移動(dòng)機(jī)器人原理與技術(shù) 課件 第九章 移動(dòng)機(jī)器人的通信系統(tǒng)

移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)原理與應(yīng)用第九章

移動(dòng)機(jī)器人的通信系統(tǒng)多機(jī)器人系統(tǒng)多任務(wù)及優(yōu)化分配方法移動(dòng)多機(jī)器人編隊(duì)與路徑規(guī)劃方法9.1多機(jī)器人系統(tǒng)簡(jiǎn)介9.29.3多移動(dòng)機(jī)器人圍捕9.49.1多機(jī)器人系統(tǒng)簡(jiǎn)介由多個(gè)機(jī)器人組成并可以通過(guò)彼此信息交互，能夠利用專(zhuān)門(mén)算法協(xié)作完成特定工作的系統(tǒng)，一般稱(chēng)為多機(jī)器人系統(tǒng)(Multi-RobotSystems,MRS)。多機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)器人在硬件組成和智能算法設(shè)計(jì)的投入上大多劣于設(shè)計(jì)為獨(dú)立完成工作的機(jī)器人，但設(shè)計(jì)多機(jī)器人系統(tǒng)的初衷卻是為了完成個(gè)體機(jī)器人不能夠完成的工作，希望利用量與協(xié)作的優(yōu)勢(shì)在具體任務(wù)中接替?zhèn)€體機(jī)器人工作。9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)按照多機(jī)器人系統(tǒng)是否具有移動(dòng)能力可主要分為固定式多機(jī)器人系統(tǒng)（多機(jī)械臂）、可移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)和混合多機(jī)器人系統(tǒng)；同樣按照機(jī)器人的對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)空間，可以按照三維和二維空間運(yùn)動(dòng)進(jìn)行直觀分類(lèi)。1.按移動(dòng)能力分類(lèi)(1)固定式多機(jī)器人系統(tǒng)固定式多機(jī)器人系統(tǒng)，近年來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)車(chē)間大量的出現(xiàn)，其中雙臂機(jī)器人常常用于模擬人類(lèi)，完成協(xié)同搬運(yùn)、傳遞、甚至是手術(shù)等工作。固定式多機(jī)器人系統(tǒng)大多共存在9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)一個(gè)較小的空間范圍，利用多個(gè)機(jī)械臂前端相同或不同的操作機(jī)構(gòu)完成任務(wù)，其中已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用的如點(diǎn)焊多機(jī)器人系統(tǒng)。在汽車(chē)的生產(chǎn)流水線中，有非常多的環(huán)節(jié)需要多機(jī)械臂協(xié)作完成，其中點(diǎn)焊工藝環(huán)節(jié)，存在4000-5000個(gè)焊點(diǎn)，因此，車(chē)身焊接質(zhì)量的優(yōu)劣以及焊接效率的高低對(duì)整車(chē)的制造起著決定性的作用。所以，點(diǎn)焊生產(chǎn)流程是以一種典型的多機(jī)械臂的協(xié)作需求環(huán)境，多機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要綜合考慮焊點(diǎn)分配、焊接路徑、機(jī)器人可達(dá)性及避免碰撞等因9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)素，對(duì)白車(chē)身側(cè)圍點(diǎn)焊多機(jī)器人協(xié)調(diào)焊接進(jìn)行路徑規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)多機(jī)人焊點(diǎn)任務(wù)均勻分配和單機(jī)器人焊接路徑最優(yōu)的焊接要求，提高生產(chǎn)效率。點(diǎn)焊多機(jī)器人系統(tǒng)9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)類(lèi)似人類(lèi)雙臂通過(guò)協(xié)同操作將單臂不能完成的工作完成，這也是多機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的多機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景。雙臂協(xié)同機(jī)械臂操作示意的生產(chǎn)過(guò)程，描述了較為常見(jiàn)的多固定式機(jī)器人協(xié)同協(xié)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的存在除能夠完成單臂無(wú)法完成的搬運(yùn)工作外，還能完成對(duì)目標(biāo)物體位姿的調(diào)整，特別是存在不穩(wěn)定外部環(huán)境時(shí)，多機(jī)械臂系統(tǒng)的協(xié)同可以保障搬運(yùn)工作局部的穩(wěn)定，這類(lèi)系統(tǒng)在空、天環(huán)境經(jīng)常被應(yīng)用于保持物體的姿態(tài)，提供下一步裝配、修理的基礎(chǔ)。9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)雙臂協(xié)同機(jī)械臂操作示意圖9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)雙IIWAR800機(jī)械臂協(xié)同搬運(yùn)應(yīng)用右圖是一款輕型多機(jī)械裝配機(jī)器人，其被使用在了國(guó)際空間站的ROKVISS任務(wù)實(shí)驗(yàn)中，借助兩個(gè)庫(kù)卡7自由度帶有關(guān)節(jié)扭矩傳感器的IIWAR800機(jī)械臂的協(xié)同操作，完成在空間站中的物體裝配。協(xié)同搬運(yùn)多機(jī)械臂系統(tǒng)對(duì)于動(dòng)態(tài)操作環(huán)境，具有良好的可靠性保障。9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)上圖中的雙臂機(jī)器人系統(tǒng)，展示了裝配過(guò)程中對(duì)于多機(jī)器人系統(tǒng)的需求。裝配過(guò)程本身就是一個(gè)需要多方協(xié)調(diào)，并將目標(biāo)物確定在一定范圍內(nèi)，裝配器件與被裝配器件保持相對(duì)靜態(tài)的過(guò)程。所以，多機(jī)械臂系統(tǒng)在裝配工業(yè)環(huán)境中有較多的應(yīng)用，在汽車(chē)整裝車(chē)間、水下無(wú)人管道維修以及太空維修作業(yè)等替代了大量的人工工作。其最大的特征在于通過(guò)多個(gè)機(jī)械臂之間的協(xié)調(diào)，保證裝配工作空間的相對(duì)穩(wěn)定。9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)(2)移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)一般由幾個(gè)至幾十個(gè)移動(dòng)機(jī)器人組成，其可以是由異構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人組成，但基本特征在于系統(tǒng)中機(jī)器人均可按照指令合作完成對(duì)象任務(wù)，系統(tǒng)中各個(gè)機(jī)器人的基本信息，如：位置、速度、方向、目標(biāo)、能量等能夠進(jìn)行交互，且整體系統(tǒng)的控制方案均以多機(jī)器人交互信息作為決策參考依據(jù)。移動(dòng)式多機(jī)器人按照其行動(dòng)決策發(fā)出方式又可分為集中式、分布式和混合式。9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)1)集中式控制移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)在早期的多機(jī)器人控制方式設(shè)計(jì)時(shí)，采用集中式控制，各個(gè)機(jī)器人將自身當(dāng)前狀態(tài)按照固定通信協(xié)議模式上傳至中央處理服務(wù)器。圖中所示為集中式控制方式的機(jī)器人系統(tǒng)，雖然系統(tǒng)各個(gè)機(jī)器人也存在通信的可能，但是下一時(shí)刻任務(wù)命令的決策來(lái)源于中央處理服務(wù)對(duì)各機(jī)器人狀態(tài)的評(píng)估，很明顯，當(dāng)機(jī)器人數(shù)量、狀態(tài)或是執(zhí)行任務(wù)類(lèi)型的增多，對(duì)中央服務(wù)器的計(jì)算能力效率提出較高的要求，更加重要的是采用集9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)中式控制方式，需要機(jī)器人與中央服務(wù)器之間具有良好的通信保證，這就制約了這種控制方式的應(yīng)用場(chǎng)景。集中式控制方式9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)2)分布式控制移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)分布式多機(jī)器人系統(tǒng)能充分利用機(jī)器人的數(shù)據(jù)處理資源，分擔(dān)中央處理機(jī)的壓力，在靈活性、容錯(cuò)性方面具有很大優(yōu)勢(shì)，分布式控制最大的優(yōu)勢(shì)在于，系統(tǒng)每個(gè)機(jī)器人作為一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體感知環(huán)境，機(jī)器人采用的自身搭載的控制策略，結(jié)合區(qū)域內(nèi)有信息交互的機(jī)器人狀態(tài)和調(diào)整自身狀態(tài)，在自身搭載的MCU中完成自己路徑規(guī)劃、沖突消解、避障等動(dòng)態(tài)行為，從而降低計(jì)算系統(tǒng)的復(fù)雜度，較集中式控制方式能夠在現(xiàn)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性具有優(yōu)勢(shì)。9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)每個(gè)移動(dòng)機(jī)器人均可以按照自身搭載的控制方法完成任務(wù)，也可以根據(jù)所系統(tǒng)內(nèi)不同機(jī)器人的狀態(tài)、任務(wù)等完成沖突消解、協(xié)同SLAM等任務(wù)。異構(gòu)分布式移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)3)混合式多機(jī)器人系統(tǒng)可以結(jié)合移動(dòng)平臺(tái)的靈活性和固定平臺(tái)穩(wěn)定性，組成具有混合結(jié)構(gòu)的多機(jī)器人系統(tǒng)，其所能完成的任務(wù)、效率以及穩(wěn)定性將大大的超過(guò)了固定式或移動(dòng)式機(jī)器人的能力范圍，但控制過(guò)程更加復(fù)雜。圖中描述了一個(gè)分布式的移動(dòng)多平臺(tái)機(jī)械臂協(xié)作系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)中將一個(gè)不能夠被單一機(jī)器人搬運(yùn)的物體，采用多機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)作進(jìn)行搬運(yùn)完成，該過(guò)程包含了協(xié)同操作，目標(biāo)跟蹤，區(qū)域覆蓋等技術(shù)環(huán)節(jié)。9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)3)混合式多機(jī)器人系統(tǒng)混合式多機(jī)器人平臺(tái)示意圖9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)2.根據(jù)多機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間分類(lèi)(1)以三維控制為主的多機(jī)器人系統(tǒng)多四旋翼組成燈光展示9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)(1)以三維控制為主的多機(jī)器人系統(tǒng)單一的四旋翼控制可以依靠人類(lèi)完成，但是多機(jī)器人、群體機(jī)器人系統(tǒng)一定是需要按照事先設(shè)定好的程序完成。完成的主要功能是讓不同集合的四旋翼懸停在指定高度，利用不同高度的機(jī)器人形成二維或三維空間，簡(jiǎn)單講就是利用四旋翼能夠懸停的特征在空中構(gòu)建出一個(gè)類(lèi)似LED點(diǎn)陣的框架，然后通過(guò)調(diào)節(jié)四旋翼上的燈光形成不同的圖樣。9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)(1)以三維控制為主的多機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)于群集四旋翼系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)目的重點(diǎn)并不在于機(jī)器人之間的合作，或者說(shuō)各個(gè)四旋翼之間并不會(huì)因?yàn)楸舜宋恢藐P(guān)系的變化而受影響或影響其它個(gè)體的行為。按照協(xié)同規(guī)則將多機(jī)器人作為一個(gè)整體進(jìn)行控制并完成任務(wù)，才是多機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為關(guān)心的。但是，對(duì)于空中機(jī)器人其首要解決的是自身穩(wěn)定問(wèn)題，特別是其運(yùn)動(dòng)過(guò)程需要持續(xù)的動(dòng)力支持，這對(duì)控制系統(tǒng)提出較高的要求。9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)(1)以三維控制為主的多機(jī)器人系統(tǒng)以三維空間作為應(yīng)用空間的多機(jī)器人系統(tǒng)，還有目標(biāo)為水下的應(yīng)用環(huán)境，與空中環(huán)境不同在于，水下環(huán)境能夠提供機(jī)器人一個(gè)無(wú)動(dòng)力條件下較穩(wěn)定的靜止?fàn)顟B(tài)，因此，根據(jù)不同任務(wù)在不同的水下器具上增加智能設(shè)備，使其能夠自主跟隨或按照需求進(jìn)行編隊(duì)、局部通信、組網(wǎng)等方式形成多水下機(jī)器人系統(tǒng)，相對(duì)單個(gè)水下機(jī)器人，多機(jī)器人系統(tǒng)能夠在特定的任務(wù)中展現(xiàn)出極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，整體工作范圍得到了擴(kuò)大，整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性得到了提升。9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)(2)二維空間特征的多機(jī)器人系統(tǒng)二維空間特征的一般將在平面運(yùn)動(dòng)的多機(jī)器人系統(tǒng)認(rèn)為是二維特征的多機(jī)器人系統(tǒng)，這其中主要包括了：輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人、仿生動(dòng)物足類(lèi)機(jī)器人等。這些機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)空間是相似的，但是其結(jié)構(gòu)差別較大。結(jié)構(gòu)差別主要取決于該機(jī)器人使用的地形環(huán)境，如輪式機(jī)器人，常用于鋪裝或較為平坦的道路，承載較低的物品常用于倉(cāng)儲(chǔ)、物流的分類(lèi)、園區(qū)的巡邏、變電站的無(wú)人值守與監(jiān)測(cè)等；履帶式機(jī)器人，常見(jiàn)用于草地、沙地等輪式結(jié)構(gòu)容易9.1.1多機(jī)器人系統(tǒng)分類(lèi)被阻礙的場(chǎng)地，履帶式結(jié)構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人承載能力較輪式機(jī)器人大，能耗也大，常見(jiàn)的有拆彈、武器搭載、工程機(jī)械搭載等場(chǎng)景；仿生動(dòng)物足類(lèi)機(jī)器人，根據(jù)其仿生對(duì)象的不同足類(lèi)數(shù)目也不盡相同，近年常見(jiàn)的有Bostonpower的雙足類(lèi)人、四足機(jī)器狗、六組螞蟻、八足蜘蛛等等，其主要優(yōu)越性表現(xiàn)在不規(guī)則地形的運(yùn)動(dòng)，以及更加類(lèi)似智能生物的外形結(jié)構(gòu)，并且一部分類(lèi)型機(jī)器人如機(jī)器狗，已經(jīng)在美軍的阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中使用，用于武器搬運(yùn)、戰(zhàn)地守護(hù)以及通信中繼、組網(wǎng)等。9.1.2多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分類(lèi)根據(jù)執(zhí)行任務(wù)內(nèi)容的不同，多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分為：多機(jī)器人裝配、多機(jī)器人焊接、多機(jī)器人編隊(duì)、多機(jī)器人圍捕、多機(jī)器人協(xié)同SLAM、多機(jī)器人協(xié)同避障等。1.按照是否存在空間任務(wù)沖突分類(lèi)(1)無(wú)空間沖突任務(wù)以多機(jī)器人系統(tǒng)的裝配任務(wù)為例，大致分為兩種，一是并行關(guān)系，系統(tǒng)中每個(gè)機(jī)器人只關(guān)心自己負(fù)責(zé)的工作內(nèi)容，兩兩機(jī)器人之間的工作沒(méi)有前后時(shí)序關(guān)系，不需要機(jī)器人之間的直接配合，這種工作方式又常常稱(chēng)為并聯(lián)機(jī)器人。9.1.2多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分類(lèi)

