机器人引论张涛第11章节多机器人系统

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1、机器人引论,第11章 多机器人系统,第11章 多机器人系统,11.1 多机器人系统的概述 11.2 多机器人系统的体系结构 11.3 多机器人系统的协调控制 11.4 网络机器人 11.5 多机器人系统的应用,11.1 多机器人系统的概述,典型的多机器人系统主要有以下几种： 群智能机器人系统：由许多无差别的自治机器人组成的分布式系统。它主要研究如何使能力有限的个体机器人通过交互产生群体智能。 自重构机器人系统：以一些具有不同功能的标准模块为组件，根据目标任务的需要，对这些模块进行相应的组合，进而形成具有不同功能的系统。 协作机器人系统：由多个具有一定智能的自治机器人组成，机器人之间通过通信实现

2、相互间的协作以完成复杂的任务。 机器人足球赛：前述几类机器人系统中，机器人之间的关系是合作的、互助的。而在机器人足球赛中，不同球队的机器人之间的关系是对抗的、竞争的。同队的机器人之间则是合作的、互助的。,多机器人系统的特点主要包括其空间分布、功能分布、时间分布、信息分布和资源分布。利用多机器人系统的目的主要是： 利用多机器人系统的空间分布特性，通过各个机器人并行工作以提高完成任务的效率。 利用多机器人系统内资源（信息、知识、物理装置等）的共享来弥补个体能力的不足，扩大完成任务的能力范围。 利用系统内机器人资源的冗余性、各机器人功能的互补性提高完成任务的可能性，增强系统的容错性、鲁棒性和灵活性。

3、 利用多机器人系统功能分布、资源分布的特点来降低单个机器人系统的成本和系统设计的难度，减少执行危险任务过程中机器人系统的损失。,多机器人系统中存在的问题包括： 分布式的结构使多机器人系统在进行全局优化时存在一定困难或无法找到最优解。 多机器人系统中各机器人之间由于资源的分配和使用不合理可能发生冲突或死锁现象。 随着多机器人系统中机器人数量的增加，多个机器人之间进行组织和相互协调协作的困难也随之以指数倍数增长。 多机器人系统中，功能、信息和资源的分布在增强机器人系统灵活性、适应性的同时，也增加了机器人对可用功能、信息、资源进行搜索和信息交换的时间。多机器人系统由此而产生的通信问题为系统快速响应外

4、界环境的变化造成了一定的困难。,多机器人系统研究的主要内容包括： 群体体系结构： 研究多机器人系统的群体体系结构是为了实现多个机器人相互间的合作。 多机器人系统的群体体系结构可以分为集中式(centralized)和分散式(decentralized)两种。 感知： 机器人的感知包括感觉和理解两方面问题。 通信： 通信是机器人之间进行交互和组织的基础。通过通信，多机器人系统中各机器人了解其他机器人的意图、目标和动作以及当前环境状态等信息，进而进行有效的磋商，协作完成任务。 一般来说，机器人之间的通信可以分成隐式通信和显式通信两类。,学习： 多机器人系统的学习可以根据其结构的不同有所区别。集中式

5、体系机构中，学习发生在主控单元上，其过程类似于个体机器人的学习；在分散式体系结构中，所有机器人都参与到学习中，它们可能会相互影响。多机器人系统通过学习可以获得较强的适应性和灵活性等智能特性。 多机器人系统的学习按学习过程划分为：独立学习和交互学习。 多机器人系统的学习按反馈类型划分为：监督式学习、增强式学习和无监督式学习。 多机器人系统作为一个群体进行学习时，依据不同的学习目的其内部存在以下几种学习类型：机器人某种特定能力的学习；对群体组合特性的学习；对任务模式的学习；对环境特性的学习。,协调协作机制： 多机器人系统的协调协作机制与系统的群体体系结构、个体体系机构、感知、通信和学习等方面的研究

6、密切相关。 协调协作按主观意愿来划分，可以分为有意识协作和无意识协作；按协作的类型来划分，可以分为合作型和竞争性。 多机器人系统的协调协作反映了在多机器人系统不同层次上对系统控制与交互提出的不同要求。W.Rausch等提出多机器人系统不同层次的协调协作：隐含协作关系，机器人按其自有的规划模型考虑其它机器人规划的影响；异步协调关系，多个机器人在同一环境下存在相互间干涉的条件下为完成各自目标而产生协作；同步协作关系，多个机器人为完成一个共同目标而产生的协作。,在多机器人系统的设计中，通常采用的是自顶向下的设计方法。即将复杂的多机器人系统的功能和目标要求逐层分割分解，逐步细化多机器人系统各功能模块，

7、集成实现目标所必需的控制算法和协作策略。,自顶向下设计方法的流程,11.2 多机器人系统的体系结构,体系结构主要研究如何组织和控制机器人的硬件和软件系统来实现机器人所需完成的功能。体系结构通常分为群体体系结构和个体体系结构。群体体系结构为实现预定的行为如何把个体联系到一起的形式。它表示个体之间所能存在的问题：知识、信息、控制等方面长远的、静态的关系模式，并从全局角度定义每个个体在系统整体行为的高级观点，从而有助于引导局部控制实现协作，增强系统的全局一致性。多机器人系统是由个体机器人组成的。作为个体机器人的核心部分，机器人控制系统决定了多机器人系统中机器人的协作能力。机器人个体体系结构将决定其适

