集中式控制由一个机器人或者PC机对任务进行调协规划并集中调度；分散式控制中任务分配是通过机器人之间的交互来实现的，每个机器人基于自己的传感器信息和内部状态规划各自的行为，通过协商等手段消解冲突。在机器人的编队问题上，协调控制更加具体化，唯一目标就是保持队形，避免冲突。设计的每一种控制策略要求有实施的可行性，移动机器人的编队是自主性与群体性的统一自主性反映在个体机器人自主地避碰和运动，这种个体行为受到群体性的约束；群体性是相对于个体而言的，属于全局控制规划层，负责分配任务、解决调度等问题。个体和群体的关系如图22所示。图22自主的移动机器人与群体机器人的关系概括来讲，多移动机器人协作系统相关技术包括体系结构及信息规范表达；任务规划与协作策略；分布式规划和控制；基于综合传感信息的环境识别和状态检；烫|；多机器人学习；通用软传平台。内容涉及运筹优化、控制、模式识别和信息处理的理论与实践。第61I1南京理TT大学硕T论文多移动机器人协调控制213群体机器人系统冲突的解决在群体机器人系统中还有一个很重要的研究内容，就是解决系统中的冲突问题。群体机器人系统中冲突的形式是多种多样的，主要有任务冲突、路径冲突和空间冲突等。群体机器人系统中的冲突很容易造成系统的混乱，严重影响了系统的总体性能。解决冲突除了要有合理的控制结构和通信方式外，还需要相应的解决策略。在群体机器人系统中，每个机器人都把其它机器人当作障碍物来处理，并通过传感器探测障碍物的有无。同时机器人也根据定期接收到的信息来处理传感器的不确定性，并区分机器人障碍物和非机器人障碍物，由此选择不同的处理方法。群体机器人系统冲突问题的解决方法有很多，最直接的方法是采用集中控制器来决定所有机器人的无冲突路径【1”，这在未知环境中是无法实现的。另一神方法是主从控制法，在冲突的机器人中将一个机器人作为主控机器人，指挥其它机器人以解决冲突问题。对于群体机器人系统的研究除了上述几个主要的方面外，还有群体机器人系统的学习问题、系统的组织结构问题和环境的观察问题等。具体针对编队问题来说，保持队形必须避免与其它机器人和障碍物的碰撞，按照指定队形行进。在通讯的基础上，通过各种传感器如声纳传感器、红外传感器和视觉传感器进行自主避障。障碍物多种多样，而且时刻处于变化之中，遇到其它合作机器人和静态障碍物要分别进行处理，按照一定的作业顺序、作业策略来解决冲突，否则将发生多个机器人竞争同一资源而全面瘫痪的死锁现象，这在多机器人系统中是很常见的问题。多机器人系统中的死锁情况可用图23表示，2、3跟随1号，当队伍运行到某一时刻，2号机器人和3号机器人同时检测到前面有障碍物，都要进行避障，若两者都行进到了A区域，发生碰撞，两者都无法继续前行，原地打转而发生死锁。O机器人1障碍物A区域机器人2OO机器人3圈2，3多机器人系统中的死锁总之，对于单机器人而言，动作规划层通常只有一个避碰模块，而机器人在执行多机器人任务时除了要进行避碰钋，还要考虑群体任务的要求，因此要设计新的规划模块，解决群体机器人系统中的冲突问题。第7弧一种保持多机器人队彤的改进方案硕卜论文22多移动机器人队形控制的研究方法队形保持控制一般分为两步首先根据当前环境确定各机器人的目标位置然后根据一定的控制策略生成控制命令，驱动机器人以一定队形驶向目标位置。目前，研究队形控制的方法主要有三种跟随领航者法、基于行为法、虚拟结构法。A跟随领航者法跟随领航者法的基本思想是在多机器人组成的群体中，某个机器人被指定为领航者，其余作为它的跟随者，跟随者以一定的距离跟踪领航机器人的位置和方向。