多移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的混合式方法

多移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的混合式方法

20世紀(jì)50年代，從最初的編程和顯示恢復(fù)機(jī)器人到今天的機(jī)器人，它們都具有一定的傳感器功能，包括視覺、力覺、觸覺等功能。這些功能包括特定的適應(yīng)性機(jī)器人，以便將機(jī)器人發(fā)展到智能機(jī)器人。因此，機(jī)器人的自學(xué)能力、自主性和其他技能已成為未來機(jī)器人發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,對(duì)機(jī)器人的要求不再局限于單個(gè)機(jī)器人,而是向著多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)發(fā)展,其中的路徑規(guī)劃是首要解決的問題。機(jī)器人路徑規(guī)劃問題可定義為:給定機(jī)器人的出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn),在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)障礙的環(huán)境中,規(guī)劃出一條無碰撞的、滿足某種最優(yōu)準(zhǔn)則的路徑,使機(jī)器人按照該路徑運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)。最優(yōu)準(zhǔn)則可以是所消耗的能量最少、使用的時(shí)間最短、路徑長(zhǎng)度最短等1中央規(guī)劃法和分布式規(guī)劃法1.1機(jī)器人系統(tǒng)的列規(guī)劃此法是將整個(gè)環(huán)境中的多個(gè)機(jī)器人(包括機(jī)器臂和移動(dòng)機(jī)器人)作為一個(gè)具有多自由度的復(fù)雜機(jī)器人,通過系統(tǒng)中的一個(gè)路徑規(guī)劃器來完成一系列規(guī)劃(1)整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)劃是一種全局性規(guī)劃,在處理一項(xiàng)任務(wù)時(shí),比較容易求得相應(yīng)問題中路徑規(guī)劃的最優(yōu)解,各個(gè)被控對(duì)象的協(xié)調(diào)性可以得到很好的實(shí)現(xiàn)。(2)整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)機(jī)器人的狀態(tài)信息可以得到準(zhǔn)確全面的把握。(3)由于系統(tǒng)中的機(jī)器人都要和系統(tǒng)唯一的路徑規(guī)劃器進(jìn)行通訊,并且要由唯一的路徑規(guī)劃起來完成規(guī)劃,這帶來的直接后果就是規(guī)劃器將花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。1.2路徑軌跡對(duì)比該方法與集中式規(guī)劃法的思路完全不同,它是將整個(gè)系統(tǒng)中的多個(gè)機(jī)器人當(dāng)作一個(gè)個(gè)獨(dú)立的單元,并且將集中式規(guī)劃法中唯一的路徑規(guī)劃器所擁有的功能嵌入到各個(gè)獨(dú)立的單元中,從而使各個(gè)獨(dú)立的機(jī)器人可以根據(jù)自身系統(tǒng)所采集的現(xiàn)場(chǎng)信息來獨(dú)立的判定它的路徑軌跡(1)系統(tǒng)中的各個(gè)機(jī)器人獲得了比較大的自由,應(yīng)付隨機(jī)事件的能力得到很大提高,自適應(yīng)性得到增強(qiáng)。(2)由于路徑規(guī)劃任務(wù)的下放,使得單個(gè)機(jī)器人對(duì)任務(wù)的響應(yīng)速度得以提高,反應(yīng)更靈敏,實(shí)時(shí)性更好。(3)這種規(guī)劃法是針對(duì)于單個(gè)機(jī)器人自身的路徑進(jìn)行的規(guī)劃,完全不考慮系統(tǒng)中其他機(jī)器人路徑規(guī)劃的因素。屬于局部規(guī)劃法,相比集中式規(guī)劃法就很難保證系統(tǒng)任務(wù)的最優(yōu)解決。如果要尋求最優(yōu)解,那么這種方法對(duì)任務(wù)響應(yīng)的快速性就無法保證。