Delta并聯(lián)機(jī)器人操作示意圖9.1.2多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分類(lèi)二是需要協(xié)同作業(yè)，這種協(xié)同內(nèi)容又可以分為空間共享協(xié)同和工作內(nèi)容協(xié)同。工作內(nèi)容協(xié)同，以組裝過(guò)程為例，主要是需要兩個(gè)或兩個(gè)以上的機(jī)械臂，對(duì)裝配本體和裝配零件提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的作業(yè)狀態(tài)，相對(duì)于并行多機(jī)器人系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于，一個(gè)被裝配本體能夠在一個(gè)穩(wěn)定的空間內(nèi)被多次旋轉(zhuǎn)、平移，配合另一個(gè)機(jī)械臂操作完成一輪裝配任務(wù)，這種方式可以有效減少被裝配本體的移動(dòng)。9.1.2多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分類(lèi)陜汽集團(tuán)車(chē)廂焊接車(chē)間多機(jī)器人操作9.1.2多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分類(lèi)(2)存在空間沖突的多機(jī)器人任務(wù)多機(jī)器人焊接工作是一個(gè)非常有特點(diǎn)的存在操作空間沖突的任務(wù)，下圖所示動(dòng)態(tài)調(diào)整操作序列的多機(jī)器人無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，是針對(duì)車(chē)體焊接問(wèn)題進(jìn)行多機(jī)械臂協(xié)同控制的范例。說(shuō)明了多機(jī)器人在共享工作空間內(nèi)協(xié)調(diào)工作，能有效地提高生產(chǎn)效率和減少空間資源占據(jù)，但同樣存在多機(jī)器人互斥工作區(qū)域沖突的問(wèn)題。所以多機(jī)器人局部空間共享與工作區(qū)、工作端軌跡互斥是該類(lèi)多機(jī)器人任務(wù)的基本特征。9.1.2多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分類(lèi)多機(jī)器人共享空間任務(wù)特征示意圖9.1.2多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分類(lèi)2.按照多機(jī)器人系統(tǒng)中的任務(wù)分配需求分類(lèi)(1)靜態(tài)任務(wù)分配靜態(tài)任務(wù)主要出現(xiàn)在：系統(tǒng)第一次上線情況，及在任務(wù)分配初始時(shí)刻所有工位均處于未分配狀態(tài)，機(jī)器人處于空閑狀態(tài)；或是車(chē)間中某臺(tái)機(jī)器進(jìn)行檢修，首次加入到車(chē)間生產(chǎn)系統(tǒng)中時(shí)，該并條機(jī)整機(jī)工位均處于未分配狀態(tài)。則任務(wù)分配決策過(guò)程中，每個(gè)機(jī)器人根據(jù)目標(biāo)函數(shù)值，選擇最適合自己的任務(wù)，如果有機(jī)器人選擇了相同的任務(wù)，則它們之間呈現(xiàn)協(xié)作關(guān)系。任務(wù)執(zhí)行時(shí)，由于每個(gè)智能機(jī)器人9.1.2多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分類(lèi)被認(rèn)為單獨(dú)完成任務(wù)的能力有限，因此，每個(gè)機(jī)器人在時(shí)刻t只能選擇一個(gè)任務(wù)T執(zhí)行，每個(gè)任務(wù)需要由多個(gè)機(jī)器人協(xié)作且機(jī)器人處于空閑狀態(tài)才能響應(yīng)任務(wù)的請(qǐng)求。(2)動(dòng)態(tài)任務(wù)分配在實(shí)際生產(chǎn)中存在動(dòng)態(tài)情況發(fā)生時(shí)，定義動(dòng)態(tài)情況為系統(tǒng)中某一時(shí)刻t有新任務(wù)的產(chǎn)生或任務(wù)丟失事件發(fā)生時(shí)，環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化會(huì)導(dǎo)致任務(wù)完成的代價(jià)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致目標(biāo)函數(shù)值的變化，故系統(tǒng)需要根據(jù)機(jī)器人的能力約束和目標(biāo)值，盡量在不改變?cè)谕慕Y(jié)果的情況下快速尋找最9.1.2多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分類(lèi)優(yōu)調(diào)整策略。這就要求將一組任務(wù)分配給一組機(jī)器人的同時(shí)，要將能力約束與任務(wù)調(diào)度結(jié)合起來(lái)，在約束條件中建立和時(shí)間有關(guān)的目標(biāo)函數(shù)找到一組任務(wù)的最優(yōu)分配給一個(gè)機(jī)器人子集，該子集將負(fù)責(zé)完成任務(wù)。3.按照機(jī)器人對(duì)任務(wù)的執(zhí)行情況分類(lèi)(1)緊耦合型任務(wù)緊耦合型任務(wù)是指在系統(tǒng)中一個(gè)任務(wù)的完成需要多個(gè)機(jī)器人相互協(xié)作，且任務(wù)不能被分解。9.1.2多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分類(lèi)系統(tǒng)中如果任務(wù)完成所需的機(jī)器人中有一個(gè)不能參與或出現(xiàn)故障，則任務(wù)將不能被完成。(2)松耦合型任務(wù)松耦合型任務(wù)是指在多機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人個(gè)體之間在沒(méi)有緊密通信的情況下能夠單獨(dú)完成某項(xiàng)任務(wù)。一般情況下一個(gè)任務(wù)是可被分解的，這個(gè)任務(wù)的子任務(wù)可以交給具有任務(wù)執(zhí)行能力的個(gè)體單獨(dú)完成。9.2多機(jī)器人系統(tǒng)多任務(wù)及優(yōu)化分配方法任務(wù)的實(shí)時(shí)、合理分配是多機(jī)器人系統(tǒng)高效率運(yùn)行的必要條件，但當(dāng)環(huán)境中目標(biāo)較多且任務(wù)并非單一時(shí)，快速的尋找多機(jī)器人的多任務(wù)分配的最優(yōu)值對(duì)于尋優(yōu)模型具有較大的挑戰(zhàn)。任務(wù)分配問(wèn)題可以簡(jiǎn)單的概括為用一致的策略將不同的機(jī)器人分配給相應(yīng)的任務(wù)，或?yàn)橐唤M給定的任務(wù)和機(jī)器人分配合理的目標(biāo)。機(jī)器人的任務(wù)執(zhí)行獲利與消耗的數(shù)學(xué)抽象，通過(guò)任務(wù)執(zhí)行特征，定義多機(jī)器人的收益值模型，將尋求收益值模型的最優(yōu)值用于多機(jī)器人-多任務(wù)的分配中。9.2.1多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)描述多機(jī)器人-多目標(biāo)-多任務(wù)問(wèn)題的求解，可以理解為t時(shí)刻將r個(gè)機(jī)器人分配到k個(gè)期望的目標(biāo)位置執(zhí)行n個(gè)存在的任務(wù)，即存在一個(gè)r×k×n三維任務(wù)求解集合，當(dāng)目標(biāo)、任務(wù)數(shù)增長(zhǎng)時(shí)，用于工作的機(jī)器人數(shù)量隨之增長(zhǎng)，造成待求解集合的數(shù)據(jù)成級(jí)數(shù)倍增長(zhǎng)。1.目標(biāo)集與任務(wù)集為了多機(jī)器人的收益值模型具有良好的普適性，不限定特定目標(biāo)，將目標(biāo)特征進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)。并對(duì)于同一目標(biāo)存在有限種類(lèi)任務(wù)需要執(zhí)行，則t時(shí)刻包含k個(gè)目標(biāo)集合可表示為：9.2.1多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)描述多機(jī)器人-多目標(biāo)-多任務(wù)問(wèn)題的求解，可以理解為t時(shí)刻將r個(gè)機(jī)器人分配到k個(gè)期望的目標(biāo)位置執(zhí)行n個(gè)存在的任務(wù)，即存在一個(gè)r×k×n三維任務(wù)求解集合，當(dāng)目標(biāo)、任務(wù)數(shù)增長(zhǎng)時(shí)，用于工作的機(jī)器人數(shù)量隨之增長(zhǎng)，造成待求解集合的數(shù)據(jù)成級(jí)數(shù)倍增長(zhǎng)。1.目標(biāo)集與任務(wù)集為了多機(jī)器人的收益值模型具有良好的普適性，不限定特定目標(biāo)，將目標(biāo)特征進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)。9.2.1多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)描述對(duì)于同一目標(biāo)存在有限種類(lèi)任務(wù)需要執(zhí)行，則t時(shí)刻包含k個(gè)目標(biāo)集合可表示為：對(duì)于第o個(gè)目標(biāo)可能存在需要被執(zhí)行的任務(wù)種類(lèi)描述為：t時(shí)刻全局任務(wù)集合如下所示，存在k×n個(gè)任務(wù)需求：9.2.1多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)描述對(duì)于具體的第o個(gè)目標(biāo)的第j個(gè)任務(wù)，存在的基本任務(wù)特征進(jìn)行以下定義：任務(wù)位置特征