对该方法进行拓展，可以指定一个领航者，也可以指定多个领航者，但群体队形的领航者只有一个23，这与一个步兵班在进攻中可以划分为若干战斗小组是类似的。根据领航者与跟随机器人之间的相对位置关系，就可以形成不同的网络拓扑结构，即形成不同的队形。该方法中，协作是通过共享领航机器人的状态等信息实现的。跟随领航者法的优点是，仅仅给定领航者的行为或轨迹就可以控制整个机器人群体的行为。该方法的主要缺点是系统中没有明确的队形反馈，例如，如果领航机器人前进得太快，那么跟随机器人就有可能不能及时跟踪。另一个缺点是如果领航机器人失效，那么整个队形就会无法保持。B基于行为法这里的基于行为是指机器人个体采用基于行为的体系结构。基于行为法的基本思想是首先为机器人规定一些期望的基本行为，一般情况下，机器人的行为包括避碰、避障、驶向目标和保持队形等。当机器人的传感器受到外界环境刺激时，机器人根据传感器的测得的信息作出反应，改变自身的运动方向和速度。行为选择模块通过一定的机制来综合各行为的输出，并将综合结果作为机器人当前的行为输出。该方法中，协作是通过共享机器人之间的相对位冕、状态等信息实现的。对该方法的拓展和改进主要体现在对各行为输出的处理上，即行为选择机制上。目前主要有三种行为选择机制F20J1加权平均法，将各个行为的输出向量乘以一定的权重再求出它们的矢量和，权值的大小对应相应行为的重要性。矢量和经过正则化后作为机器人的输出；21行为抑制方法，对各个行为按一定的原则规定优先级，选择高优先级行为的输出作为机器人的输出，即高优先级的行为抑制低优先级的行为；3模糊逻辑法，根据模糊规则综合各行为的输出，从而确定机器人的输出。其实这种方法是加权平均法的变异，它根据具体情况来确定权值大小。当机器人具有多个竞争性目标时，采用基于行为法，可以很容易地得出控制策略。但主要缺点是不能明确地定义群体行为。很难对其进行数学分析，并且不能保证队形的稳定性等。第8磺南京理T大学坝十论文多移动机器人协调控制C虚拟结构法LJ刚体以多自由度在空间中运动时，虽然刚体上的各点位置在变化，但它们之间的相对位置保持不变。假想将剐体上的某些点用机器人代替，并以剐体上的坐标系统作为参考坐标系，那么刚体运动时，机器人在参考坐标系下的坐标不变，机器人之间的相对位置也保持不变，即机器人之间可以保持一定的几何形状，它们之间形成了一个刚性结构，这样的结构称为虚拟结构。虽然每个机器人相对于参考系统位置不变，但它仍可以一定的自由度来改变自己的方向。多机器人以刚体上的不同点作为各自的跟踪目标就可以形成一定的队形15。该方法中，协作是通过共享虚拟结构的状态等信息实现的。虚拟结构法的优点是，可以很容易地指定机器人群体的行为虚拟结构的行为，并可以进行队形反馈，能够取得较高精度的轨迹跟踪效果；机器人之间没有明确的功能划分，不涉及复杂的通信协议。主要缺点是要求队形象一个虚拟结构，运动限制了该方法的应用范围。目前的研究，只将该方法用于二维无障碍的平面环境中。23一种改进的多机器人任意队形的控制方案跟随法思想来源于领航机器人法，综合了行为法的特点，跟随是它的核心。针对领航机器入法的缺点，在选择领航者角色上作了改进，描述了具体的通讯过程，遥碰过程中设计了新的控制策略。231系统的模型和任务描述多机器人的队形排列有很多种菱形，横队形，纵趴形，楔形。本方以较为普遍的三角形队形进行研究。为直观地显示队形的排列及要完成的任务，首先描述系统的模型。实际机器人是有一定尺寸的，将环境定义为由若干正方形单元组成的二维模型如图24所示，每个单元视为智能机器人系统的共享资源，或者是空的、或者被一个且仅有一个机器人占领，机器人可以自由移动到任一单元。