Research on Multi Robot Dynamic Formations.pdf

1、多自主移動(dòng)機(jī)器人的分布式協(xié)調(diào)與控制是一個(gè)在工程、人工智能、人工生命等領(lǐng)域得到了廣泛研究的問題。在這些領(lǐng)域中，通常主要是從經(jīng)驗(yàn)的角度來研究該問題。與此不同的是，本文研究的目的是為了更好地理解在利用多自主移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行編隊(duì)研究時(shí)涉及到的各種算法。
　　在機(jī)器人領(lǐng)域，大量的研究集中于群體機(jī)器人系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中若干個(gè)獨(dú)立的機(jī)器人共同作用，以便實(shí)現(xiàn)指定的目標(biāo)。一個(gè)科學(xué)的問題可能既有工程應(yīng)用背景同時(shí)又有生物學(xué)方面的起源。從工程學(xué)角度來看,由若

2、干個(gè)智能體組成的系統(tǒng)特別受研究人員的青睞，因?yàn)樗鼈兇砹嗽谇蠼饽切┚哂袃?nèi)在并行性的任務(wù)時(shí)提高效率的一種方式。從生物學(xué)角度來看，多個(gè)機(jī)器人協(xié)同工作（或相互競爭）是一個(gè)有趣的問題,因?yàn)檫@為研究自組織、負(fù)載分配和協(xié)作運(yùn)輸?shù)仍S多問題提供了一個(gè)很好的測試平臺(tái)。研究表明，基于生物控制系統(tǒng)的角度來設(shè)計(jì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)往往會(huì)得到簡單的行為，而無需借助高度復(fù)雜的控制系統(tǒng)來處理困難的環(huán)境。
　　基于充分自主和受控機(jī)器人的編隊(duì)問題是在許多領(lǐng)域得到了廣泛

3、研究的問題。它包括（但不局限于）對未知環(huán)境的探索、傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署、排雷、追捕獵物、燃料補(bǔ)給、區(qū)域覆蓋等等。這些領(lǐng)域很多是從生物世界得到啟發(fā)的。
　　在編隊(duì)問題的研究中，大致可以區(qū)分為三種不同的結(jié)構(gòu),即領(lǐng)隊(duì)跟隨法，虛擬結(jié)構(gòu)法以及基于行為的編隊(duì)控制方法，每種方法各有其利弊。我們廣泛研究了這三種結(jié)構(gòu)以及在不同參數(shù)設(shè)置下的影響。研究表明，基于行為的結(jié)構(gòu)具有更加魯棒和易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，并且只需較少的通信帶寬。領(lǐng)隊(duì)跟隨法也是一種易于擴(kuò)展的方法

4、，并且在領(lǐng)隊(duì)機(jī)器人和跟隨機(jī)器人之間無需任何通信。對于虛擬結(jié)構(gòu)法，負(fù)責(zé)計(jì)算各個(gè)智能體的位置的工作是由領(lǐng)隊(duì)機(jī)器人獨(dú)立完成的，研究結(jié)果表明這種方法的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于它能夠獲得更好的收斂性能。
　　在本文研究中我們提出了動(dòng)態(tài)編隊(duì)的問題。在實(shí)驗(yàn)中，有一個(gè)稱之為領(lǐng)隊(duì)的機(jī)器人，它區(qū)別于被稱為跟隨者的所有其它機(jī)器人。這種差別主要在于領(lǐng)隊(duì)知道目標(biāo)的位置和方向，以及需要形成的編隊(duì)類型。同時(shí)領(lǐng)隊(duì)機(jī)器人還知道其它一些參數(shù)，諸如編隊(duì)的尺寸、隊(duì)形所能容納的機(jī)

5、器人的最大數(shù)量等等。在每次測試中領(lǐng)隊(duì)機(jī)器人是預(yù)先確定的，并且能夠被所有其它機(jī)器人識(shí)別，只要領(lǐng)隊(duì)進(jìn)入到該機(jī)器人的識(shí)別范圍內(nèi)。跟隨者的任務(wù)是在領(lǐng)隊(duì)后面移動(dòng)，并按照領(lǐng)隊(duì)的需要形成確定的隊(duì)形。這種局部行為最終將能導(dǎo)致凸現(xiàn)的全局性行為，并能實(shí)現(xiàn)幾何形狀的隊(duì)形。
　　在編隊(duì)形成初期，機(jī)器人被任意地分布在區(qū)域的不同地方，并且它們不知道目標(biāo)位置、編隊(duì)形狀以及尺寸等知識(shí)。然而在大多數(shù)已有的工作中，這類信息要么在測試的初始化階段就可供所有的機(jī)器人使用