，任務(wù)響應(yīng)需求位置，與任務(wù)被執(zhí)行位置一致，其位置特征不隨時(shí)間變化;任務(wù)價(jià)值權(quán)值

，代表當(dāng)前第o個(gè)目標(biāo)第j個(gè)任務(wù)被執(zhí)行的價(jià)值；待優(yōu)先級(jí)特征

，假設(shè)任務(wù)響應(yīng)等待時(shí)間越長(zhǎng)被響應(yīng)優(yōu)先級(jí)越高，目的使等待時(shí)間長(zhǎng)的任務(wù)可以?xún)?yōu)先被響應(yīng)。9.2.1多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)描述等待時(shí)間由上一時(shí)刻機(jī)器人組完成任務(wù)時(shí)間確定，如下：分別是t時(shí)刻獲得分配的機(jī)器人i在上一時(shí)刻t-1完成工作的操作時(shí)間和運(yùn)動(dòng)時(shí)間表達(dá)式，vi是第i個(gè)機(jī)器人的速度。2.多任務(wù)與機(jī)器人收益模型消耗，，表示t時(shí)刻第i個(gè)機(jī)器人執(zhí)行第o個(gè)目標(biāo)第j個(gè)任務(wù)時(shí)付出的消耗，例如電量耗費(fèi)，根據(jù)與分配任務(wù)的距離關(guān)系可以具體量化為：9.2.1多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)描述是第i個(gè)機(jī)器人當(dāng)前電量，

，

是機(jī)器人t時(shí)刻位置

與分配到第o個(gè)目標(biāo)第j個(gè)任務(wù)坐標(biāo)之間電量使用值和曼哈頓距離，單位米，距離可具體表示為：任務(wù)價(jià)值，對(duì)于任務(wù)來(lái)說(shuō)，等待被執(zhí)行時(shí)間越長(zhǎng)具有較高優(yōu)先級(jí)，與機(jī)器人執(zhí)行相距距離越短具有較高優(yōu)先級(jí)，即價(jià)值越高。9.2.1多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)描述收益，

表示t時(shí)刻第i個(gè)機(jī)器人執(zhí)行第o個(gè)目標(biāo)的第j個(gè)任務(wù)時(shí)獲得的收益，對(duì)于存在最大延遲時(shí)間限制Dlim的收益值計(jì)算：對(duì)于機(jī)器人i對(duì)應(yīng)目標(biāo)-任務(wù)集合存在一個(gè)收益矩陣Hi(t)，表達(dá)如下：9.2.1多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)描述對(duì)于單一機(jī)器人i下一時(shí)刻的誘導(dǎo)執(zhí)行位，選擇收益值最大。對(duì)于第i機(jī)器人需要對(duì)任務(wù)集進(jìn)行遍歷計(jì)算其收益值矩陣，獲得最優(yōu)值作為誘導(dǎo)位單機(jī)器人多任務(wù)尋優(yōu)示意圖9.2.1多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)描述3.多任務(wù)與多機(jī)器人全局收益模型面向隨機(jī)變化的多任務(wù)需求，多機(jī)器人系統(tǒng)收益全局尋優(yōu)過(guò)程中，需要考察以下問(wèn)題：（1）難以解決同一任務(wù)多個(gè)機(jī)器人的收益值相等，以及同一機(jī)器人，多個(gè)任務(wù)收益相同的情況；（2）有“無(wú)放回尋優(yōu)”風(fēng)險(xiǎn)，即當(dāng)一個(gè)機(jī)器人將某任務(wù)取走，任務(wù)集中不再有該任務(wù)用于其它機(jī)器人最優(yōu)收益評(píng)價(jià)，造成任務(wù)的局部最優(yōu)值與全局最優(yōu)值不統(tǒng)一。9.2.1多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)描述（3）多個(gè)個(gè)體機(jī)器人的最優(yōu)求和，不能證明在“無(wú)放回尋優(yōu)”的多機(jī)器人多任務(wù)分配過(guò)程中是全局最優(yōu)的。需要進(jìn)行所有任務(wù)的分配收益評(píng)價(jià)，獲取全局最優(yōu)值。首先，在t時(shí)刻，我們將機(jī)器人集合與多目標(biāo)-多任務(wù)集合可能存在的收益值放入同一個(gè)全局收益值矩陣中。全局收益矩陣的子矩陣數(shù)為r個(gè)，與t時(shí)刻能夠進(jìn)行工作的機(jī)器人數(shù)量相同。9.2.1多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)描述每次對(duì)每個(gè)收益子矩陣取一個(gè)收益值，進(jìn)行和值計(jì)算，則可組成全局收益值遍歷矩陣A（All）如下所示：收益值的獲取為保證目標(biāo)任務(wù)被執(zhí)行的唯一性。則獲得全局最優(yōu)值(GO，GlobalOptimum)：9.2.1多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)描述通過(guò)上式可獲得全局最優(yōu)評(píng)價(jià)條件下的個(gè)體機(jī)器人取值，