在这个模型里有N个同构的机器人，用黑圈表示，编号从1到N，初始位簧如图24所示，目标点用T表示，M个障碍物，图24中K表示一个障碍物。机器人、目标和障碍物构成一个大的集合。每个机器人可检测到与其它机器人、障碍物的相对距离。要求每个机器人相互问保持一定的距离和一定的方向，根据当前变化的整体信息作出正确的决策，形成图24所示的近似三角形队形，向目标点移动。行进过程中要避免和其它机器人或障碍物的碰撞。现假定一般障碍物和工作区边界为静态障碍物，其它合作机器人为动态障碍物。在静态环境中，机器人只需避开静态障碍物，跟随自己的跟随者，保持队形。本文考虑的是障碍物比较多或者环境不确定的情况，某一时刻若干机器人同时避障，可缸9页一种保持多帆器A队形的改进方案硕士论文能出现碰撞，发生死锁现象，所以将队中机器人设嚣为动态障碍物，并考虑了它们的速度和方向。圈24多机器人1二作空间模型232保持任意队形方案的基本思想机器人的整体队形排列可以采用分层控制的结构两层关系如图25所示。一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1任务规划层第LO虹图25多机器人的协作信息流F南京挫TA学顾J论义多穆动机器人协调控制任务层根据当前的形势和整体行为，利用任务级规划方法确定机器人个体当前该执行的任务；行为层通过行为级的规划执行任务层的决策，保持队形，同时根据自身传感器的信息进行避碰。行为层的规划是基于传感器的避碰行为和通讯的跟踪行为，即基于机器人个体的局部感知。11任务规划层任务级规划的目标是根据当前环境信息，确定机器人的整体队形。首先队形的最终目标是行进到目标点T，跟髓法是将其中的一个机器人作为整个队伍的引领者，由它确定目标点的位置，引领队伍驱向目标点，其它机器人无需跟目标点发生联系。图24中的队形近似三角形，从引领者到最后一层，是个分层的结构，每层上含有不同数目的机器人。从上到下，依次是第一层，第二层，优先级依次减小同层优先级从左到右依次减小。24图上的1号机器人为引领者，优先级最高，由它负责目标点的搜索，掌握队伍行进的终止时刻；2，3号机器人的优先级高于K，J机器人，2比3高，K比J高。跟随法的思想是除引领机器人之外每个机器人都要跟随一个机器人，而本身又被一个或多个机器人跟随着。所以一个机器人有两种身份如2，3机器人跟随的是引领机器人，同时2号又是K，J要跟随的，依次下去层层跟随。建立这种跟随关系后，将来的数据通讯就有了明确的路径。每个机器人需采集自己要跟随的机器人和跟随自己的机器人的信息，信息包括机器人通过自身各种传感器测得的自己的位置和周围的环境信息。被跟随得越多的机器人包含的信息量越大，自身始终只跟随一个机器人。再分析一下机器人遇到障碍物时的情况引领者比较特殊，设置它是无冲突路径，只负责搜索目标点，引领整个队伍前进当其中一个机器人发生异常情况时，首先发出一种紧急信号给它的跟随者和被跟随者，通知自己将进行避障或其它行为，接收者接收后发出应答信号，时刻检测该机器人的位置。这种紧急信号不同于正常过程中的信号传输，只在某机器人发生异常情况时发出，通过提高信息交换频率以检测该机器人的状态，直到恢复正常为止。图24中，当2号机器入遇到障碍物时，立即发出紧急信号给1号和K，J机器人，同时自主地绕开障碍物。1号不断地检测2号的位置，直到2号恢复初始队形的位臀。避障过程中，2号机器人的速度大小和方向都时刻处于变化中，与它不发生联系的机器人状态不发生改变。