机电网络控制presentation

1、School of Automation Science and Electrical EngineeringBeijing University of Astronautics and AeronauticsReporterReporter：刘德龙：刘德龙Date : 2015.5.4多机器人网络控制系统多机器人网络控制系统Multi-robot Network Control Architecture3.2.1.4.Presentation Outline多机器人网络控制系统多机器人网络控制系统Basic Concept多机器人网络控制系统多机器人网络控制系统网络机器人系统网络机器人系统（

2、Networked Robots SystemNRS）是指）是指一系列的机器人基于某种协议连接到通信网络（一系列的机器人基于某种协议连接到通信网络（INTERNETINTERNET、LANLAN等）组成的控制体系。网络有线等）组成的控制体系。网络有线oror无线。无线。基本基本元素元素：Physical embodiment；Autonomous capabilities；Network based cooperation；Environment sensors and actuators；Human-robot interaction军事侦察军事侦察；搜寻搜寻；空间探索；排雷空间探索；排雷排

3、排爆；编队飞行；战斗机器人等领域有重要应用爆；编队飞行；战斗机器人等领域有重要应用分类分类 Reference: Sanfeliu, Alberto, Norihiro Hagita, and Alessandro Saffiotti. Network robot systems. Robotics and Autonomous Systems 56.10 (2008): 793-797. 高永生, 赵杰, 蔡鹤皋. 基于多智能体的多机器人网络控制体系J. 计算机工程, 2006, 32(22): 14-16.多机器人网络控制系统多机器人网络控制系统网网络络控控制制模模式式遥操作（集中式）系统

4、：遥操作（集中式）系统：通过一个集中控制单元来监控队机器人，并分通过一个集中控制单元来监控队机器人，并分别命令控制每个机器人的运动。别命令控制每个机器人的运动。自主（分布式）系统：自主（分布式）系统：每个机器人利用局部信息自主运动，机器人之间每个机器人利用局部信息自主运动，机器人之间相互通信，并且反过来配置、修正、维护控制网络。相互通信，并且反过来配置、修正、维护控制网络。直接控制直接控制共享控制共享控制监督控制监督控制Network Robotsvisiblevirtualunconscious研究内容及挑战研究内容及挑战多机器人网络控制系统多机器人网络控制系统由于多机器人系统工作的现场环境

5、、网络自身特性的限制等原因，机器人之间需要通过网由于多机器人系统工作的现场环境、网络自身特性的限制等原因，机器人之间需要通过网络进行通信，然而由于无线网络通信环境易受到噪声的影响，且存在丢包现象，因此如何络进行通信，然而由于无线网络通信环境易受到噪声的影响，且存在丢包现象，因此如何保证机器人能够及时、准确地接收到有关机器人发送的信息，成为关键研究内容。保证机器人能够及时、准确地接收到有关机器人发送的信息，成为关键研究内容。联合定位和导航、环境感知、任务分配及合成任务执行、人机交互、网络遥操作和通信联合定位和导航、环境感知、任务分配及合成任务执行、人机交互、网络遥操作和通信设计网络系统需解决的关

6、键问题设计网络系统需解决的关键问题研究热点课题研究热点课题 多机器人网络控制系统多机器人网络控制系统聚集、觅食和编队探索和覆盖多目标观测推箱子和物体搬运任务机器人足球多机器人的动态追捕系统结构系统结构 多机器人网络控制系统多机器人网络控制系统多机器人协作体系结构多机器人协作体系结构协调模块协调模块感应模块感应模块反应模块规划模块选择模块执行模块冲突消解模块负责节点的负责节点的抽象行为，抽象行为，包括总体规包括总体规划和管理划和管理从黑板或其从黑板或其他智能体中他智能体中接收和翻译接收和翻译信息信息负责发送智能体负责发送智能体规划处理的控制规划处理的控制指令；当任务完指令；当任务完成能力不足时，

7、成能力不足时，则分配任务到其则分配任务到其他智能体或写入他智能体或写入黑板中，以便进黑板中，以便进一步处理问题一步处理问题根据反应模块根据反应模块中的信息，结中的信息，结合知识源提供合知识源提供的处理方法，的处理方法，进行问题求解进行问题求解规划规划选取规划模选取规划模块中的规划块中的规划步骤，将问步骤，将问题的优化题的优化处理集调入处理集调入执行模块执行模块根据规划模块根据规划模块的信息处理方的信息处理方法，完成局部法，完成局部规划或实时反规划或实时反应应解决子智解决子智能体之间能体之间在局部计在局部计算中的潜算中的潜在冲突在冲突典型典型分析：分析：一群一群敏捷的四旋翼直升机敏捷的四旋翼直升

8、机多机器人网络控制系统多机器人网络控制系统Towards A Swarm of Agile Micro Quadrotors设计参数：设计参数：质量：质量：73g； 直径：直径：21cm旋翼类型：四旋翼旋翼类型：四旋翼性能：性能：1850deg/sec 旋转旋转/偏航偏航 空翻空翻360/0.4s A lateral step response of 1 body length in 1 second.设计小的原因：设计小的原因：1.有限空间的更紧密队形；有限空间的更紧密队形；2.更高的灵活性和更快的响应速度更高的灵活性和更快的响应速度3.高加速度适应更多的干扰，具备高加速度适应更多的干扰，具