，即對(duì)應(yīng)全局最優(yōu)第m個(gè)子收益矩陣，角標(biāo)表示，第i個(gè)機(jī)器人執(zhí)行第o個(gè)目標(biāo)的第j個(gè)任務(wù)。通過(guò)上述多任務(wù)-移動(dòng)多機(jī)器人全局收益模型的建立，則可以根據(jù)具體的應(yīng)用對(duì)象，結(jié)合不同的任務(wù)分配尋優(yōu)方法求解多機(jī)器人系統(tǒng)的多任務(wù)最優(yōu)分配結(jié)果。9.2.1多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)描述多機(jī)器人多任務(wù)尋優(yōu)示意圖9.2.2多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配方法多機(jī)器人系統(tǒng)首要解決的問(wèn)題是：在有限的時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)任務(wù)分配集合能夠被提供多機(jī)器人群集合所響應(yīng)并執(zhí)行，并希望在短時(shí)間內(nèi)獲得多任務(wù)集合的分配結(jié)果最優(yōu)分配。對(duì)此，現(xiàn)有相關(guān)研究工作主要分為集中式任務(wù)分配方法和分散式任務(wù)分配方法。集中式方法中要求機(jī)器人擁有系統(tǒng)的全局信息，中央控制系統(tǒng)計(jì)算最優(yōu)或者接近最優(yōu)的決策，使多機(jī)器人系統(tǒng)效率最大化。9.2.2多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配方法在分散式分配方法中，每個(gè)機(jī)器人都需要做出自己的決策，這使得系統(tǒng)靈活性和魯棒性更好。機(jī)器人之間可以相互協(xié)作，使系統(tǒng)的效率最大化。協(xié)商是分布式機(jī)器人相互合作的有效方式。但是一個(gè)機(jī)器人只能協(xié)商一次。如果一個(gè)機(jī)器人想要參與另一個(gè)協(xié)商，需要離線并重新編程以調(diào)整新的協(xié)商協(xié)議，即機(jī)器人不是獨(dú)立于協(xié)議的。然而，不同的環(huán)境中，機(jī)器人往往需要與不同的團(tuán)隊(duì)成員完成不同的工作。9.2.2多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配方法現(xiàn)有的分布式任務(wù)分配方法主要有三種類(lèi)型：基于優(yōu)化的、基于市場(chǎng)和博弈論。1.基于優(yōu)化的方法根據(jù)在每個(gè)迭代步都存在矩陣等待最優(yōu)分配求解，為了能夠相對(duì)更優(yōu)的解決方案，學(xué)者們利用分布式計(jì)算、群集智能等，提出了多種優(yōu)化模型和算法。雖然基于優(yōu)化的方法具有良好的探索性和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，但很難設(shè)計(jì)出合適的局部決策規(guī)則。大多數(shù)基于優(yōu)化的方法都用于集中式任務(wù)分配。9.2.2多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配方法2.基于市場(chǎng)的方法拍賣(mài)算法是一種典型的基于市場(chǎng)的方法，它是一個(gè)迭代過(guò)程，其中比較多個(gè)機(jī)器人的出價(jià)以確定最佳報(bào)價(jià)，最后的交易由出價(jià)最高的獲得。雖然基于市場(chǎng)的方法具有良好的魯棒性和可擴(kuò)展性，但也存在一些缺陷。如①缺乏有效的個(gè)體控制策略實(shí)際方法；②引入必要的談判和懲罰方案時(shí)表現(xiàn)不佳。9.2.2多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配方法3.基于博弈的方法從是否存在外部權(quán)威來(lái)執(zhí)行規(guī)則的角度來(lái)看，博弈可以分為合作博弈和非合作博弈。在合作博弈中，首先將特征聯(lián)盟形成博弈，利用收益和損耗關(guān)系用于解決多自主機(jī)器人之間的任務(wù)分配問(wèn)題。該方法需要考慮博弈者雙方的利益，在兩者之間達(dá)到一個(gè)均衡狀態(tài)，就很難達(dá)到全局最優(yōu)或近似全局最優(yōu)。利用博弈論解決多機(jī)器人動(dòng)態(tài)任務(wù)分配，需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：①博弈模型效率低下；②學(xué)習(xí)算法缺乏實(shí)時(shí)性和全局優(yōu)化能力。9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用1.移動(dòng)多機(jī)器人需求描述移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)常常用于處理多目標(biāo)和多任務(wù)（MRMOT），無(wú)論是已經(jīng)普及應(yīng)用的智能倉(cāng)儲(chǔ)，還是根據(jù)特定工藝流程的進(jìn)行研發(fā)車(chē)間移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)，都需要對(duì)其所需求的多任務(wù)、多目標(biāo)進(jìn)行模型的建立。紡織廠車(chē)間的生產(chǎn)方式是具有明顯多機(jī)器人系統(tǒng)需求的場(chǎng)景，因此以紡織生產(chǎn)車(chē)間為描述環(huán)境，進(jìn)而根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分配方法的優(yōu)化研究。9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用2.車(chē)間多目標(biāo)多任務(wù)的模型描述以紡織廠精梳車(chē)間為例，精梳車(chē)間機(jī)器人搬運(yùn)過(guò)程中的任務(wù)分配是指在某一并條機(jī)在對(duì)上一棉卷加工完成之后，有下一個(gè)任務(wù)加工需求但工位空缺時(shí)，哪一個(gè)機(jī)器人去響應(yīng)任務(wù)的號(hào)召將精梳機(jī)加工完成的棉卷從精梳機(jī)搬運(yùn)到并條機(jī)相應(yīng)工位。具體針對(duì)下圖精梳車(chē)間工藝流程中虛線框中部分的任務(wù)分配，以并條機(jī)工位作為任務(wù)對(duì)象，棉卷作為搬運(yùn)對(duì)象。9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用精梳車(chē)間工藝流程圖傳統(tǒng)紡織車(chē)間需要人工判斷并使用推車(chē)進(jìn)行棉卷的轉(zhuǎn)運(yùn)和上料。并條機(jī)端M有四個(gè)工作點(diǎn)位M1，M2，M3，M4需要同時(shí)換料，在給并條機(jī)的上料之前需要等待精梳機(jī)加工的完成，會(huì)造成取料延誤，同時(shí)，工人就近取料也易造成遠(yuǎn)處并條機(jī)的等待延誤時(shí)間。9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用將實(shí)際車(chē)間生產(chǎn)環(huán)境構(gòu)造為如圖所示的多機(jī)器人隨機(jī)分布的精梳機(jī)車(chē)間示意圖，每一個(gè)機(jī)器人只有負(fù)載一個(gè)棉卷的能力，只要并條機(jī)某一工位有任務(wù)需求則機(jī)器人就能夠響應(yīng)，使得各工位之間獨(dú)立運(yùn)行，換料時(shí)間互不等待。所以針對(duì)工序特征，將每個(gè)工作點(diǎn)位獨(dú)立作為供料對(duì)象，存在條并卷機(jī)8臺(tái)，工作點(diǎn)位8個(gè)/臺(tái)，充電位1個(gè)，棉卷供給機(jī)1臺(tái)，替代人工的機(jī)器人若干。9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用精梳車(chē)間機(jī)器分布和車(chē)間任務(wù)抽象簡(jiǎn)化圖具體的紡織生產(chǎn)過(guò)程中的任務(wù)環(huán)境抽象簡(jiǎn)化為如下圖所示，圖中紅色方框表示生產(chǎn)工位，T1~Tn代表存在n個(gè)任務(wù)需求(即任務(wù)分布情況)，黑色圓點(diǎn)表示具有簡(jiǎn)單思維判斷的智能移動(dòng)機(jī)器人。9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用3.機(jī)器人及任務(wù)抽象描述由于多任務(wù)的完成需要移動(dòng)機(jī)器人具有彼此合作、協(xié)調(diào)和談判的能力，移動(dòng)機(jī)器人需要進(jìn)行自身判斷和信息共享，在紡織品生產(chǎn)系統(tǒng)中，可將執(zhí)行搬運(yùn)工作的移動(dòng)機(jī)器人抽象成一個(gè)具有簡(jiǎn)單邏輯判斷的機(jī)器人Agent。同時(shí)，由于從精梳機(jī)上下料的棉卷在厚度上存在一定的差異，并且任意兩個(gè)并條機(jī)的不同工作點(diǎn)在工作完成時(shí)間上的不同步，因此，對(duì)于順序執(zhí)行和分配僅存在于車(chē)間內(nèi)機(jī)器首次開(kāi)車(chē)工作時(shí)，任務(wù)的產(chǎn)生是隨機(jī)的、個(gè)體任務(wù)9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用3.機(jī)器人及任務(wù)抽象描述產(chǎn)生時(shí)的機(jī)器人個(gè)體狀態(tài)也是隨機(jī)的，因此，類(lèi)紡織車(chē)間棉卷搬運(yùn)任務(wù)分配問(wèn)題是一個(gè)動(dòng)態(tài)決策問(wèn)題。隨時(shí)間的變化而變化，包括環(huán)境變化，因此從實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)看，可以看作是三個(gè)基本對(duì)象：時(shí)間、任務(wù)環(huán)境狀態(tài)信息和機(jī)器人之間的交互，所以該問(wèn)題符合在時(shí)間上迭代求解。9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用4.基于博弈論算法的多任務(wù)分配方法實(shí)現(xiàn)(1)工位任務(wù)狀態(tài)描述在某一時(shí)刻t工位任務(wù)Ti的狀態(tài)用函數(shù)描述,該函數(shù)中posi表示任務(wù)的位置坐標(biāo)信息；

時(shí)表示生產(chǎn)過(guò)程中t時(shí)刻Ti對(duì)機(jī)器人有任務(wù)請(qǐng)求，

時(shí)表示生產(chǎn)過(guò)程中t時(shí)刻Ti對(duì)機(jī)器人無(wú)任務(wù)請(qǐng)求；

表示t時(shí)刻任務(wù)Ti被某一機(jī)器人執(zhí)行后，該機(jī)器人所能得到的收益。9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用(2)機(jī)器人狀態(tài)在t時(shí)刻機(jī)器人Aj的狀態(tài)用函數(shù)描述，該函數(shù)中