它的跟随者此时有几种策略跟随它紧紧跟随，不管2号如何绕行，K，J始终保持与2号初始的相对位置；根据自身传感器能感知的最大距离和最大方位角，只做小范围调整，如降低速度，小角度转动，保证2号不超出检测范围L临时变换跟随者，到2号恢复为止。鞯1L页一种保持多桃器人队形的改进方案硕十论文第一种确实能较为稳定地跟随，但若K，J的跟随者很多，则K，J的较大调整会引起后面队伍的整个调整，队形难以恢复；第三种需要变换跟随关系，要调整整个队伍的跟随策略，设计起来比较困难。本文采用第二种方法，若K，J只作速度大小的调整，它的跟随者也只需简单地减速或提速，而不用变换行驶方向，整个队伍的形变小。当2号机器人成功避障后，恢复与1号的初始相对位置，向K，J等发出信息，让它的跟随者以最快的速度跟上，恢复队形。图26，27分别是2号和K，J号机器人的工作流程图。第12磺1开始L。I。，名否检矿否到障碍物是1R发送紧急信号按策略跟随1号机开始进行避障器人人。0、ELK】RAANDVK】0南京理T人学硼JJ论文多移动机器人协调控制FD。吒。D女一研】口。氏。靠。一屹OO，则机器人停止前进，原地转向。对铡得障碍物的NUM个传感器信息，其控制采用叠加的方法得到避碰控制总量V，和盘如下VLV，KLNUMN删AL口1尼口】KLNUM女121跟随算法将追踪目标周围的区域分为三部分追踪区、调整区和误差区如图29。区23124图29目标周围的区域示意图其中R。为追踩半径；R。为误差半径月，R。】为调整区域，跟随区内机器人可以以最大的速度和尽量朝向目标机器人的运动方向逼近目标点；调整区域内机器人根据与目标机器人间的距离和角度关系调整速度大小和运动方向的转角大小，进入误差区内以后，则可以认为已经达到了目标位置，设置速度大小为V，运动方向不变。设计的控制策略为瓣15砸种保持多机器八队彤的改进方案硕士论文DTR。V。RPR。VI吐KA。口2I0L。FA2A2口2L岛巨。1岛峰Q峨Q岛1O，否则口，0；打为与要达到的目标机器人间的距离；V为预设的恒定的速度大小；目。为机器人与目标机器入运动方向的夹角。为机器人的最大转角，峨为一临界角当岛阵Q，机器人与目标机器人视为同向行驶；F为转动率，决定朝向目标转动的快慢，它可以取一正整数，也可以取随鼠变大而减小的变量值；V，和盘，为追踪行为对运动方式产生的控制量。行为融合时重要性参数的确定方法Q0IRRMINDTRP一足，1MINDKMINDKRA28RAMINDKR一MINDTKLR。一29劬。吐10国IL，0兰,OJ21210利用势场法确定西的思想是，根据最近的障碍物距离和与目标机器人之间的距离的相对关系确定避碰的重要性值。再由公式210可得奶，即追踪的重要性值。对两种基本行为产生的控制按照国。和鸭求加权和，得到的就是综合控制，并最终作用于机器人的动作机构。3设置优先级法解决死锁问题如图24中，K号机器人和J号机器人同时检测到前面有障碍物，都要进行避障，若两者都行进到了A区域，发生碰撞，两者都无法继续前行，原地打转而发生死锁。第16页商京理丁火学硐论殳多移动机器人协调控制整个队形将会受到破坏而无法自救。当死锁问题发生时通过设置机器人的优先级来消除，即优先级低的机器入暂时敖弃自己的跟随任务，而等到优先级高的机器入完成目标之后再继续跟随。K的优先级比J高，K继续前进，而J放弃避障，等到K顺利越过障碍物，J号机器人再继续自己的路线。4同层切换法解决失效问题另外还有一卜失效问题，领航法的缺点就是一旦引领者或其中的一个机器人发生丢失或故障，它的跟随者将无所适从，图24中的2号机器人发生故障时，K，J也将处于停滞状态，K，J机器人的跟随者也会没有目标，整个队伍无法前进。