顧永鑫

摘 要：多機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)一致性是研究群體機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。以多機(jī)器協(xié)調(diào)控制的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)——多機(jī)器人覓食模型為研究對(duì)象進(jìn)行仿真研究。主要討論了單區(qū)域覓食、分家覓食、分區(qū)覓食三種覓食方式，并用多種指標(biāo)來(lái)比較三種覓食方式的優(yōu)缺點(diǎn)。仿真結(jié)果表明采取不同的指標(biāo)，機(jī)器人數(shù)量和覓食方式對(duì)其有很大的影響。

關(guān)鍵詞：覓食模型；覓食避障；協(xié)調(diào)一致性；多機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095-1302（2015）04-00-02

0 引 言

就目前的機(jī)器人技術(shù)水平而言，單機(jī)器人在信息的獲取、處理及控制能力等方面都是有限的，對(duì)于復(fù)雜多變的工作任務(wù)、工作環(huán)境以及追求效率的工作任務(wù)，單機(jī)器人已經(jīng)無(wú)法滿足要求。于是多機(jī)器人組成的群體系統(tǒng)備受關(guān)注，開(kāi)始研究通過(guò)多機(jī)器人的協(xié)作來(lái)實(shí)現(xiàn)單機(jī)器人難以具備的功能。這使得多機(jī)器人系統(tǒng)成為當(dāng)今的一個(gè)重要研究方向，與此同時(shí)實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)一致性問(wèn)題擺在了越來(lái)越突出的位置，成為研究群體機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 覓食模型搭建

覓食的任務(wù)是收集散布在某一空間中的特定物體，并運(yùn)送回一固定的區(qū)域（家區(qū)域），而多機(jī)器人系統(tǒng)正是受到生物群體的啟示發(fā)展起來(lái)的系統(tǒng)。

1.1 單區(qū)域覓食

在這種覓食方式中，系統(tǒng)所使用的各個(gè)機(jī)器人不僅具有相同的功能和結(jié)構(gòu)，具有相同的傳感器，也具有相同的行為集合以及行為選擇策略。任務(wù)開(kāi)始之后，各個(gè)機(jī)器人按照自己的策略進(jìn)行獨(dú)立的覓食工作，當(dāng)兩個(gè)機(jī)器人發(fā)生沖突時(shí)，則需要進(jìn)行回避的行為。圖1所示是單區(qū)域覓食的仿真模型圖。

1.2 分家覓食

分家覓食是在很多需要多機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行類似于覓食任務(wù)的場(chǎng)合下，如在危險(xiǎn)領(lǐng)域收集各種廢料，往往需要收集的物品不止一種。在一些情況下，還需要將收集到的不同種類的物體放置在不同場(chǎng)合。圖2所示是分家覓食的仿真模型圖。

1.3 分區(qū)覓食

分區(qū)覓食是多區(qū)域覓食任務(wù)模型的一種，它是將任務(wù)空間分為n個(gè)區(qū)域，一定數(shù)目的機(jī)器人被分配在某各個(gè)區(qū)間工作，它們只負(fù)責(zé)在所在區(qū)間中尋覓食物，找到后將其運(yùn)送到這一區(qū)間與下一個(gè)區(qū)間相鄰的指定交接區(qū)域，這些食物將留在那里等待在下一個(gè)區(qū)間工作的機(jī)器人來(lái)繼續(xù)將其搬運(yùn)，直到最后處于家區(qū)域的機(jī)器人將這一食物運(yùn)送回家。圖3所示是分區(qū)覓食的仿真模型圖。

2 覓食避障算法

2.1 覓食模型仿真過(guò)程中的假設(shè)

（1）忽略機(jī)器人的大小，處理成質(zhì)點(diǎn)。

（2）運(yùn)動(dòng)過(guò)程中忽略機(jī)器人的慣性。

（3）單位步長(zhǎng)內(nèi)機(jī)器人只能執(zhí)行直線行走或者轉(zhuǎn)彎。

（4）一個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)機(jī)器人直線行走的距離為區(qū)域邊長(zhǎng)的1/20。

（5）一次隨機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為15°的1～5倍。

2.2 機(jī)器人之間的避障算法

首先只考慮兩個(gè)機(jī)器人之間的避障，若兩個(gè)機(jī)器人間的距離等于單位步長(zhǎng)移動(dòng)的最大距離的2倍（2L）。如下圖4所示，A、B表示兩個(gè)機(jī)器人，此時(shí)它們的距離為2L，若兩個(gè)機(jī)器人相向而行，則在下一步必定發(fā)生碰撞；但是如果有一個(gè)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎，例如A沿著AC向量方向前進(jìn)，B無(wú)論沿著那個(gè)方向，A、B都不會(huì)相撞。假設(shè)B沿著B(niǎo)C向量方向前進(jìn)，若A、B在C處相遇，則根據(jù)構(gòu)成的三角形必要條件有：AC+BC>AB；由于單位步長(zhǎng)內(nèi)A、B移動(dòng)的距離：AC+BC≤AB；所以A、B不會(huì)相遇；若B沿著B(niǎo)D（平行于AC）與AB間逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)任意一角度都不會(huì)與A相遇。