是機(jī)器人Aj在t時(shí)刻的位置坐標(biāo)信息；

表示機(jī)器人Aj在t時(shí)刻相應(yīng)的能量存儲(chǔ)值；vj是機(jī)器人Aj的速度值；

是t時(shí)刻機(jī)器人Aj任務(wù)分配狀態(tài)矩陣。

表示在t時(shí)刻將目標(biāo)任務(wù)Ti分配給了機(jī)器人Aj；

表示未將目標(biāo)任務(wù)分配給Aj，即機(jī)器人Aj處于無(wú)9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用任務(wù)的空閑狀態(tài)。機(jī)器人間的信息交互能力用con表示，con為n×n的矩陣，其元素conij表示機(jī)器人之間的通信網(wǎng)絡(luò)連接強(qiáng)度，

其中1表示強(qiáng)連接，0表示無(wú)連接。t時(shí)刻機(jī)器人Aj完成Ti任務(wù)的能力:公式中F是阻力常量，Pi是執(zhí)行任務(wù)Ti所需的距離代價(jià)。任務(wù)分配映射關(guān)系：,Si是對(duì)任務(wù)Ti特定的任務(wù)集合。9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用(3)目標(biāo)函數(shù)某一時(shí)刻進(jìn)行多任務(wù)分配，其目的是計(jì)算該時(shí)刻多個(gè)任務(wù)的完成收益，尋找全局收益最大化的分配，要求該時(shí)刻各個(gè)機(jī)器人全局消耗最優(yōu)，任務(wù)收益最大。目標(biāo)效用函數(shù)的定義如下：

表示對(duì)完成任務(wù)Ti所形成的機(jī)器人集合。9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用(4)面向移動(dòng)多機(jī)器人的多任務(wù)分配算法以往在全連接網(wǎng)絡(luò)中，每次迭代中只選擇一個(gè)機(jī)器人（領(lǐng)導(dǎo)者）來(lái)做出決策。而本章中提出的分布式的決策算法，將紡織車(chē)間搬運(yùn)機(jī)器人任務(wù)分配問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)博弈事件，建立一個(gè)針對(duì)特定任務(wù)無(wú)需領(lǐng)導(dǎo)機(jī)制的機(jī)器人集合決策框架，當(dāng)有任務(wù)需求時(shí)，其中每一個(gè)機(jī)器人會(huì)根據(jù)自己的狀態(tài)加入一個(gè)集合。1)決策過(guò)程機(jī)器人尋找一個(gè)任務(wù)工位時(shí)，需要進(jìn)行博弈分析選擇策9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用略。系統(tǒng)初始時(shí)，定義每個(gè)機(jī)器人Aj以無(wú)序的方式移動(dòng)，對(duì)于任務(wù)Ti用集合

表示機(jī)器人對(duì)該任務(wù)的偏好關(guān)系。那么對(duì)于機(jī)器人Aj來(lái)說(shuō)，lij描述了它相對(duì)于任務(wù)Ti的偏好關(guān)系。偏好關(guān)系用符號(hào)‘

’和‘

’表示，機(jī)器人Aj的偏好關(guān)系可以根據(jù)任務(wù)收益從

中導(dǎo)出。9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用2)納什穩(wěn)定性分區(qū)的建立對(duì)機(jī)器人建立不相交分區(qū)

，如果對(duì)于任意一個(gè)機(jī)器人

，存在

，

。則稱(chēng)這個(gè)分區(qū)

是Nash穩(wěn)定的。即在Nash穩(wěn)定分區(qū)中，與其他任何集合相比，每一個(gè)機(jī)器人都更傾向于其當(dāng)前所在的集合。每個(gè)機(jī)器人在該分區(qū)內(nèi)無(wú)需任何形式的信息和通信技術(shù)，任何機(jī)器人不得單方面偏離其目前的決定，系統(tǒng)保持一種穩(wěn)定狀態(tài)。9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用3)決策結(jié)果決策結(jié)果：在機(jī)器人尋找強(qiáng)偏好任務(wù)的決策過(guò)程中Nash均衡理論決定任務(wù)的最終分配結(jié)果。Nash穩(wěn)定分區(qū)一旦建立，任意一個(gè)機(jī)器人都不可能在其他機(jī)器人任務(wù)完成策略不變時(shí)，單方面改變?nèi)蝿?wù)完成策略增加其整體收益。即對(duì)任務(wù)目標(biāo)生成了一種最優(yōu)策略組合。4)對(duì)不確定性問(wèn)題的適應(yīng)將紡織車(chē)間多機(jī)器人系統(tǒng)的不確定性主要?dú)w結(jié)為機(jī)器的機(jī)械故障、搬運(yùn)機(jī)器人的動(dòng)作輸出故障、噪音所造成的9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用通信的不確定性和傳感器的不確定性。當(dāng)前主要考慮車(chē)間環(huán)境下的多任務(wù)分配問(wèn)題，在任務(wù)分配過(guò)程中機(jī)器人只對(duì)任務(wù)需求作響應(yīng)，即任務(wù)層面的協(xié)調(diào)，而不考慮多機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制層面的協(xié)同，所以搬運(yùn)機(jī)器人動(dòng)作輸出的不確定性和傳感器所造成的運(yùn)動(dòng)上的不確定性不在本章考慮范圍；機(jī)械故障所造成的工位停工，任務(wù)需求中止，屬于任務(wù)動(dòng)態(tài)的發(fā)生；另外由于任務(wù)分配很難保證每個(gè)機(jī)器人之間能夠強(qiáng)通信連接，因此我們將噪音所造成的通信的不確定性和傳感器信息感知的不確定性歸結(jié)9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用為通信失效，而針對(duì)通信失效的問(wèn)題，本章多機(jī)器人博弈的分布式智能算法中，以局部信息廣播的形式做個(gè)體信息的交互，對(duì)通信具備很好的自適應(yīng)能力，具體在模型中體現(xiàn)為每個(gè)機(jī)器人只需根據(jù)自己的目標(biāo)效用函數(shù)maxA選擇加入任務(wù)分區(qū)

，只需將自己的決策狀態(tài)dij廣播出去，而其他機(jī)器人只根據(jù)自身所獲得的局部信息State(t)做出決策。并同時(shí)影響其相鄰機(jī)器人。9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用本章任務(wù)分配算法流程圖9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用5)仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析I.實(shí)驗(yàn)環(huán)境描述根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，本章實(shí)驗(yàn)中的任務(wù)為緊耦合型任務(wù)，即每個(gè)任務(wù)的完成需要多個(gè)機(jī)器人的合作，要求將m個(gè)機(jī)器人合理地分配給n個(gè)工位的任務(wù)，任務(wù)的分配決策過(guò)程應(yīng)該由機(jī)器人以分布式、自組織的方式完成。II.數(shù)據(jù)初始化及實(shí)驗(yàn)流程算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程及結(jié)果：本實(shí)驗(yàn)在MATLABR2016a上實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖,結(jié)果圖描述用于任務(wù)(n=6)分配的多個(gè)9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用機(jī)器人(m=60)的分布式?jīng)Q策過(guò)程，任務(wù)分布在1000*1000的范圍，機(jī)器人分布在800*800的范圍內(nèi)。

(a)

(b)9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用

(c)

(d)9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用

(e)

(f)9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用

(g)

(h)任務(wù)分配迭代完成過(guò)程：(a)迭代第79次，(b)迭代第139次，(c)迭代第189次，(d)迭代第331次，(e)迭代第597次，(f)迭代第682次，(g)迭代第771次，(h)迭代第804次9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用上圖描述了用于任務(wù)(n=6)分配的多個(gè)機(jī)器人(m=60)的分布式?jīng)Q策過(guò)程，任務(wù)分布在1000*1000的范圍，機(jī)器人分布在800*800的范圍內(nèi)。圓表示機(jī)器人，正方形則為任務(wù)，圓之間的線代表機(jī)器人的通信網(wǎng)絡(luò)。黃色機(jī)器人屬于執(zhí)行黃色任務(wù)(黃色方框?qū)?yīng)任務(wù)t4)的集合。初始時(shí)刻機(jī)器人針對(duì)任務(wù)需求決策處于隨機(jī)狀態(tài)，隨著時(shí)間的推移，算法迭代，機(jī)器人之間以局部交互的方式做出對(duì)任務(wù)的臨時(shí)決策。最終經(jīng)過(guò)804次算法迭代之后，各機(jī)器人集合形成Nash穩(wěn)定分區(qū)，系統(tǒng)得到穩(wěn)定的決策結(jié)果。9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用III.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析為驗(yàn)證算法針對(duì)不同任務(wù)的完成效率，首先進(jìn)行了弱通信網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度下不同任務(wù)需求數(shù)量下任務(wù)分配結(jié)果的比較，完成了如下機(jī)器人個(gè)數(shù)m=60,任務(wù)個(gè)數(shù)分別為n=5,6,7,8狀態(tài)下的任務(wù)分配。以算法迭代次數(shù)作為性能評(píng)價(jià)依據(jù)，在相同執(zhí)行機(jī)器人數(shù)量下，任務(wù)n=5,6,7,8時(shí)任務(wù)分配完成算法迭代次數(shù)分別為722，748，767，758?？梢钥闯鲈谌跬ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度狀態(tài)下任務(wù)的增加對(duì)本章任務(wù)分配決策的完成效率影響并不顯著。9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用

(a)

(b)9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用

(a)