针对失效问题，本文采用同层切换法，即当2号偏离队伍或发生故障时，L号在规定时间始终检测不到2号，则指令2号释放权利，让同一层的3号机器人成为新的领导者，这样跟随2号的机器人统一地转向跟随3号，下一层的跟随关系仍然不变。切换时虽然花费了一点处理时间，但有效地保证了在个别机器人发生失效时，不会破坏整个系统的队形。2,4本章小结本章针对多机器人编队，结合领航法和行为融合法，提出了跟随法。相比于领航机器入法和行为融合法有两大改进11跟随法思想虽然来源于领航法，但不同于领航法的是，领航法中的领航者数目少，后面的跟随者较多，任务比较艰巨，发生敌障后队形难以恢复；而在跟随法里整个队伍中分散地设鹫了跟随者，每个机器人都有双重身份，而且只与它们的跟随者和被跟随者发生联系，使得队伍在有异常情况出现的时候形变较小，提高了队伍的鲁棒性。2一般的行为融合法在队伍行进之前就规定了各机器人的几种行为，当几种行为同时出现时，可根据一定的策略进行行为融合。策划者在前期的任务较重，而且实际行进时环境未知，难以达到预期的效果。跟随法中它只用于底层，在避障和跟随时使用，再通过行为的融合，即行为的重要性确立最终的控制策略，体现了多机器人中自主性和群体性的统一。秽L器人编队中的通讯硕J论史3机器人编队中的通讯网络的发展改变了人们的生活方式，渗透到每个领域，机器人学也在此基础之上出现了多机器人的研究。而通讯是多机器人研究的基础，任何控制策略都需要足够的共享信息，通讯中的准确性、实时性直接影响最终的控制效果。基于网络控制的机器人遥操作正是考虑如何通过网络通讯来完成机器人的远程实现241，目前网络机器人流行的是机器人与INTERNET结合251。多机器人的通信技术是一个很有挑战性的工作，具有良好的发展趋势和广阔的应用前景。31多机器人的无线通讯技术现阶段多机器人的通信主要在局域网范围内，主流是无线局域网，有线网因为受到各种环境的制约，进入现场的机器人不能自由运动，所以不作较多的考虑。目前在多机器人的无线通讯中可以采用下面的几种方式采用无线红外收发器或无线收发件；采用PCI的红外网卡、无线网卡；采用蓝牙模块【2“。图31是一个简单的多机器人的实验平台，无线局域NWIRELESSLAN是指以无线信道作传输媒介的计算机局域网。它是传统有线局域网的延伸和补充，是一种更加灵活的数据通信系统。无线局域网采用射频工作方式传输和接收数据，是在有线局域网的基础上通过无线集线器HUB、无线接入节点ACCESSPOINT、无线网桥、无线网卡等设备使无线通信得以实现，它减少了线路连接，增强了用户机动性，而且可以通过简化相应结构实现移动局域网22】。图31多机器人的实验平台在无线局域网领域内，第一个国际上被认可的协议是80211协议，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2MBPS。目前很多公司都有基于该标准的无线网卡。由于80211在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此IEEE小组又相继推出了8021LB和嚣18硬南京理丁大学硕士论文多移动机器人拂调控制8021LA两个新标准。三者之间技术上的主要差别在于MAC层和物理层。8021LB物理层支持5，5MBPS和11MBPS两个新速率。80211A工作在5GHZUNIL频带，物理层速率可达54MBPS，传输层可达25MBPS。还有蓝牙技术，家庭用的HOMERF，几种标准比较如下表F23。