暑期学校-群体机器人-文档资料

1、1群体机器人简介谭营教授2目录o 什么是群体机器人o 群体机器人演示o 群体机器人项目o 群体机器人一般模型o 群体机器人算法举例3目录o 什么是群体机器人n从机器人到机器人集群（Collective robotics）n从群体智能到群体机器人（Swarm Robotics）n群体机器人特性o 群体机器人演示o 群体机器人项目o 群体机器人一般模型o 群体机器人算法举例4什么是群体机器人5机器人集群o 选择机器人集群原因n 单个机器人很难（无法）解决问题n 多个机器人可以提升性能n 冗余性：问题可以更容易解决n 成本低：多个简单个体比一个复杂个体便宜o 机器人集群分类n 远程控制集群n 中心控

2、制集群n 自主控制集群6机器人集群o 机器人集群的特长领域n 环境探索Environmental explorationn 材料运输Materials transportn 坐标感知Coordinated sensingn 机器人足球 Robot soccern 搜索救援Search and Rescue7群体智能o Swarm intelligence is “any attempt to design algorithms or distributed problem-solving devices inspired by the collective behaviour of socia

3、l insect colonies and other animal societies”8群体机器人o 将群体智能引入机器人学即为群体机器人学o 群群体体机器人学机器人学(Swarm robotics)研究如何设计大量相对简单可实现的智能体，通过智能体之间、智能体与环境之间的局部相互作用实现期望的群体涌现性行为。9群体机器人o 群群体体机器人机器人研究的兴起源于生物学启发，是通常意义上的多机器人系统被赋予群体智能属性后的新兴研究领域。o 自然界中，蚂蚁、白蚁、黄蜂、蜜蜂等社会性昆虫，以及鸟群、鱼群，菌落等都激发出令人惊奇的灵感，这些生物群体显示如何将大量简单的个体通体交互产生群体智能群体智能

4、。10群体机器人o 群体机器人的特长领域n 处理放射性废料n 探索未知星球n 移动大型物体n 灾后救援n 军事应用n 。11群体机器人o 近年来，群体机器人研究得到越来越多的关注。o 有关的国际会议n IEEE Swarm Intelligence会议(2006年开始)n Swarm Robotics会议(2004年开始)n International Conference on Swarm Intelligence (ICSI 2010-Beijing, ICSI 2011-Chongqing, ICSI 2012-Shenzhen)n IEEE CEC, ACM Gecco12群体机器人特

5、性o 自然界的生物群体o 自然群体的特性o 群体机器人系统要求o 群体机器人系统特性13生物界的自然群体14自然群体的特性o 泛中心化：没有集中控制o 个体简单o 自主行为能力o 局部通信和控制能力o 通过自组织形成群体行为o 例如：修复巢穴，捕食，照顾幼崽等等15群体机器人系统要求o 可扩展性（Scalability)n 系统规模的可伸缩性要求群体机器人系统应能在群体的规模发生很大变化时也能自如地加以控制。o 自组织性（Self-Organized）o 局部感知和通信能力16自组织性（Self-Organized）o 系统可以随着复杂度的改变自发调整组织结构，无需外部干预。o 人类的自组织性

6、为n “其实地上本没有路，走的人多了，也便成了路”n 最好的路会不断被走的人自发加强o 反例n 建筑工人合作建筑房屋17局部感知和通信能力o 该约束保证机器人间的组织是分布式的。o 群体机器人中使用全局通信很可能导致n 规模不可伸缩n 性能上陷入瓶颈n 系统的稳定性下降n 增加新的个体会影响整个系统o 当然，作为一种控制手段，如更新程序或发出终止指令等的全局通信是可以接受的。18群体机器人系统特性o 鲁棒性（Robustness）n 个体机器人发生功能障碍或整个群体受到环境干扰时也不失控。o 柔性（Flexibility）n 能针对不同任务产生模块化的解决方案o 自治性（Autonomous）

7、n 自助行为能力o 同构性（Nearly Homogeneous）n 群体中角色分工应该相对较少19目录o 什么是群体机器人o 群体机器人演示o 群体机器人项目o 群体机器人一般模型o 群体机器人算法举例20机器人协作爬坡演示21机器人协作救援演示22自学习自组装机器人演示23目标追踪演示24目录o 什么是群体机器人o 群体机器人演示o 群体机器人项目o 群体机器人一般模型o 群体机器人算法举例25群体机器人项目o 国内群体机器人系统的研究刚刚起步，而且主要是一些仿真研究。o 20世纪80年代初，欧美、日本一些研究人员就开始研究移动多机器人系统，起初的项目有CEBOT、SWARMS、ACTRE