(b)相同數(shù)量機(jī)器人在不同任務(wù)數(shù)量下的完成結(jié)果：(a)任務(wù)數(shù)n=5，(b)任務(wù)數(shù)n=6，(c)任務(wù)數(shù)n=7，(d)任務(wù)數(shù)n=89.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用不同數(shù)量級(jí)m,n下算法迭代性能結(jié)果9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用分別取任務(wù)數(shù)n=4,5,6,7,8的不同數(shù)量級(jí)機(jī)器人的任務(wù)分配完成性能實(shí)驗(yàn)。針對(duì)緊耦合型任務(wù)中機(jī)器人數(shù)量m略多于任務(wù)數(shù)量n時(shí)算法均能快速迭代完成分配。在表結(jié)果中觀察每一行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不論機(jī)器人數(shù)量m的值取多少，對(duì)于任務(wù)數(shù)n=4、5、6、7、8算法迭代結(jié)果比較接近，不存在明顯異常情況，那么同樣可以得到如前述結(jié)果，即本章算法在同一數(shù)量級(jí)機(jī)器人情況下，每一行中任務(wù)的增加對(duì)決策的完成效率影響并不顯著。9.2.3移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

優(yōu)化方法及應(yīng)用但是，從表數(shù)據(jù)也可看出，隨著機(jī)器人數(shù)量的增加，算法中機(jī)器人需要更多的信息交互，因此算法迭代次數(shù)也會(huì)隨之增加。當(dāng)n=4，m=120時(shí)、n=5，m=130時(shí)、n=6，7，8，m=135時(shí)在有限的空間內(nèi)機(jī)器人數(shù)量達(dá)到飽和，此時(shí)，當(dāng)機(jī)器人數(shù)量繼續(xù)增加算法無(wú)法完成任務(wù)的分配。9.3移動(dòng)多機(jī)器人編隊(duì)與路徑規(guī)劃方法任務(wù)的高效執(zhí)行需要多機(jī)器人間有效的協(xié)同，而多機(jī)器人的一致性編隊(duì)控制是解決多機(jī)器人協(xié)同的重要手段，需要多個(gè)機(jī)器人組成的團(tuán)隊(duì)在向目標(biāo)區(qū)域運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，個(gè)體之間保持特定的幾何形態(tài)，能夠躲避環(huán)境中的障礙物，使得大規(guī)模多機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。另一方面多機(jī)器人的編隊(duì)控制既可以解決在任務(wù)獲得之后，機(jī)器人集合在完成各自任務(wù)的過(guò)程中由于空間資源的競(jìng)爭(zhēng)而發(fā)生的沖突；同時(shí)，又可以使多機(jī)器人在時(shí)間和空間上協(xié)調(diào)一致。9.3.1移動(dòng)多機(jī)器人編隊(duì)與隊(duì)形保持1.多機(jī)器人編隊(duì)的基本方法編隊(duì)控制多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人，按照特定的要求保持個(gè)體之間的幾何關(guān)系，對(duì)比單獨(dú)控制移動(dòng)機(jī)器人這種方式能夠高效的控制多機(jī)器人系統(tǒng)躲避靜或動(dòng)態(tài)障礙物到達(dá)目的地并且由于機(jī)器人的編隊(duì)行進(jìn)，其路徑選擇較多條機(jī)器人規(guī)劃路徑簡(jiǎn)單、行進(jìn)過(guò)程的動(dòng)作統(tǒng)一可以簡(jiǎn)化協(xié)同控制的方案。對(duì)于多機(jī)器人的編隊(duì)控制方向的研究按照采用的方法可以分為：虛擬結(jié)構(gòu)法、基于行為的啟發(fā)式方法、領(lǐng)航-跟隨方法以及基于圖論的方法等。9.3.1移動(dòng)多機(jī)器人編隊(duì)與隊(duì)形保持1.多機(jī)器人編隊(duì)的基本方法（1）虛擬結(jié)構(gòu)法：虛擬結(jié)構(gòu)法的思想是將整個(gè)編隊(duì)系統(tǒng)看作一個(gè)整體，也就是一個(gè)虛擬的剛性結(jié)構(gòu)，而編隊(duì)的每個(gè)成員都看作剛性結(jié)構(gòu)中相對(duì)固定的一點(diǎn)。當(dāng)隊(duì)形進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，就是整個(gè)編隊(duì)跟蹤一虛擬點(diǎn)的問(wèn)題。相對(duì)于領(lǐng)導(dǎo)跟隨者，因?yàn)樘摂M結(jié)構(gòu)法不存在領(lǐng)航者，而且可以將編隊(duì)帶來(lái)的誤差引入到系統(tǒng)中，所以可取得較高的控制精度。9.3.1移動(dòng)多機(jī)器人編隊(duì)與隊(duì)形保持1.多機(jī)器人編隊(duì)的基本方法（2）基于行為的啟發(fā)式方法：基于行為法就是將多機(jī)器人編隊(duì)行為分成幾個(gè)小的動(dòng)作，每個(gè)小的動(dòng)作都有自己的目標(biāo)控制器，而且每個(gè)動(dòng)作的輸出又可以當(dāng)作輸入輸送到其他動(dòng)作的控制器中。通過(guò)這樣一系列的行為交互，最終實(shí)現(xiàn)編隊(duì)控制的任務(wù)?；谛袨榉ǖ暮诵脑谟谌绾卧O(shè)計(jì)并選取有效的一系列行為實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人編隊(duì)任務(wù)。9.3.1移動(dòng)多機(jī)器人編隊(duì)與隊(duì)形保持1.多機(jī)器人編隊(duì)的基本方法（3）領(lǐng)航-跟隨方法：領(lǐng)導(dǎo)跟隨者就是從多機(jī)器人中選出一個(gè)作為領(lǐng)航者，而編隊(duì)中剩余的其他機(jī)器人就作為跟隨者緊跟領(lǐng)航者航行。該策略的關(guān)鍵在于它將編隊(duì)與軌跡位置的偏差進(jìn)行變換。（4）基于圖論法：由于多機(jī)器人編隊(duì)控制在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，所以結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的。當(dāng)多機(jī)器人由于通信、控制的原因而形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，那么就必須通過(guò)數(shù)學(xué)中的圖論將此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建模成圖的形式。9.3.1移動(dòng)多機(jī)器人編隊(duì)與隊(duì)形保持2.移動(dòng)多機(jī)器人編隊(duì)的基本隊(duì)形多機(jī)器人編隊(duì)的基本隊(duì)形有三角形、直線形、星形、還有五個(gè)機(jī)器人組成的多邊形這幾種對(duì)稱(chēng)的形狀。移動(dòng)多機(jī)器人編隊(duì)基本隊(duì)形9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)1.基于領(lǐng)航-跟隨方法的移動(dòng)多機(jī)器人編隊(duì)模型（1）基于圖論的移動(dòng)多機(jī)器人模型利用圖論基本概念對(duì)移動(dòng)多機(jī)器人系統(tǒng)定義：對(duì)于n個(gè)機(jī)器人集合R={r1,r2,…,ri…,rn}，定義δ=(G，E，O)為n階的加權(quán)有向圖，節(jié)點(diǎn)集合O={o1,o2,…,on}，有向的邊E和加權(quán)鄰接矩陣的集合G=(gij)n×n。該網(wǎng)絡(luò)中的有向邊緣Eij由有序節(jié)點(diǎn)對(duì)(oi，oj)表示。從節(jié)點(diǎn)oi到節(jié)點(diǎn)oj在g中的有向路徑是有向網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)邊緣序列(oi，oj)。9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)（1）基于圖論的移動(dòng)多機(jī)器人模型為描述節(jié)點(diǎn)與邊之間的聯(lián)系，引入鄰接矩陣A，表示節(jié)點(diǎn)之間(或機(jī)器人與其相鄰機(jī)器人之間)的信息連通性。A中元素aij的取值如下：L=D-A表示拓?fù)鋱D的拉普拉斯矩陣，該矩陣特征值0出現(xiàn)的個(gè)數(shù)就是圖連通區(qū)域的個(gè)數(shù)，獲得矩陣

。

是一個(gè)對(duì)角矩陣，該矩陣由鄰接矩陣A轉(zhuǎn)換獲得，將A矩陣的每列元素相加，并將每列元素對(duì)應(yīng)的和值放在矩陣的對(duì)角線對(duì)應(yīng)位置上得到程度矩陣D。9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)（1）基于圖論的移動(dòng)多機(jī)器人模型包含n個(gè)機(jī)器人的編隊(duì)系統(tǒng)，機(jī)器人i的二階動(dòng)力學(xué)模型可如下公式所示：t與t+1表示當(dāng)前和下一時(shí)刻的時(shí)間關(guān)系，pi(t)、pi(t+1)分別表示機(jī)器人i在二維空間的位置，vi(t)、vi(t+1)表示機(jī)器人i的二維速度向量，ui(t)為機(jī)器人i輸入控制量，T為采樣周期。9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)（2）基于領(lǐng)航-跟隨方法的移動(dòng)多機(jī)器人編隊(duì)為達(dá)到領(lǐng)航-跟隨思想，在常規(guī)編隊(duì)一致性控制率上加入跟隨者與領(lǐng)航者的預(yù)期相對(duì)間隔誤差，使得跟隨者跟隨領(lǐng)航者運(yùn)動(dòng)且編隊(duì)可以達(dá)成預(yù)期的隊(duì)形運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人i的輸入控制量如下式所示：