表31无线局域网标准参数表IEEE8021LLEEE80211BIEEE8021LABLUETOOTHHOMERF频率24GHZ24GHZ5GHZ24GHZ24GHZ带宽12MBPS可达1LMBPS可达54MBPSLMBPS12MBPS可增至11MBPS距离100M100M功率增510KIN10100KIN100M加可扩展业务数据语音数据图像语音数据图像语音数据语音数据和其它IEEE802标准一样，80211协议主要工作在ISO协议的最低两层上，也就是物理层和数字链路层见图32。任何局域网的应用程序、网络操作系统或者像TCPFP、NOVELLNETWARE都能够在80211协议上兼容运行。网络操作系统8021I图3280211和ISO模型1物理层80211最初定义的三个物理层包括两个扩散频谱技术FHSS和DSSS和一个红外传播规范，无线传输的频道定义在24GHZ的ISM的波段内；扩散频谱技术保证了80211的设备在这个频段上的可用性和可靠的吞吐量，这项技术还可以保证同其机器人编队中的通讯倾J论文它使用同一频段的设备互不影响。使用FHSSFREQUENCYHOPPINGSPREADSPECTRUM技术，24G频道划分成75个1MHZ的子频道，接收方和发送方协商一个调频模式，数据则按照这个序列在各个子频道上进行传送，每次在80211网络上进行的对话，可能采用了不同的调频模式；采用这种调频方式主要是为了避免两个发送端同时采用同一个子频段；FCC规定的予频道的划分不得小于1MHZ，使得FHSS必须在24G整个频段内经常跳频，导致大量的跳频上的丌销，致使它的最大传输速度不能大于2MBPS26J。与FHSS相反，DSSSDIRECTSEQUENCESPREADSPECTRUM技术将24GHZ的频宽划分成14个22MHZ的通道，L悔近的通道互相重叠，但传送数据时，只需从这14个频段中选择一个，而不需要进行频道之间的跳跃。为了弥补特定频段中的噪音开销，传输的数据采用一种编码技术，也就是将传输的数据转化成带冗余校验的数据，供接收方对数据进行校验和纠错。使用这项技术，不但可以对数据进行纠错，而且也增加了网络的吞吐量。目前大多数高速无线网络产品采用了这种技术，传输速度达到了11MBPS，实验用机器人系统中就是采用了11MBPS无线局域网。2数字链路层80211的数据链路层由逻辑链路层LLC和媒体控制层MAC两部分构成。其中逻辑链路层与8022的LLC完全相同，媒体控制层使用802协议中的48位MAC地址，因此使得无线和有线设备之间的桥接非常方便。虽然80211的MAC和8023的MAC非常相似，都是在一个共享媒体上支持多个用户共享资源，由发送者在发送数掘前先进行网络的可用性检测。但无线媒体和有线媒体在性质上存在很大的差异，这种差异体现在它们的接入控制方式上，有线局域网一般采用CSMACD方式，而无线局域网采用CSMACA方式。在以太网也就是有线的CSMACD方式中，可利用冲突检测机构，将冲突发生时的流通量降低至最小程度，从而获得高的流通特性。为使CSMACD方式有效工作，需要能以相同程度的信号强度接收来自传输介质的衰减量小的其它终端信号。在无线媒体中的信号单位传播距离的衰减量要比有线媒体大得多，接收信号与发送信号的振幅明显不同，接收的信号被本身的发射信号屏蔽而侦听不到。也就是说以太网的CSMCD在无线局域网内是无法实现的需改用CSMACA接入方式232啦”。CSMACA协议的工作过程是当一个工作站希望在无线网络中传送数据，首先对网络进行侦听。如果没有探测到网络中正在传送数据，则等待一段时间，再继续探9L|，如果网络中仍没有传送的数据，就将数据发送出去。