(4)由于是以自身為中心,那么現(xiàn)場(chǎng)中的機(jī)器人對(duì)于自身在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的具體位置的詳細(xì)信息就很難把握,又必將影響它的路徑規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)。2采用分布式規(guī)劃法和分布式規(guī)劃法的混合規(guī)劃法2.1宏觀路徑規(guī)劃器的動(dòng)態(tài)框架混合式規(guī)劃法是基于集中式規(guī)劃法和分布式規(guī)劃法各自的特點(diǎn)提出的一種多移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。其主要思想和方法是:在全局性規(guī)劃中采用集中式規(guī)劃法,對(duì)系統(tǒng)中的所有機(jī)器人進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃,根據(jù)系統(tǒng)自身的任務(wù)要求或者來自上層的任務(wù)分配從而求得最優(yōu)規(guī)劃。但是在宏觀分配以后的具體執(zhí)行階段,就是要由系統(tǒng)中相對(duì)獨(dú)立的機(jī)器人自我完成任務(wù),在滿足宏觀任務(wù)分配的前提下,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的隨機(jī)因素獨(dú)立完成從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。系統(tǒng)中唯一的宏觀路徑規(guī)劃器依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)中各個(gè)機(jī)器人反饋回來的詳細(xì)的自身信息(包括它的具體位置,工作態(tài)等)來統(tǒng)籌調(diào)度。針對(duì)相應(yīng)的任務(wù),依據(jù)就近原則,可用性原則等來安排各個(gè)機(jī)器人的目標(biāo)點(diǎn),也就是各自的任務(wù),但不對(duì)其進(jìn)行具體的路徑規(guī)劃,并且對(duì)已分配任務(wù)的機(jī)器人加以標(biāo)示,依此我們可以求得相應(yīng)任務(wù)的路徑規(guī)劃最優(yōu)解。整個(gè)過程中現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)機(jī)器人的信息反饋和宏觀路徑規(guī)劃器的路徑規(guī)劃都是一種動(dòng)態(tài)的,其框架示意圖如圖1所示。圖1中的移動(dòng)機(jī)器人也可以根據(jù)各自擁有功能的不同劃分為不同的類,然后將宏觀路徑規(guī)劃器的一部分任務(wù)下放到各個(gè)類中的子宏觀路徑規(guī)劃器,這主要是針對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)中的機(jī)器人數(shù)目較多的情況。2.2宏觀路徑規(guī)劃器控制流程剛開始現(xiàn)場(chǎng)中的所有機(jī)器人通過自身攜帶的傳感監(jiān)測(cè)裝置采集信息反饋給系統(tǒng)中唯一的宏觀路徑規(guī)劃器,宏觀路徑規(guī)劃器將得到的信息存儲(chǔ)到特設(shè)的數(shù)據(jù)庫中,這個(gè)數(shù)據(jù)庫中只是存儲(chǔ)此時(shí)此刻處于閑置狀態(tài)的機(jī)器人的信息,每一次都只在這個(gè)數(shù)據(jù)庫中搜索對(duì)象。系統(tǒng)剛開始運(yùn)行時(shí),所有機(jī)器人都是一種閑置狀態(tài),但伴隨著流程的進(jìn)行,這個(gè)數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)量將很快減少,它是一種動(dòng)態(tài)的,完成任務(wù)的機(jī)器人的信息重新載入,而被分配任務(wù)的機(jī)器人的信息則被刪除。宏觀路徑規(guī)劃器此時(shí)的任務(wù)就是根據(jù)相應(yīng)的任務(wù)從這些數(shù)據(jù)中搜尋符合最優(yōu)準(zhǔn)則的機(jī)器人,滿足最優(yōu)準(zhǔn)則的機(jī)器人將被列為分配對(duì)象,然后從庫中調(diào)出各自的信息,進(jìn)行各自的宏觀路徑規(guī)劃,下達(dá)任務(wù)指令給選定的機(jī)器人,告訴相應(yīng)的目的地,并對(duì)此次分配到任務(wù)的機(jī)器人加以標(biāo)示。加以標(biāo)示的目的就是決定該機(jī)器人是否再向系統(tǒng)中唯一的路徑規(guī)劃器發(fā)送自身的信息,無標(biāo)示則發(fā)送信息給宏觀路徑規(guī)劃器,反之則不發(fā)送消息。