8、SS等。26群体机器人项目o 目前，国外比较成熟的群体机器人研究项目有如下几个o The Swarm-Bots Projecto Pheromone Robotics Projecto The I-Swarm Projecto iRobot Swarm Projecto 等等27The Swarm-Bots Projecto 该项目由比利时布鲁塞尔自由大学IRIDIA实验室MDorigo主持，由欧盟技术委员会资助，2001年10月开始实施，2005年3月结束。o 该项目的目的是实现群体机器人的智能化和自组装。28The Swarm-Bots Project单个S-bots机器人一组S-bots

9、连接起来越过壕沟29The Swarm-Bots Project两个S-bots协同跨越壕沟，其中左图为仿真实验，右图为实物测试。组合前进跨越分拆30The Swarm-Bots Project单个S-bots无法跨越台阶两个S-bots协同跨越台阶31机器人协作上台阶演示32机器人协作运输演示33Pheromone Robotics Projecto 该项目由David Payton教授主持。从2000年开始，到2004年已完成第一阶段的研究。这个项目的目的是提供一种实用、灵活、鲁棒、廉价的群体机器人控制方案，可随意增添机器人数量。o 他们使用一种能够仿效生物信息素扩散的消息协议实现虚拟信息

10、素，信息素分布的梯度使机器人之间产生吸引或排斥力来产生机器人的移动。34Pheromone Robotics Project虚拟信息素检测器虚拟信息素视图35Pheromone Robotics Projecto 虚拟信息素作用方式36Pheromone Robotics Project37The I-Swarm Projecto 该项目由Heinz Wtirn 教授主持，开始于2004年，其目的是制造出上千个极微小(大小约2mm2mm1mm)的廉价机器人，使他们在一个小世界中(如在生物体内)完成一些群体任务，如装配、清洁等。38I-Swarm演示39iRobot Swarm Projecto

11、 MIT在该项目中研制出超过100个个体的机器人群体，已经用于实验和研发平台。这个群体包括机器人个体可以自动对接的自动充电站。大多数的研究工作由Mclurkin和他的同事完成。iRobot Swarm模块的主要软件工具是一个用于控制通信、定位和避障的红外通信系统ISIS。40iRobot Swarm Project41自动充电42目录o 什么是群体机器人o 群体机器人演示o 群体机器人项目o 群体机器人一般模型n自然界生物群体的协同能力n群体机器人个体的一般能力n群体机器人模型构建o 群体机器人算法举例43自然界生物群体的协同能力o 按复杂程度递增：o 细菌n通过明确的化学信号实现协作o 蚁群

12、、白蚁、蜜蜂和黄蜂n通过改变环境信息进行协作，如信息素o 狼群n可以与特定个体进行交流n特定的姿势和叫声o 灵长类o 人类44群体机器人个体的一般能力o 有限感知能力o 局部规划能力o 非全局通信能力o 任务分解能力o 任务分配能力o 简单学习能力o 控制与决策能力o 等等45群体机器人模型构建46群体机器人模型构建o 群体机器人建模方法o 群体机器人通讯方式o 群体机器人协同方式47群体机器人建模方法o 模型是实际系统的抽象，通过模型研究有助于理解系统内部的作用规律。o 群体机器人系统特征须在其模型中得以体现。o 群体机器人建模的重要性还体现在对系统规模伸缩性的研究上。48群体机器人建模方法

13、o 基于传感器-执行器的建模法n 对传感器、执行器、环境物体、机器人间的交互及机器人与环境的交互行为分别进行建模o 微观建模法n 将机器人模拟为有限状态机o 宏观建模法n 系统行为被定义为差分方程，表示在某个时间步处于每个特定状态的机器人平均个数。o 扩展粒子群算法建模法n 将粒子群算法模型作为机器人的行为控制模型49微观建模法与宏观建模法o 宏观模型能够很快得到粗略的全局行为，微观模型得到的全局行为更为实际，但耗时间较长。o 作为模型拓展，可以引入概率微观/宏观模型，以模拟噪音和环境干扰。50群体机器人模型构建o 群体机器人建模方法o 群体机器人通讯方式o 群体机器人协同方式51群体机器人通

14、讯方式o 通信是群体机器人动态运行的关键问题o 按照个体的交互方式可以将通信分为3类： n 通过环境实现交互n 通过感知实现交互n 通过明确通信实现交互52通过环境实现交互o 以环境作为通信媒介o 机器人之间没有明确的通信o 机器人随着任务的执行改变环境，进而帮助其他机器人完成任务。53通过感知实现交互o 机器人位于传感器感知范围之内时，可以相互感知对方的存在。o 感知是局部交互，机器人之间亦无明确通信。o 要求机器人具有区分机器人与环境中物体的能力。54通过明确通信实现交互o 明确通信包括直接型和广播型通信。o 网络通信，可以提供解决方案，但不适合群体机器人实时性要求。o 若机器人之间过分依