、

下標(biāo)分別表示leader的t時(shí)刻的位置和速度。9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人n=5時(shí)的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖圖中采用運(yùn)算量較低的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以編隊(duì)存在5個(gè)機(jī)器人為例，領(lǐng)航者標(biāo)記為leader，跟隨機(jī)器人i可以進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)數(shù)字隨機(jī)器人數(shù)量變化。這種結(jié)構(gòu)保證在有限數(shù)量的多機(jī)器人集合中，計(jì)算量較小，每個(gè)跟隨者的位置、速度與領(lǐng)航者或旁側(cè)跟隨機(jī)器人相統(tǒng)一，有助于保持隊(duì)形。9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)（2）基于領(lǐng)航-跟隨方法的移動(dòng)多機(jī)器人編隊(duì)編隊(duì)領(lǐng)航者(t+1)時(shí)刻的速度，在速度限制以?xún)?nèi)，由其與目標(biāo)點(diǎn)t時(shí)刻的距離

(角標(biāo)obj表示目標(biāo))和角度θ決定，根據(jù)角度θ獲得領(lǐng)航者在x，y軸速度分量，α系數(shù)受機(jī)器人加速度，電量，跟隨者合力等影響。領(lǐng)航者初始速度

，vmax為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度限制值。9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)2.基于編隊(duì)一致性的彈簧避障模型靜態(tài)障礙物特征在于空間位置不變，在編隊(duì)向目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，將根據(jù)與障礙物之間的距離改變編隊(duì)的形態(tài)、速度等。(1)虛擬彈簧力模型將編隊(duì)與障礙物之間的距離關(guān)系映射為彈簧力，且由于障礙物為空間固定位置，所以編隊(duì)運(yùn)行中，可以定義機(jī)器人彈簧力與離障礙物的距離成正比。9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)建立在x，y軸彈簧力fx(t)，fy(t)與機(jī)器人、障礙物位置距離關(guān)系如下式所示：dleader_obs(t)為t時(shí)刻leader與obstacle間的距離(角標(biāo)obs表示目障礙物位置)，dij(t)為t時(shí)刻機(jī)器人間的距離，(dleader_obs(t))3與(dij(t))3中冪取值表示彈性系數(shù)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)取3次冪效果最佳，上角標(biāo)x,y表示該值在x,y軸上的分量9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)(2)領(lǐng)航者避障編隊(duì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，首先是領(lǐng)航者避障，領(lǐng)航者的避障速度與彈簧虛擬力的大小和初始速度有關(guān)，在x，y方向的運(yùn)行速度如下：

與

分別為領(lǐng)航者在x，y方向上的避障速度(角標(biāo)a表示機(jī)器人正在避障)。9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)(3)跟隨者避障在編隊(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，跟隨者跟隨領(lǐng)航者向目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。在跟隨者避障過(guò)程中，需要考慮與領(lǐng)航者的一致性、虛擬彈簧力的影響、領(lǐng)航者的速度等，機(jī)器人i在x，y方向的運(yùn)行速度為：

與

分別為跟隨者i在x，y方向上的避障速度。9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)(4)編隊(duì)一致性為保證在編隊(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的一致性，跟隨者根據(jù)機(jī)器人之間的位置誤差改變速度使得跟隨機(jī)器人i與領(lǐng)航者趨于一致，模型為：

與

分別為跟隨者在x，y方向上的與領(lǐng)航者達(dá)成一致性運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度，Es為領(lǐng)航者與跟隨者以及跟隨者之間的位置誤差。φ為機(jī)器人i位置誤差與x軸的夾角。9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)(5)動(dòng)態(tài)速度限制函數(shù)機(jī)器人速度、加速度過(guò)容高易導(dǎo)致機(jī)器人出現(xiàn)偏離編隊(duì)的情況，甚至難以回歸，但是如果對(duì)速度、加速度進(jìn)行定值限制，容易降低編隊(duì)和個(gè)體機(jī)器人的靈活性，為能夠平衡兩種情況，在編隊(duì)運(yùn)動(dòng)中加入動(dòng)態(tài)速度限制函數(shù)：9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)(5)動(dòng)態(tài)速度限制函數(shù)

表示機(jī)器人i在t+1時(shí)刻的加速度，與該機(jī)器人距離誤差增加或減小的趨勢(shì)相關(guān)，如距離誤差是增加趨勢(shì)，則ε為正值且與增加趨勢(shì)正相關(guān)，加速度在下一時(shí)刻增加，反之ε為負(fù)值與距離誤差減小趨勢(shì)正相關(guān)；上式保證了機(jī)器人在不超過(guò)速度限制的情況下與距離誤差變化趨勢(shì)同步變化，并以縮小距離誤差為指引。9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)3.多機(jī)器人編隊(duì)算法實(shí)現(xiàn)(1)實(shí)驗(yàn)構(gòu)造及數(shù)據(jù)初始化實(shí)驗(yàn)物理環(huán)境為有限的二維區(qū)域，大小為30×30m2。分別構(gòu)造存在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)障礙物的仿真環(huán)境，在此環(huán)境下構(gòu)造實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)初始化。仿真實(shí)驗(yàn)中，定義機(jī)器人是同種類(lèi)型，具備基本的導(dǎo)航、避障、通信等功能，領(lǐng)航者有且僅有1個(gè)。9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)(1)實(shí)驗(yàn)構(gòu)造及數(shù)據(jù)初始化數(shù)據(jù)初始化編隊(duì)中的機(jī)器人數(shù)量，n=[5，10，15，20]，機(jī)器人初始位置(

)、動(dòng)態(tài)障礙物初始位置(

)隨機(jī)獲得。跟隨者i，i=[1,19]分別根據(jù)實(shí)驗(yàn)中不同機(jī)器人數(shù)量編號(hào)，其中障礙物長(zhǎng)7m，寬1.6m，障礙物之間間隔4.5m，左下角的障礙物與原點(diǎn)間隔為4.5m，動(dòng)態(tài)障礙物起點(diǎn)為(25,0)、(25,15)，終點(diǎn)為(5,15)、(10,3)。9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境中參數(shù)初始化表9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析編隊(duì)系統(tǒng)的機(jī)器人數(shù)量超過(guò)20后，數(shù)據(jù)特征不明顯，所以實(shí)驗(yàn)以編隊(duì)機(jī)器人數(shù)量為5、10、15、20個(gè)分別在無(wú)沖突、有沖突機(jī)器人仿真環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并分析結(jié)果。1)無(wú)動(dòng)態(tài)障礙物環(huán)境I編隊(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡分析9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)

(a)n=5

(b)n=10無(wú)動(dòng)態(tài)障礙物編隊(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡圖I編隊(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡分析9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)

(c)n=15

(d)n=20無(wú)動(dòng)態(tài)障礙物編隊(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡圖I編隊(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡分析9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)I編隊(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡分析當(dāng)編隊(duì)中機(jī)器人數(shù)量增加后，領(lǐng)航者的路徑?jīng)]有發(fā)生變化，子圖(a)，5機(jī)器人編隊(duì)機(jī)器人數(shù)量少，在編隊(duì)運(yùn)行中跟隨者都和領(lǐng)航者選擇了相同的通道到達(dá)終點(diǎn)，子圖(b)、(c)、(d)中，10機(jī)器人、15機(jī)器人、20機(jī)器人編隊(duì)由于機(jī)器人數(shù)量的增加與車(chē)間過(guò)道較窄，所以編隊(duì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，明顯存在機(jī)器人選擇其它不與領(lǐng)航者相同的路徑，做出了動(dòng)態(tài)的改變，且是在保證路徑長(zhǎng)度增加最少的情況下，完成越障后形成預(yù)期隊(duì)形到達(dá)終點(diǎn)。9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)II領(lǐng)航者與跟隨者位置誤差

(a)n=5

(b)n=10無(wú)動(dòng)態(tài)障礙物環(huán)境編隊(duì)運(yùn)動(dòng)領(lǐng)航者與跟隨者位置誤差9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)II領(lǐng)航者與跟隨者位置誤差

(c)n=15

(d)n=20無(wú)動(dòng)態(tài)障礙物環(huán)境編隊(duì)運(yùn)動(dòng)領(lǐng)航者與跟隨者位置誤差9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)II領(lǐng)航者與跟隨者位置誤差跟隨者與領(lǐng)航者的位置誤差會(huì)隨編隊(duì)機(jī)器人數(shù)量增加而增加：10機(jī)器人最大誤差比5機(jī)器人的增加44.35%；15機(jī)器人最大誤差10機(jī)器人編隊(duì)增加44.25%；20機(jī)器人時(shí)最大誤差較15機(jī)器人編隊(duì)減少9.42%。出現(xiàn)最大誤差時(shí)間隨編隊(duì)機(jī)器人數(shù)量增長(zhǎng)而提前，說(shuō)明在有限空間內(nèi)機(jī)器人數(shù)量對(duì)于誤差的產(chǎn)生有較大影響。當(dāng)機(jī)器人數(shù)量增加，速度控制下的編隊(duì)機(jī)器人個(gè)體的速度保持是以擴(kuò)大路徑包線為代價(jià)的，路徑包線的擴(kuò)大帶來(lái)位置誤差的增加。9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)2)存在動(dòng)態(tài)障礙物的實(shí)驗(yàn)環(huán)境在模擬環(huán)境中，增加兩個(gè)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的同類(lèi)機(jī)器人作為動(dòng)態(tài)障礙物，分別對(duì)5、10、15、20個(gè)機(jī)器人組成的編隊(duì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)避障實(shí)驗(yàn)。9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)2)存在動(dòng)態(tài)障礙物的實(shí)驗(yàn)環(huán)境

(a)n=5

(b)n=10動(dòng)態(tài)障礙物環(huán)境改進(jìn)模型編隊(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡圖9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)2)存在動(dòng)態(tài)障礙物的實(shí)驗(yàn)環(huán)境