到此為止,流程的一個(gè)周期完成,如此循環(huán),完成系統(tǒng)接受到的各個(gè)任務(wù),流程圖如圖2所示。此后,接收到指令的機(jī)器人暫時(shí)脫離宏觀路徑規(guī)劃器的約束,獨(dú)立完成相應(yīng)任務(wù)的路徑規(guī)劃。它將接受到的任務(wù)當(dāng)作此后一系列動(dòng)作的約束條件,通過自身裝備的一系列現(xiàn)場(chǎng)信息采集設(shè)備獲取現(xiàn)場(chǎng)信息,這些信息不再傳輸給系統(tǒng)宏觀路徑規(guī)劃器,而是傳輸給自身攜帶的子路徑規(guī)劃器,子路徑規(guī)劃器根據(jù)獲得的信息并依據(jù)相應(yīng)的算法從而控制機(jī)器人自主完成避障并到達(dá)目標(biāo)點(diǎn),如圖3所示。在執(zhí)行任務(wù)期間,接收到的任務(wù)的機(jī)器人由于有任務(wù)在身,所以就不可以再接受其他任務(wù)指令,只有等到完成此次任務(wù)之后才可以再次接受任務(wù)。其中有一個(gè)三次握手圖中:S為發(fā)送信息;F為反饋信息,表示接受到發(fā)送方的信息;C為確認(rèn)信息,表示接受到反饋的信息;首先,完成任務(wù)的機(jī)器人向宏觀路徑規(guī)劃器發(fā)送(S)信息,表示任務(wù)已經(jīng)完成,然后等待宏觀路徑規(guī)劃器發(fā)送反饋(F)信息,接受不到反饋信息則重新發(fā)送信息直到接收到宏觀路徑規(guī)劃器的反饋信息。接收到反饋信息后,完成任務(wù)的機(jī)器人再次向宏觀路徑規(guī)劃器發(fā)送確認(rèn)(C)信息,表示已經(jīng)接受到反饋信息,到此一個(gè)信息傳輸?shù)倪^程就完成了。其間的下一個(gè)環(huán)節(jié)必須建立在上一個(gè)環(huán)節(jié)滿足的基礎(chǔ)之上,否則就重復(fù)上一過程,直到該條件滿足。此方式是一個(gè)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu),中間任意環(huán)節(jié)的丟失,都將引起整個(gè)過程的終端,從而保證信息的可靠性。2.3任務(wù)的機(jī)器人所說明的誤差取U為整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)器人集;A為處于空閑狀態(tài)的機(jī)器人集;B為滿足最優(yōu)準(zhǔn)則的機(jī)器人集;C為既滿足空閑狀態(tài)又滿足最優(yōu)準(zhǔn)則的機(jī)器人集。如圖5所示。以前的系統(tǒng)是在集合U中搜取集合C,但是通過對(duì)那些執(zhí)行任務(wù)的機(jī)器人加以標(biāo)示,從而使搜尋范圍縮小到了集合A,在集合A中尋找同時(shí)滿足集合B的集合C。集合A是集合U的子集,其帶來的直接后果就是整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度大大加快,實(shí)時(shí)性得到增強(qiáng)。通過融合得到的混合式規(guī)劃法具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)總體規(guī)劃和局部規(guī)劃相結(jié)合,擁有集中式規(guī)劃法可以求得問題最優(yōu)解的特性,又具有分布式規(guī)劃法規(guī)法速度快,自主性好的特點(diǎn);(2)整個(gè)系統(tǒng)建立起來比較容易,只需要在整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中設(shè)立若干坐標(biāo)已知的關(guān)鍵點(diǎn)(主要是一些現(xiàn)場(chǎng)中固定的點(diǎn)),現(xiàn)場(chǎng)中的各個(gè)機(jī)器人可以根據(jù)自身相對(duì)于這些關(guān)鍵點(diǎn)的位置快速確定自身位置,因此環(huán)境模型建立起來比較容易。3混合式路徑規(guī)劃法目前,在多移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃領(lǐng)域研究頗多的就是如何避障以及機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)性,但是在作為規(guī)劃架構(gòu)建立的問題上沒有做太多的研究?；旌鲜铰窂揭?guī)劃法擯棄了以前單一的路徑規(guī)劃法,將集中式規(guī)劃法和分布式