現(xiàn)在考慮AB之間的距離小于2L，連接AB的直線與X軸正方向把整個(gè)平面劃分成3個(gè)區(qū)域如下圖5中1、2、3所示。下面我們將討論A的速度方向在1區(qū)的情況：（1）有可能相遇，如A的速度沿著AC向量方向，若此時(shí)B的方向介于BA與BD（平行于AC）之間如沿著B(niǎo)F方向，則A、B有可能相遇，所以此時(shí)A的速度方向AC將順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度如40度，B則逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)40度，如圖6所示。（2）A、B不可能相遇但由于它們之間的距離小于2L，則此時(shí)A、B都不能隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)保持直線行走直到它們的距離大于2L。其他2個(gè)區(qū)域的避障情況類似，不再詳細(xì)描述。

2.3 機(jī)器人與墻之間的避障

如下圖6所示，當(dāng)機(jī)器人A進(jìn)入預(yù)警區(qū)（預(yù)警線與墻之間的區(qū)域），機(jī)器人開(kāi)始減速，并且判斷速度方向是否朝向墻如AB這個(gè)方向，若滿足則機(jī)器人采取避障操作即原地轉(zhuǎn)動(dòng)，直到速度背離墻如AC方向，同時(shí)以最大速度移動(dòng)，此時(shí)執(zhí)行移動(dòng)操作。

3 仿真研究

覓食區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)正方形區(qū)域（不考慮量綱），時(shí)間步長(zhǎng)為1 s，機(jī)器人單位步長(zhǎng)內(nèi)移動(dòng)距離為區(qū)域邊長(zhǎng)的1/20。機(jī)器人隨機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為15°的1～5倍。家區(qū)域?yàn)橐捠硡^(qū)域右下角的半徑為邊長(zhǎng)的1/8。每次的是食物數(shù)量為20，仿真時(shí)間為300 s。分別仿真機(jī)器人的數(shù)量為3、5、7、9、11、13、15、17、19、21時(shí)，分別仿真10次3種覓食方式的覓食過(guò)程。從分析食物密度變化趨勢(shì)得知所剩食物較少時(shí)，食物密度幾乎不發(fā)生變化。為了便于分析，便采用覓食效率（機(jī)器人收集80%的食物所需時(shí)間的倒數(shù)）和避障次數(shù)（機(jī)器人與機(jī)器人之間的避障次數(shù)）指標(biāo)衡量多機(jī)器人的協(xié)調(diào)一致性。

3.1 覓食效率分析

在3種覓食方式下，機(jī)器人覓食效率都先隨著機(jī)器人數(shù)量的增加而增加。但是，在單區(qū)域覓食方式下，當(dāng)機(jī)器人數(shù)量大于17時(shí)，其覓食效率反而降低；在分家覓食方式下，當(dāng)機(jī)器人數(shù)量大于15左右時(shí)，其覓食效率基本不再提高；而在分區(qū)覓食方式下，可見(jiàn)其覓食效率隨著機(jī)器人數(shù)量增加仍可提高。

由此可得當(dāng)機(jī)器人數(shù)量較大時(shí)，分區(qū)覓食方式效率最高。

3.2 避障次數(shù)分析

由前面的分析可以得出：在一定范圍內(nèi)，增加機(jī)器人的數(shù)量會(huì)增加群體的效率，但隱藏在這背后的機(jī)器人之間的沖突也可能加劇。此時(shí)，采用機(jī)器人的避障次數(shù)，作為衡量沖突的一個(gè)指標(biāo)。

觀察分析可得單區(qū)域覓食的避障次數(shù)最多，觀察仿真的過(guò)程也發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的避障是發(fā)生在家區(qū)域的緩沖區(qū)附近，而分家和分區(qū)能有效地避免在家區(qū)域附近的避障。結(jié)合圖7，可得出每種覓食方式都存在一個(gè)最優(yōu)的機(jī)器人數(shù)量使得在其覓食效率達(dá)到一定值時(shí)，避障次數(shù)相對(duì)最少。

4 結(jié) 語(yǔ)

多機(jī)器人協(xié)調(diào)是當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。改善多機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)一致性將極大提高機(jī)器人的運(yùn)作效率，將給予人類更多的便利與高效。研究多機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)于機(jī)器人智能化發(fā)展與進(jìn)一步實(shí)用化進(jìn)程具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 李智軍.基于群體協(xié)作的分布式多機(jī)器人通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)器人， 2000， 22（4）：300-304.

[2] 高志軍，顏國(guó)正， 丁國(guó)清，等.多機(jī)器人協(xié)調(diào)與合作系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展[J].光學(xué)精密工程， 2001， 9（2）：99-103.

[3] 譚民， 范永 徐國(guó)華，等.機(jī)器人群體協(xié)作與控制的研究[J]. 機(jī)器人，2001，23（2）：178-182.

[4] 王越超， 談大龍. 協(xié)作機(jī)器人學(xué)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機(jī)器人，1995，20（1）：69-75.

[5] 王玫， 朱云龍， 何小賢.群體智能研究[J].計(jì)算機(jī)工程，2005，31 （22）：194-196.