基于粒子群算法的群體機(jī)器人圍捕行為的研究

基于粒子群算法的群體機(jī)器人圍捕行為的研究三、擬采取的研究方法、技術(shù)路線、試驗(yàn)方案及其可行性分析

四、課題的創(chuàng)新性一、課題意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述二、課題研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵性問題基于粒子群算法的群體機(jī)器人圍捕行為的研究課題意義“機(jī)器人”一詞最早出現(xiàn)在1920年捷克作家卡雷爾?恰佩克的撰寫的一部科幻小說(羅薩姆的機(jī)器人萬能公司)中，從此“機(jī)器人”就開始走近了人們的生活。到目前為止，“機(jī)器人”仍然沒有統(tǒng)一的定義，人們認(rèn)為機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)械裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)的機(jī)器。

隨著社會(huì)生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，從自動(dòng)化生產(chǎn)線到太空作業(yè)等領(lǐng)域，機(jī)器人可謂是無處不在?，F(xiàn)有的機(jī)器人研究在理論和技術(shù)兩方面雖已取得了很大的進(jìn)展，但是單個(gè)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，對于復(fù)雜的工作任務(wù)及多變的工作環(huán)境，單個(gè)機(jī)器人的能力更顯不足。于是人們考慮由多個(gè)機(jī)器人組成的群體系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)、協(xié)作來完成單機(jī)器人無法或難以完成的工作。

群機(jī)器人系統(tǒng)是特殊的多機(jī)器人系統(tǒng)，由許多無差別的自治機(jī)器人組成，具有典型的分步式系統(tǒng)特征。

群體機(jī)器人系統(tǒng)比單機(jī)器人系統(tǒng)具有更強(qiáng)的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）相互協(xié)調(diào)的n個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的能力可以遠(yuǎn)大于一個(gè)單機(jī)器人系統(tǒng)的n倍，群體機(jī)器人系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)單機(jī)器人系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)；（2）設(shè)計(jì)和制造多個(gè)簡單機(jī)器人比單個(gè)復(fù)雜機(jī)器人更容易、成本更低；（3）使用群體機(jī)器人系統(tǒng)可以大大節(jié)約時(shí)間，提高效率；（4）群體機(jī)器人系統(tǒng)的平行性和冗余性可以提高系統(tǒng)的柔性和魯棒性等等。

經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究已在理論和實(shí)踐方面取得很大的進(jìn)展，并建立了多機(jī)器人仿真系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。但是這些研究還都在實(shí)驗(yàn)階段，而且任務(wù)的復(fù)雜度還不夠高，進(jìn)行群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，必將對機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展帶來劃時(shí)代的變革。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀機(jī)器人是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一。從某種意義上講，一個(gè)國家機(jī)器人技術(shù)水平的高低反映了這個(gè)國家綜合技術(shù)實(shí)力的高低。目前，國內(nèi)關(guān)于群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究剛剛起步，而國外的研究則比較活躍。與結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜的單個(gè)機(jī)器人相比，群體機(jī)器人系統(tǒng)在魯棒性、可擴(kuò)展性和靈活性方面都占有很大優(yōu)勢，因此具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究已在理論和實(shí)踐方面取得很大的進(jìn)展，并建立了群體機(jī)器人仿真系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。下面請看幾個(gè)已研究的群體機(jī)器人的例子······