6、，要么它們根本沒有任何相關(guān)的信息。在本文提出的算法中，一旦有新的成員加入到編隊(duì)小組中，這類信息就能夠傳達(dá)給它。這樣處理是有用的，如果當(dāng)領(lǐng)隊(duì)在編隊(duì)過程中出現(xiàn)失敗而無法完成編隊(duì)任務(wù)時(shí)。
　　我們提出了一種當(dāng)機(jī)器人沒有統(tǒng)一的局部坐標(biāo)系時(shí)的解決辦法。各個(gè)機(jī)器人從自己的角度來觀察外部環(huán)境。這將導(dǎo)致兩個(gè)機(jī)器人對同一個(gè)物體得到不同的坐標(biāo)數(shù)值，并且它們沒有坐標(biāo)軸的概念。盡管如此，它們?nèi)匀槐仨氃O(shè)法完成全局的任務(wù)。
　　在我們提出的算法中，沒有

7、事先規(guī)定各個(gè)機(jī)器人在編隊(duì)中需要占據(jù)的位置。機(jī)器人在一次編隊(duì)中占據(jù)了某個(gè)位置，但在下次進(jìn)行同樣類型的編隊(duì)任務(wù)時(shí)它可能無法得到同樣的位置，甚至根本得不到任何位置。同時(shí)機(jī)器人還可以加入到已經(jīng)組建的編隊(duì)中。它們是加入到隊(duì)形后面還是尾部，并且會(huì)不會(huì)改變隊(duì)形的形狀，這些問題要根據(jù)需要來決定。如果幾何形狀不閉合，則新加入的機(jī)器人應(yīng)該占據(jù)編隊(duì)的開口端。例如直線隊(duì)形有兩個(gè)開口端，柱狀隊(duì)形有一個(gè)開口端，而圓周隊(duì)形則沒有缺口。在我們提出的算法中還包括了對編隊(duì)

8、小組中機(jī)器人的最大數(shù)量的限制。由于增加了新的機(jī)器人，編隊(duì)形狀可能也會(huì)隨之發(fā)生變化。這些問題在本文中都進(jìn)行了各種試驗(yàn)。
　　避開障礙物的問題取決于所采用的結(jié)構(gòu)以及對環(huán)境的理解。對于已知環(huán)境或那些可以了利用全局/中央控制器的環(huán)境，避開障礙物是容易實(shí)現(xiàn)的。多數(shù)研究人員把障礙物看作是妨害機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的小型物體。在他們的設(shè)置中機(jī)器人先是分散行動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)障礙物尾部后再重新結(jié)合恢復(fù)成原先的隊(duì)形。在未知的環(huán)境中，當(dāng)機(jī)器人感知能力有限并且障礙物的長度

9、不能確定，此時(shí)由于避障算法難以實(shí)施因此經(jīng)常采用上述處理方式。對于完全未知的環(huán)境來說，最佳的解決辦法應(yīng)該是當(dāng)機(jī)器人發(fā)現(xiàn)前方有障礙物時(shí)，將隊(duì)形變換為柱狀隊(duì)形。我們提出對于這樣一種情況，無需整個(gè)隊(duì)形變換為柱狀隊(duì)形，而僅僅是遭遇到障礙物的那部分隊(duì)形進(jìn)行變換。
　　在本文研究中我們還給出的另一個(gè)問題，即利用自主機(jī)器人來形成希臘字母。就我們所知本文是首次進(jìn)行該方面的研究，盡管一些研究論文已經(jīng)利用非自主機(jī)器人開展過類似的研究工作。借助微型機(jī)器人

10、我們可以在墻壁或天花板上完成不同語言的各種字母表，以便用于教育目的，它也可以用來組成不同的狀態(tài)以用于娛樂。這使得字符可以進(jìn)一步擴(kuò)展來構(gòu)成單詞甚至是句子。通過減少機(jī)器人的尺寸并進(jìn)一步提高其爬壁能力后這種應(yīng)用是有可能的。機(jī)器人被區(qū)分在兩個(gè)區(qū)域,一個(gè)區(qū)域是用來生成字符，而另外一個(gè)區(qū)域則是用來匯集機(jī)器人。這兩個(gè)區(qū)域通過兩個(gè)特殊的機(jī)器人來分開，其他機(jī)器人則是通過直線行進(jìn)或交叉進(jìn)行來到達(dá)字符地圖中的指定位置。
　　在已有的文獻(xiàn)中,編隊(duì)問題通常

11、是基于理想化的分布式移動(dòng)機(jī)器人來研究的。這種理想化的機(jī)器人通常被看作是平面上的一個(gè)點(diǎn)，它裝備有完善的范圍傳感器并且能夠瞬間朝各種方向移動(dòng)。在本文的研究中我們設(shè)定機(jī)器人具有實(shí)際的物理尺寸，機(jī)器人裝備有有限范圍的傳感器，并且其運(yùn)動(dòng)必須遵循一定的物理法則。本文提出的各種算法均建立在實(shí)際機(jī)器人基礎(chǔ)上。
　　關(guān)于編隊(duì)問題仍有大量的研究工作在開展，并且由此已經(jīng)演化出許多新的分支，如捕捉目標(biāo)、護(hù)送、負(fù)載分配、物體運(yùn)輸?shù)?。這些問題自從編隊(duì)問題出現(xiàn)