多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作方法研究.pdf

1、人工智能科學(xué)研究的進(jìn)展和通訊技術(shù)的進(jìn)步為多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的深入研究和廣泛應(yīng)用奠定了牢固的技術(shù)基礎(chǔ)。隨著人類要求機(jī)器人完成任務(wù)難度的提高，多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來越廣泛。許多任務(wù)由多個(gè)機(jī)器人協(xié)同完成要優(yōu)于采用單個(gè)機(jī)器人。多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)不僅能夠有效地利用機(jī)器人之間的相對(duì)定位及信息共享機(jī)制，提高系統(tǒng)效率和任務(wù)完成的質(zhì)量，而且可以完成單一機(jī)器人無法完成的時(shí)間和空間并行的多任務(wù)。
　　然而，多個(gè)機(jī)器人之間如果沒有一個(gè)良好的協(xié)作機(jī)制，

2、不僅會(huì)由于機(jī)器人之間的重復(fù)工作和彼此干擾而導(dǎo)致系統(tǒng)整體性能下降，而且會(huì)由于沖突加劇和發(fā)生死鎖現(xiàn)象而產(chǎn)生機(jī)器人安全隱患甚至使系統(tǒng)發(fā)生癱瘓而無法完成預(yù)定任務(wù)。因此多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作方法研究是多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)研究的核心問題。本文重點(diǎn)研究了基于心理學(xué)概念的多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作方法和基于生物啟發(fā)策略的多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作方法。并對(duì)多移動(dòng)機(jī)器人緊耦合任務(wù)和松耦合任務(wù)分別進(jìn)行了強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法的研究。
　　分析和比較了各種單體機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上提出了

3、一種面向多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作的基于目標(biāo)型行為有限狀態(tài)機(jī)的單體機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)。分析和比較了各種多機(jī)器人群體控制結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于群智能方法的分布式群體控制結(jié)構(gòu)。為了更好地說明任務(wù)概念和為基于任務(wù)的多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作研究奠定基礎(chǔ)，提出了一種MTB多移動(dòng)機(jī)器人任務(wù)層次結(jié)構(gòu)。
　　受螞蟻等社會(huì)性昆蟲營養(yǎng)交哺現(xiàn)象的啟發(fā)，提出了一種基于交哺行為的Mission級(jí)任務(wù)一致性保持方法，使多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)可以自主地實(shí)現(xiàn)任務(wù)的一致性保持，

4、為通信范圍有限或者通信信息需要保密的敵對(duì)環(huán)境下的系統(tǒng)任務(wù)命令的有效傳播提供了一種魯棒和可靠的群智能方法。在模擬螞蟻等社會(huì)性生物采用信息素進(jìn)行信息交流的隱式通信方式的基礎(chǔ)上，提出了一種基于排斥信息素型蟻群算法(PR-ACA)的多移動(dòng)機(jī)器人自主任務(wù)分配方法。進(jìn)行了未知非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作搜集仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，采用該方法可以實(shí)現(xiàn)多移動(dòng)機(jī)器人搜集任務(wù)的自主分配，有效減少機(jī)器人的空間沖突，尤其在機(jī)器人數(shù)量較多的情況下，更能顯示出

5、該方法的優(yōu)勢。
　　提出了一種基于心理狀態(tài)參數(shù)的多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作行為決策方法。機(jī)器人根據(jù)對(duì)自身內(nèi)外環(huán)境及隊(duì)友狀態(tài)的估計(jì)產(chǎn)生心理狀態(tài)參數(shù)。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立心理狀態(tài)參數(shù)與機(jī)器人協(xié)作傾向閾值之間的映射關(guān)系。在遇到需要產(chǎn)生協(xié)作行為的場合根據(jù)這些閾值來快速產(chǎn)生反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提方法既可以保證機(jī)器人根據(jù)環(huán)境做出合理的判斷，又可以保證機(jī)器人反應(yīng)的快速性。針對(duì)目前應(yīng)用于多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作的拍賣方法很少考慮機(jī)器人參與拍賣的時(shí)機(jī)是否適當(dāng)這一問題，在

6、拍賣方法中引入了心理學(xué)的焦慮概念，提出了基于焦慮/拍賣的多機(jī)器人協(xié)作方法(AACM)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與單純的拍賣方法相比，該方法能夠提高多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作搜集任務(wù)的執(zhí)行效率。
　　針對(duì)緊耦合任務(wù)的特點(diǎn)，應(yīng)用強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法進(jìn)行了多移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航任務(wù)的研究。高層采用“條件——行為對(duì)”強(qiáng)化學(xué)習(xí)機(jī)制解決了多移動(dòng)機(jī)器人長障礙物的繞行方向選擇問題。中層采用一種角色交叉包含式控制結(jié)構(gòu)作為編隊(duì)保持機(jī)制。底層采用“動(dòng)作——狀態(tài)對(duì)”強(qiáng)化學(xué)習(xí)機(jī)制進(jìn)行避

7、碰規(guī)則的學(xué)習(xí)。通過多移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航仿真實(shí)驗(yàn)證明了所提三層控制方法對(duì)于解決多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航任務(wù)的有效性和高效性。針對(duì)松耦合任務(wù)的特點(diǎn)，作為所提面向多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作的單體機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究，提出了一種帶“共享區(qū)”的基于目標(biāo)型行為的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，研究了通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)機(jī)制獲得基于目標(biāo)型行為有限狀態(tài)機(jī)的方法，通過多機(jī)器人搜集仿真實(shí)驗(yàn)證明了該方法的可行性。
　　最后，建立了面向多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作方法性能驗(yàn)證的多移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過