日本名古屋大學(xué)的T.Fukuda教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的啟發(fā)下研究的CEBOT（CellularRobotSystem）系統(tǒng)就是一個(gè)典型的示例。CEBOT系統(tǒng)將系統(tǒng)中相同或不同功能的機(jī)器人視為細(xì)胞元，這些細(xì)胞元機(jī)器人可以移動(dòng)、尋找和組合。根據(jù)任務(wù)或環(huán)境的變化，這些細(xì)胞元機(jī)器人可以自行組織成為器官化、功能化的機(jī)器人，多個(gè)功能器官化機(jī)器人可以進(jìn)一步自行組織成為功能更加復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)。細(xì)胞結(jié)構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是單元體如何根據(jù)任務(wù)和環(huán)境的要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)，因此，該系統(tǒng)具有多變的構(gòu)型，可以具有學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的群智能，并具有分布式的體系結(jié)構(gòu)。國外>>國外>>比利時(shí)布魯塞爾大學(xué)開發(fā)了一組名為“Swarm-bot”的機(jī)器人系統(tǒng)，它由數(shù)個(gè)小型的Swarm-bot通過夾子相互連接起來，通過相互合作來完成個(gè)體無法完成的任務(wù)。右圖展示了Swarm—bots作探測復(fù)雜環(huán)境的情況。很明顯，單個(gè)機(jī)器人無法進(jìn)入洞穴中去進(jìn)行探測，但是通過一群機(jī)器人相互連接在一起，就使它們具有了探索這個(gè)洞穴的能力。英國科學(xué)家對螞蟻、蜜蜂等群居昆蟲雖然個(gè)體微不足道，但是集合群體的力量卻能創(chuàng)造自然界奇跡的現(xiàn)象進(jìn)行研究，研制出一種新型“集群機(jī)器人”。雖然看起來不起眼，行動(dòng)也貌似雜亂無章，但它們裝備有數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，還有一個(gè)微型電腦，因此每一個(gè)個(gè)體都是可以獨(dú)立行動(dòng)，并且還能夠像昆蟲群體一樣交流合作。其研制背景就是由于機(jī)器人經(jīng)常被派至惡劣的條件下執(zhí)行任務(wù)，易發(fā)生損壞導(dǎo)致無法完成既定任務(wù)。如果用一群小型機(jī)器人來取代一個(gè)昂貴的大型機(jī)器人去完成任務(wù)，即使其中的若干失效，也不會(huì)影響整個(gè)任務(wù)的達(dá)成。國外>>跳舞機(jī)器人由中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院以及中科院香港中文大學(xué)深圳先進(jìn)集成技術(shù)研究所合作完成，機(jī)器人內(nèi)置有聽筒，可以接受外部的音樂信號(hào)，將節(jié)拍特征轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，從而控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各種動(dòng)作。國內(nèi)>>

中科院沈陽自動(dòng)化研究所承擔(dān)的863課題，“可重構(gòu)星球探測機(jī)器人”。國內(nèi)>>

除了上述的一些例子外。目前，群體機(jī)器人已經(jīng)在一些人類難以到達(dá)的區(qū)域得到應(yīng)用。例如礦難事故中的人員搜救；消防上用于代替消防人員滅火和營救受困人員和地震救援等。搜救任務(wù)是群體機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用比較多的一個(gè)領(lǐng)域，美國加州大學(xué)的機(jī)器人輔助搜救系統(tǒng)曾經(jīng)參與了災(zāi)難搜救工作，其中仍然需要工程師的干預(yù)和操作，沒有實(shí)現(xiàn)完全自主。軍事上波音公司研發(fā)的第一個(gè)運(yùn)用群體仿生學(xué)技術(shù)的無人駕駛軍用試驗(yàn)飛機(jī)。隨著全世界科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，群體機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用逐漸推廣到工業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。群體機(jī)器人的出現(xiàn)，使得人類在沒有任何危險(xiǎn)的狀況下，順利的完成以前艱苦或者危險(xiǎn)領(lǐng)域的作業(yè)。

總體而言，群體機(jī)器人在諸多領(lǐng)域的研究取得了一定的進(jìn)展，盡管目前還不是很成熟，但其發(fā)展和應(yīng)用前景很廣，其發(fā)展方向有如下幾點(diǎn)：