接收端如果牧到完整的数据则回发一个应答数据包，如果这个应答数据包被发送端收到，则数据发送过程完成，如果发送端没有收到应答数据包，不管是发送的数据没有被完整接收还是应答信号发送失败，发送端在等待一段时间后重新发送数据。11工作方式第20页南京理下大学硕士论文多移动机器人协调控制80211定义了两种类型的设备一种是无线站。在移动机器人上通常是通过一台PCI04主板加上一块无线网卡构成；另一种是无线接入点，它的作用是提供无线和有线网络之间的桥接281。80211有两种组网模式INFRASTRUCTURE模式和ADHOC模式。在INFRASTRUCTURE模式中，至少有一个和有线网络的无线接入点，通过这个无线接入点，各个无线终端可以访问有线网络的资源ADHOC模式，也称为点对点模式，以这种模式连接的无线设备之I吲可以直接通讯，在多机器人系统中常采用这种组网方式2卜241。2、无线通讯的安全性无线网络的数据安全性技术，最初起源于二次大战军队所使用的通讯技术，该技术遵照1EEE8021LB协议。在安全性方面，该协议有以下特点每台计算机无线网卡均有一个全球唯一识别号ESSID，网络通过此号码识别是否为本网络成员。任何登陆无线网的计算机都要经过识别以后才被放行；无线网络采用直接序列展频技术将完整的数据分段，即使遭通信信息截获，也只是其中的D,段，不完整的数据也较好地保证了数据安全；传输的数据都经过加密，非法用户得到的只能是乱码。但是基于该协议的无线网络在安全性上也存在一些问题如果无线网卡的ESSID设为ANY时，它可以自动搜寻该讯号范围内的所有存取点，并试图进行连接网卡的40位密钥对于高速破解机来讲，也是容易被解开的【25。总之，因为无线通讯的高移动性，抗干扰能力强，扩展性好，建网容易等特点，在多机器人的研究中得到了广泛的应用。32基于ASR的无线通讯在多机器人编队过程中。为满足避障、控制等要求，希望传输机器人采集的视频图像，但这对通讯本身的要求较高。视频信号的传输有两种方案第一将视频信号直接通过一套模拟信号发射器发送出去，在远程监控端再对其数字化；第二将视频信号在机器人本体上数字化后，再通过无线网络传输。鉴于屏蔽现象和无线网络产品的系列化，采用第二种方案，视频信号和控制信号共用一个无线发射器，这样既减少了无线发射设备的数量，提高了系统的稳定性，又充分利用11MBPS网络带宽的资源。但是鉴于目前的平台的配置状况，加上高端的图像处理及图像压缩卡成本较高，图像识别软件要求高，这里只讨论传输的控制信号，即一些字符数据。根据第一章所做的系统流程，编队只有三个机器入，后面两个机器人跟随前面的机器人。队伍行进中，当前面的机器人检测到红色时要发送控制信号给后面的跟随者，通知它们前面有障碍物及障碍物的具体位置，跟随者按策略改变自身运动状态。通讯的任务就是调通三者的数据传输。第2I吹机器凡编队中的通讯硕士论立32IASR的介绍本文的研究平台是由上海广茂达公司研制的ASR能力风暴智能人。结构如33所示。图33ASR机器人结构图移动机器人采用模块化设计，有八大模块视频采集模块，通过该模块可以采集视频图像，获取视频数据，可以对该视频数据进行处理，包括图像处理、视频压缩与编码等研究；声纳测距模块，不等间隔分布的5个声纳可以测定机器人周围障碍物的距离和合作机器人的距离，可以根据多传感器的数据建立机器人的导航图谱，进行路径规划和多传感器融合技术的研究无线网络模块远程控制及监督，可以在此基础上研究多智能体系统以及基于网络技术的远程机器入控制技术；数据采集模块32通道可以根据自己的需要增加传感器，通过AD数据采集卡获取传感器的数据，目前有4个PSD模块使用了四个AD通道；运动控制模块，建立了机器人运动控制