15、赖通信获取信息，则当个体数量增加，系统通信需求将呈指数增长。因此，一般以明确通信作为辅助手段。55群体机器人模型构建o 群体机器人建模方法o 群体机器人通讯方式o 群体机器人协同方式n 群体机器人体系结构n 机器人定位n 机器人的连接n 自组织与自组装56群体机器人协同方式o 机器人的协作控制属于群体机器人系统中的高级控制任务。o 个体机器人控制系统是实现个体行为的基础，它要求个体具有较强的协作性与自治性。o 群体行为是个体行为的集成。57群体机器人体系结构o 体系结构提供机器人活动和交互的框架，决定着机器人间的信息关系和控制关系。o 群体体系结构是实现协作行为的基础，决定机器人的合作能力。o

16、 群体机器人系统体系结构研究如何根据任务类型、机器人个体能力等确定群体机器人的规模及相互关系。58机器人定位o 群体模式通过个体间的交互体现出来，而群中并不存在全局的协作控制系统，这意味着每个个体机器人都有自己的局部协作控制系统，要具备在各自的局部协作系统框架内定位相邻个体的能力，所以机器人对相邻个体的快速准确定位是极为重要的。59机器人的连接o 主要用于互相间的连接，以执行那些对于单个机器人而言不可能完成的任务，如通过连接跨越壕沟或台阶、用实体链接的机器人共同探索环境等等。o 这与传统的自重构机器人的研究有相通之处，也为群体机器人的研究提供思路。60自组织与自组装o 自组织是一种动态机制，由

17、底层单元的交互呈现出系统的全局性结构。交互的规则仅依赖于局部信息，而不依赖于全局模式。o 自组织是系统自身涌现的性质。仅通过利用同一种媒介创建时间或空间上的结构。o 自然界通过系统的自组织解决问题，譬如蚂蚁筑巢、觅食等。理解生物系统如何自组织，就可以模仿这种策略实现群体机器人系统的自组织过程。61目录o 什么是群体机器人o 群体机器人演示o 群体机器人项目o 群体机器人一般模型o 群体机器人算法举例62群体机器人算法举例o 群体机器人算法基于假设：复杂的群体行为可以通过智能体间简单的局部作用实现。o 大量的算法已经在群体机器人系统中得到验证：一些算法实现了基本的功能；另一些算法演示了相对复杂的

18、团队合作行为。o 各种算法仍然存在一些共同特征。63群体机器人算法基本特性o 简单（Elegant）n个体机器人尽量简单，往往可以认为是只包含几个状态的有限状态机。o 可扩展（Scalable）n算法应该适用于任意大小的群体，同时适用于加入新个体的情况。o 分散（Decentralized）n机器人的行为是自主的，不受控于任何外部命令o 局部作用（Local interactions）n局部相互作用传播信息以保证系统可扩展性64群体机器人算法举例o 室内分散算法o 分布式地图绘制算法o 队列行进算法o 路径链生成算法o 群体搬运算法o 推土o 聚类o 协同操作o 协作躲避坑洞o 等等65室内分

19、散算法o 均匀分散是最早提出的群体机器人算法之一。McLurkin and Smith在iRobot Swarm的应用中描述了均匀分散算法。o 这个算法的思想非常简单，可以分为两个子算法n一个使机器人散开n一个用来检测边界以避免碰撞。n两个子算法产生不同的群体行为，交替执行。66室内分散算法o 机器人均匀分散在相对复杂的环境（左图）和开放的环境（右图）67分布式地图绘制算法o 建筑物探测、地图绘制是很常见的机器人任务。Rothermich 等人设计出一个在室内环境中绘制地图的算法。o 群体绘图方法有两个主要优点：n 多个机器人可以从不同的角度绘图，能比较精确地得绘出角落和边缘。n 未知环境下单个机器人定位是困难的。多机器人绘图时，当机器人群体前进的时候，全局参考坐标可以保持不变。68分布式地图绘制算法o 地图绘制算法效果展示o 左图：单个机器人的绘制结果o 右图：所有机器人绘制的地图相互重叠69队列行进算法o 在密集的障碍物中移动一大群体机器人同时保持机器人之间的联系是很重要也很基本的问题。o Hettiarachchi和Spears 提出一个解决此问题的算法，这个算法基于吸引和排斥的物理学问题。70队列行进算法o 40个机器人（黑点）避开障碍物（大红点）、保持紧密队形，行进到目标（