(1)機(jī)器人個(gè)體之間相互通信技術(shù)；

(2)機(jī)器人個(gè)體之間表達(dá)、描述問題，分解和分配任務(wù)；

(3)機(jī)器人在行動(dòng)中的行為協(xié)調(diào)一致技術(shù)；

(4)機(jī)器人彼此之間識(shí)別和沖突解決技術(shù)。目前群體機(jī)器人的研究主要集中在群體機(jī)器人的編隊(duì)控制、聚集隊(duì)形控制、任務(wù)分配、搜索等方面的研究，但是對群體機(jī)器人的圍捕行為的研究還相對較少，群體機(jī)器人圍捕系統(tǒng)又是一種比較典型的群體協(xié)作系統(tǒng)，它的研究對群體機(jī)器人協(xié)作技術(shù)的發(fā)展有著普遍的推動(dòng)意義。研究目標(biāo)根據(jù)群體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，用粒子群算法建立群體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，利用仿真軟件MATLAB對群體機(jī)器人的圍捕行為進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并設(shè)計(jì)群體機(jī)器人的實(shí)體實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)群體機(jī)器人的圍捕功能。研究內(nèi)容（1）建立群體機(jī)器人圍捕的數(shù)學(xué)模型分析群體機(jī)器人的圍捕問題，選擇環(huán)境建模和規(guī)劃方法，分析粒子群算法，在粒子群算法的基礎(chǔ)上，根據(jù)群體機(jī)器人特點(diǎn)，建立群體機(jī)器人圍捕的數(shù)學(xué)模型。（2）利用粒子群算法實(shí)現(xiàn)群體機(jī)器人的系統(tǒng)協(xié)作與控制。（3）設(shè)計(jì)并編程實(shí)現(xiàn)群體機(jī)器人圍捕的算法，在仿真軟件中驗(yàn)證算法的可行性和有效性，實(shí)現(xiàn)群體機(jī)器人的圍捕功能。（4）進(jìn)行群體機(jī)器人系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)，建立一套群體機(jī)器人系統(tǒng)，進(jìn)行群體機(jī)器人圍捕的實(shí)驗(yàn)，解決試驗(yàn)中可能遇到的群體機(jī)器人的協(xié)作與通信沖突等問題。擬解決的關(guān)鍵性問題（1）群體機(jī)器人對外界環(huán)境信息的精確采集以及對信息的模糊處理。（2）群體機(jī)器人相互之間的通信技術(shù)以實(shí)現(xiàn)信息資源的共享。（3）群機(jī)器人系統(tǒng)沖突問題。擬采取的研究方法以群體智能、仿生學(xué)、現(xiàn)代控制理論、電工電子為理論基礎(chǔ)進(jìn)行理論分析、系統(tǒng)開發(fā)、仿真設(shè)計(jì)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)、調(diào)試相結(jié)合的研究方法。技術(shù)路線（1）理論分析：群體機(jī)器人的圍捕是多學(xué)科的交叉領(lǐng)域，要求對各門知識(shí)都有一定的掌握如：機(jī)器人學(xué)、仿生學(xué)、現(xiàn)代控制理論、單片機(jī)、群體智能等，通過理論知識(shí)和群體機(jī)器人的特點(diǎn)，建立群體機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型。（2）系統(tǒng)開發(fā)：以仿真軟件matlab來實(shí)現(xiàn)群體機(jī)器人圍捕的仿真實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析證明圍捕算法的可形性。（3）實(shí)體試驗(yàn)：通過建立一套群體機(jī)器人并開發(fā)一套群體機(jī)器人系統(tǒng)，進(jìn)行多次試驗(yàn)調(diào)試，來驗(yàn)證圍捕策略的可行性。技術(shù)流程圖實(shí)驗(yàn)方案（1）用三維軟件proe建立群體機(jī)器人的三維模型，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。（2）以matlab為仿真軟件對群體機(jī)器人的圍捕策略進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，查看圍捕策略的效果。（3）設(shè)計(jì)群體機(jī)器人的控制電路圖。（4）完成群體機(jī)器人實(shí)體的制作，編寫控制程序，運(yùn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)群體機(jī)器人的圍捕功能。可行性分析（1）目前國內(nèi)外對群體機(jī)器人的研究已經(jīng)很多，但是大部分是關(guān)于群體機(jī)器人的路徑規(guī)劃與編隊(duì)，對群體機(jī)器人圍捕行為的研究還相對較少，而且國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)多機(jī)器人圍捕策略的實(shí)驗(yàn)與研究，這對對群體機(jī)器人的圍捕策略有一定的借鑒作用。（2）當(dāng)代群體機(jī)器人通訊技術(shù)的發(fā)展和群體機(jī)器人協(xié)作與控制行為的研究為本課題的研究提供了理論基礎(chǔ)。（3）大量閱讀了群體機(jī)器人協(xié)作和群體機(jī)器人系統(tǒng)沖突的解決等方面的期刊、書籍，并收集了很多相關(guān)資料，為該群體機(jī)器人的圍捕策略及仿真的研究指明了方向。（4）對本課題涉及到的一些知識(shí)和軟件進(jìn)行了充分的學(xué)習(xí)，另外自己在運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、控制理論學(xué)科方面也有一定的經(jīng)驗(yàn)積累，為進(jìn)一步研究提供了基礎(chǔ)保障。（5）有機(jī)電工程學(xué)院強(qiáng)有力的師資力量和硬設(shè)備做保證，相信在老師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助下可以達(dá)到預(yù)期的目的。課題創(chuàng)新性（1）用粒子群算法建立群體機(jī)器人圍捕系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化群體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑。（2）利用模糊控制改進(jìn)群體機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)，增加群體機(jī)器人接收信息的精確度。計(jì)劃進(jìn)度和預(yù)