9、备更强的稳定性更强的稳定性缺点：负载能力减弱缺点：负载能力减弱Kushleyev, Alex, et al. Towards a swarm of agile micro quadrotors.Autonomous Robots 35.4 (2013): 287-300.典型分析：典型分析：一群敏捷的四旋翼直升机一群敏捷的四旋翼直升机多机器人网络控制系统多机器人网络控制系统骨架：碳纤维骨架：碳纤维螺旋桨直径：螺旋桨直径：8cm电池：电池：2-块块 400 mAh Li-Po充充电电池，续航时间电电池，续航时间11min控制板：控制板：ARM Cortex-M3处理器处理器无线模块：无线模块：2

10、个个Zigbee收发器收发器（900 MHz or 2.4 GHz）传感器：传感器：3轴磁力计；轴磁力计；3轴加速度轴加速度计；计；3轴陀螺仪轴陀螺仪硬硬 件：件：典型分析：典型分析：一群敏捷的四旋翼直升机一群敏捷的四旋翼直升机多机器人网络控制系统多机器人网络控制系统1. 利用利用Vicon 运动捕捉系统以运动捕捉系统以100 Hz频率检测每个直升机位置；频率检测每个直升机位置；2. 数据通过千兆数据通过千兆 以太网传到基站；以太网传到基站；3. 控制指令包括方向、角度、推力控制指令包括方向、角度、推力等（由基站的等（由基站的MATLAB产生）以产生）以100 Hz频率通过无线模块传到每个频率

11、通过无线模块传到每个直升机上。直升机上。软软 件：件：典型分析：典型分析：一群敏捷的四旋翼直升机一群敏捷的四旋翼直升机多机器人网络控制系统多机器人网络控制系统仿仿 真：真：（a）很小的转动惯量可以引起很大的角加速度）很小的转动惯量可以引起很大的角加速度（a）临界阻尼的建立时间小于）临界阻尼的建立时间小于0.2s（b）绕）绕y轴空翻仅用轴空翻仅用0.4s，角速度可达到，角速度可达到1850 deg/sec（a）X轴和轴和Y轴关于轴关于Z轴的标准差分别为轴的标准差分别为0.75cm和和0.2cm典型分析：典型分析：一群敏捷的四旋翼直升机一群敏捷的四旋翼直升机多机器人网络控制系统多机器人网络控制系统

12、控制和规划：控制和规划：1.整个团队被标号成不同的组，并整个团队被标号成不同的组，并且组内的飞行器被标号；且组内的飞行器被标号；2.同一群组内飞行器能以高数据速同一群组内飞行器能以高数据速率低延迟进行通讯，群组之间的通率低延迟进行通讯，群组之间的通讯需求并不严格；讯需求并不严格；混合整数二次规划算法：混合整数二次规划算法：目的保证无人机编队的形状和拓扑结构目的保证无人机编队的形状和拓扑结构典型分析：典型分析：一群敏捷的四旋翼直升机一群敏捷的四旋翼直升机多机器人网络控制系统多机器人网络控制系统无人机编队飞行：无人机编队飞行：20无人机按照方格形状（a）20架无人机位平架无人机位平均沿均沿x轴、轴

13、、y轴、轴、z轴位轴位置偏差距离。置偏差距离。条件：条件：在在1.3米的高度米的高度悬停悬停30s，以，以0.35m-0.5m的中心距。的中心距。结论：结论：一定范围后分离一定范围后分离距离的大小对悬停偏差距离的大小对悬停偏差没有影响没有影响(b) 16架无人机沿架无人机沿“8”字型形状；字型形状；条件：条件：每两个无人每两个无人机飞行间隔为整个机飞行间隔为整个飞行周期的飞行周期的1/16，避免在交叉点相撞，避免在交叉点相撞，时间分配为时间分配为15/32周期另一环为周期另一环为17/32周期周期时间分离式轨迹跟随：时间分离式轨迹跟随：16无人机按照“8”字型形状典型分析：典型分析：一群敏捷的

14、四旋翼直升机一群敏捷的四旋翼直升机多机器人网络控制系统多机器人网络控制系统1.利用混合整数线性规划方案控制利用混合整数线性规划方案控制16架架无人机从平面网格到三维螺旋形态；无人机从平面网格到三维螺旋形态；2.优化目标为无人机编队到目标形态的优化目标为无人机编队到目标形态的最短时间。最短时间。1.利用分支界限法解算器解决二次规利用分支界限法解算器解决二次规划轨迹生成问题，实验中四组无人机划轨迹生成问题，实验中四组无人机编队（每组四个）从窗户的一边飞到编队（每组四个）从窗户的一边飞到另外一边；另外一边；2.以组为单位进行优化。以组为单位进行优化。总结及展望总结及展望多机器人网络控制系统多机器人网络控制系统2.如何设计合理的人机交互接口如何设计合理的人机交互接口 ,充分结合人的高层决策智能和多机器人系统充分结合人的高层决策智能和多机器人系统的底层协同能力，加强人与多机器人系统的理解是将来的一个研究方向的底层协同能力，加强人与多机器人系统的理解是将来的一个研究方向1.建立更为高效和紧凑的多机器人系统结构建立更为高效和紧凑的多机器人系统结构 ,开发更为合理的组织和协调策略，开发更为合理的组织和协调策略， 仍然是需要进一步研究的基础性问题仍然是需要进一步研究的基础性问题多机器人系统代表了机器人发展的明天！多机器人系统代表了机器人发展的明天！