(c)n=15

(d)n=20動(dòng)態(tài)障礙物環(huán)境改進(jìn)模型編隊(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡圖9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)2)存在動(dòng)態(tài)障礙物的實(shí)驗(yàn)環(huán)境在不遇到障礙物時(shí)，跟隨者基本與領(lǐng)航者趨于一致，當(dāng)出現(xiàn)障礙物時(shí)，編隊(duì)的隊(duì)形會(huì)被影響，但是當(dāng)編隊(duì)與沖突錯(cuò)過(guò)時(shí)，編隊(duì)會(huì)自行調(diào)整位置，跟隨者會(huì)快速調(diào)整與領(lǐng)航者趨于一致，最后安全到達(dá)終點(diǎn)。在有沖突機(jī)器人環(huán)境中，編隊(duì)也會(huì)因?yàn)闄C(jī)器人數(shù)量的增加而出現(xiàn)機(jī)器人路徑分岔的現(xiàn)象，這說(shuō)明即使在動(dòng)態(tài)障礙物環(huán)境中，編隊(duì)也會(huì)因?yàn)樾枰焖俚竭_(dá)目的地而做出及時(shí)調(diào)整。9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)I領(lǐng)航者與跟隨者位置誤差

(a)n=5

(b)n=10有動(dòng)態(tài)障礙物環(huán)境改進(jìn)模型編隊(duì)運(yùn)動(dòng)領(lǐng)航者與跟隨者位置誤差9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)I領(lǐng)航者與跟隨者位置誤差

(c)n=15

(d)n=20有動(dòng)態(tài)障礙物環(huán)境改進(jìn)模型編隊(duì)運(yùn)動(dòng)領(lǐng)航者與跟隨者位置誤差9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)I領(lǐng)航者與跟隨者位置誤差在動(dòng)態(tài)障礙物環(huán)境中，動(dòng)態(tài)障礙物對(duì)編隊(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)有影響，但由于較早的信息共享，機(jī)器人編隊(duì)可以避免與動(dòng)態(tài)障礙物發(fā)生正面沖突，但是由于編隊(duì)機(jī)器人改變了原本的軌跡，所以跟隨著與領(lǐng)航者誤差增加。在機(jī)器人數(shù)量增加的情況編隊(duì)跟隨者會(huì)因?yàn)檐?chē)間過(guò)道較窄分岔，位置誤差會(huì)因?yàn)榉植矶霈F(xiàn)增加的情況，所以10機(jī)器人、15機(jī)器人、20機(jī)器人最大誤差較大。9.3.2一致性編隊(duì)模型及實(shí)現(xiàn)I領(lǐng)航者與跟隨者位置誤差結(jié)合各個(gè)機(jī)器人位置誤差曲線，在編隊(duì)即將到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，誤差都在減小狀態(tài)且編隊(duì)隨機(jī)器人數(shù)量增加到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間都接近，證明了系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)障礙物環(huán)境的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)充分分享可以幫助編隊(duì)中機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的更加穩(wěn)定，將編隊(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑控制在了可接受的范圍內(nèi)。9.4多移動(dòng)機(jī)器人圍捕圍捕是指多個(gè)捕者組成團(tuán)隊(duì)圍捕一個(gè)逃跑者的情況。圍捕時(shí)圍捕者之間協(xié)作完成任務(wù)。多移動(dòng)機(jī)器人圍捕，指在某一環(huán)境中存在某一或某些動(dòng)態(tài)或是靜態(tài)的目標(biāo)，環(huán)境中可能存在不規(guī)則形狀障礙物，要求多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人在當(dāng)前環(huán)境中發(fā)現(xiàn)并在一定時(shí)間內(nèi)呈一定形式的分布在目標(biāo)周?chē)?，即完成圍捕?.4多移動(dòng)機(jī)器人圍捕多移動(dòng)機(jī)器人圍捕問(wèn)題主要研究：1.通過(guò)多個(gè)圍捕機(jī)器人追捕目標(biāo)機(jī)器人研究圍捕機(jī)器人之間協(xié)調(diào)合作問(wèn)題，即在同一個(gè)目標(biāo)的前提下如何平衡系統(tǒng)收益與機(jī)器人個(gè)體收益，盡可能達(dá)到全局最優(yōu)。2.圍捕系統(tǒng)在進(jìn)行圍捕時(shí)如何分派相應(yīng)數(shù)量的機(jī)器人，這些機(jī)器人如何進(jìn)行組織，即研究圍捕任務(wù)最優(yōu)任務(wù)分配方法。3.研究自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法使得圍捕系統(tǒng)在面對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境和任務(wù)時(shí)依然能夠有效地組織圍捕團(tuán)隊(duì)圍捕目標(biāo)。9.4.1多移動(dòng)機(jī)器人圍捕流程多移動(dòng)機(jī)器人圍捕流程要分為目標(biāo)搜索、目標(biāo)跟隨以及目標(biāo)包圍三個(gè)階段。開(kāi)始執(zhí)行圍捕任務(wù)時(shí)，圍捕機(jī)器人群體以一定的搜索策略搜索實(shí)驗(yàn)區(qū)域中的目標(biāo)機(jī)器人，在搜索過(guò)程中如果某個(gè)圍捕機(jī)器人發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)機(jī)器人，就將估計(jì)的目標(biāo)機(jī)器人位置發(fā)送給其它圍捕機(jī)器人。其它圍捕機(jī)器人逐漸向目標(biāo)機(jī)器人靠近并形成一定的隊(duì)形。在其他圍捕機(jī)器人靠近目標(biāo)機(jī)器人的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)器人的圍捕機(jī)器人對(duì)目標(biāo)機(jī)器人進(jìn)行跟隨，防止丟失目標(biāo)機(jī)器人信息。9.4.1多移動(dòng)機(jī)器人圍捕流程目標(biāo)搜索：目標(biāo)搜索是指多機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)區(qū)域找到目標(biāo)機(jī)器人的過(guò)程，搜索出目標(biāo)機(jī)器人是多機(jī)器人協(xié)作圍捕任務(wù)后續(xù)工作的前提。目標(biāo)跟隨：考慮到圍捕機(jī)器人發(fā)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)器人的初期，目標(biāo)機(jī)器人周?chē)膰稒C(jī)器人數(shù)量較少且目標(biāo)機(jī)器人具有一定的移動(dòng)能力，不宜直接對(duì)其包圍。為了避免發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)機(jī)器人從視野中丟失，此時(shí)以單個(gè)圍捕機(jī)器人對(duì)目標(biāo)機(jī)器人的跟隨為主。9.4.1多移動(dòng)機(jī)器人圍捕流程為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟隨的整個(gè)流程，圍捕機(jī)器人發(fā)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)器人后，在視覺(jué)相機(jī)捕獲的視頻序列中便具有了目標(biāo)機(jī)器人的位置坐標(biāo)等相關(guān)信息。將目標(biāo)機(jī)器人在像素坐標(biāo)系下實(shí)際的位置坐標(biāo)與期望的位置坐標(biāo)比較，以?xún)烧咧g的差值調(diào)節(jié)圍捕機(jī)器人的線速度和角速度實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)機(jī)器人的跟隨。目標(biāo)包圍：圍捕機(jī)器人群體到達(dá)目標(biāo)機(jī)器人附近后，首先組成一定的隊(duì)形包圍目標(biāo)機(jī)器人，然后押送目標(biāo)機(jī)器人使其無(wú)法在實(shí)驗(yàn)區(qū)域隨意運(yùn)動(dòng)，從而完成圍捕。9.4.2多移動(dòng)機(jī)器人圍捕存在的一些問(wèn)題圍捕問(wèn)題存在下列一些問(wèn)題:1.逃跑者采用一種高智能的逃跑方式一般的圍捕任務(wù)都是采用比較低智能的逃跑方式，只是簡(jiǎn)單采用局部最優(yōu)逃跑方法即遠(yuǎn)離圍捕機(jī)器人，沒(méi)有考慮到全局逃跑最優(yōu)。設(shè)計(jì)一種高智能逃跑方式會(huì)使得圍捕問(wèn)題變得更加困難和復(fù)雜。2.傳感器的不確定性機(jī)器人圍捕的時(shí)候，各機(jī)器人通信和定位都與傳感器有關(guān)系，而實(shí)際上傳感器只能保證探測(cè)點(diǎn)周?chē)木_度，9.4.2多移動(dòng)機(jī)器人圍捕存在的一些問(wèn)題對(duì)很多不確定性問(wèn)題不能保證。這需要建立一個(gè)不確定模型，對(duì)機(jī)器人當(dāng)前的位置信息進(jìn)行準(zhǔn)確的估計(jì)。3.非同等條件下的圍捕現(xiàn)在研究圍捕大多數(shù)都是考慮到圍捕機(jī)器人和逃跑機(jī)器人，條件相當(dāng)或者圍捕機(jī)器人比逃跑機(jī)器人具有優(yōu)勢(shì)性，在圍捕機(jī)器人相當(dāng)于逃跑機(jī)器人處于劣勢(shì)情況下的圍捕是一個(gè)有待解決的問(wèn)題，比如說(shuō)圍捕機(jī)器人相當(dāng)逃跑機(jī)器人，速度比較慢，視野范圍比較小，運(yùn)動(dòng)的機(jī)會(huì)比較少的情況，這需要建立更復(fù)雜的模型。9.4.2多移動(dòng)機(jī)器人圍捕存在的一些問(wèn)題4.多個(gè)逃跑者的情況未知環(huán)境下存多個(gè)逃跑時(shí)的情況仍然需要進(jìn)研究，包括追捕者如何優(yōu)地形成圍捕聯(lián)盟，在盡量短的時(shí)間內(nèi)利用盡量少的總體能消耗將所有的逃跑者捕獲，這渉及到多機(jī)器人之間的聯(lián)盟及協(xié)商等問(wèn)題。9.4.3多移動(dòng)機(jī)器人圍捕方法1.領(lǐng)航-跟隨(leader-follower)方法leader-