8、应环境的能力及其智能的复杂程度。,多机器人系统的体系结构可以分为集中式(centralized) 结构和分散式（decentralized）结构两种。分散式结构又可以进一步划分为分层式（hierarchical）结构和分布式（destributed）结构。,a集中式结构 b分布式结构 c分层式结构,几种多机器人系统体系结构示意图,集中式结构通常由一个主控单元掌握全部环境及受控机器人的信息，运用规划算法和优化算法。主控单元对任务进行分解和分配，向各受控机器人发布命令，并组织多个受控机器人共同完成任务。集中式结构的优点在于，理论背景清晰，实现起来较为直观，但存在以下缺点： (1) 容错性差 一个机

9、器人的简单错误可能会造成整个系统的瘫痪。 (2) 灵活性差 系统中机器人的个数增加或者减少时，原有的规划结果无效，需重新进行规划。 (3) 适应性差 由于在实际环境中所有信息对于主控单元并不完全已知，所以主控单元在复杂多变的环境中无法保证各受控机器人快速响应外界的变化，以做出适当的决策，因此该结构不适合动态、开放的环境。 另外集中式结构还存在主控单元和其它机器人之间的通信瓶颈问题。,相对于集中式结构来说，尽管分散式结构很难或者无法全局目标的优化，但是它以故障冗余、可靠性等诸多优点引起人们对分散式结构的兴趣。分布式的结构中没有主控单元，各机器人之间的关系是平等的，各机器人均能通过通信手段与其它机

10、器人进行信息交流，自主进行信息交流，自主进行决策。这种方式具有灵活性和适应性强的优点。但是，要注意避免各个个体片面强调“个性”，过分强调自己任务的重要性，而导致过多占有资源的情况，使得任务完成效率低下。分层式与分布式的区别在于前者存在局部集中，它是介于集中式和分布式之间的一种混合结构。 下面介绍几种较为典型的多机器人系统的体系结构。,11.2.1 分层式结构 面向多机器人协作系统（Multi-Robot Cooperative System，MRCS）为了满足自主性和协作性要求，多机器人体系分层式结构设计成三层结构形式，分别为协作规划层（cooperation planning layer，C

11、pPL）、协调规划层（coordination planning layer，CdPL）及行为控制层（behavior control layer，BCL）。,分层式体系结构框图,1 协作规划层 协作规划层是为了满足机器人的任务协作要求设计的。在MRCS中，许多复杂的任务需要多个机器人协同完成，而协作层赋予机器人协作能力、组织能力等。 协作层可以实现：1）任务的承接、分解和分配；2）机器人之间的通信、协商等功能的管理。对于需要协作执行的任务，将任务分解为若干子任务后，按某种协议与其它机器人磋商，制定联合行动计划。若是决定独立执行，则将任务交给协调规划层处理。 协作规划层的各个模块：协作通信模块

12、（communication module of cooperation layer，CMCoL）负责机器人之间任务级的信息传递，如任务的承接、发布等。 待规划的任务模块（task module of be panned，TMP）存放来自用户或其它机器人的招标任务。 待发布任务模块（task module of be announced，TMA）存放任务分解后需其它机器人协作执行的任务。,组织知识库（organization knowledge base，OKB）组织模块中存放社会规则、谈判策略以及组织结构重组等方面的知识。领域知识库（domain knowledge base，DKB）领域问

13、题求解知识，包括规划任务的规则、前提数据等。协作规划器（cooperation planner，CpP） 协作规划器是协作规,划层的核心，协作规划器根据领域知识将承接的任务分解（若不需分解则将任务交给协调层处理）。基于确定的协商策略和协商协议以协商方式实现机器人之间任务的动态分配，协调机器人之间的合作，建立机器人之间的协作关系。,协作规划层结构框图,2 协调规划层,协调规划层是为了解决机器人之间协作关系确定下来以后具体的运动控制问题，协作层确定了机器人的任务/子任务后，机器人根据当前目标（任务）、自身状态、以往经验、传感信息等来规划自身行为。另外，它在动作执行的过程中负责检查冲突和采取有效的措

14、施消解冲突。对于协调层中无法处理的问题，则返回协作规划层，由协作规划层重新规划。,协调规划层结构框图,主要模块包括如下：协调通信模块（communication module of coordination layer，CMCdL） 负责机器人之间运动规划信息的传递。建模模块（modeling module，MM） 根据传感器信息和通信信息对外部环境进行建模，目的是为了对其它机器人的运动状态做出预测，作为自己动作的参考。其中建模模型包括世界模型和其它机器人的状态模型。 冲突检测模块（conflict inspecting module, CIM） 随着时间的推移及外部环境的变化，原来的计划在执

15、行过程中可能会产生冲突。冲突检测模块则检测冲突的发生、判断冲突发生的类型以及推测冲突发生的原因等。 冲突识别库（conflict type base, CTB） 存放各种冲突类型，如目标冲突、资源冲突等。冲突消解模块（conflict reconciling module ,CRM） 根据冲突类型提供相应的冲突消解策略。消解策略库（conflict reconciling strategy base ，CRCS） 存放冲突消解策略。 协调规划器（coordination planner , CdP） 是协调层的核心，它负责机器人运动协调的局部规划。根据任务（目标）、自身状态及外部环境信息，规划

16、自身的行为，产生近期的运动序列，并负责与机器人规划层之间的协商，实现机器人之间冲突的消解。,3 行为控制层 行为控制层的设计有两个目的：一是为了使机器人对紧急情况或简单任务迅速做出反应(如避障)，它直接由传感信息映射到某种行为，基本上不作推理或根据简单规则直接推理；二是执行协调规划层产生的运动控制命令，产生相应的动作。 通过反应产生的运动具有最高的优先级，动作模块立即执行，而将从协调规划层送来的动作中断。如果发生中断，则协调规划模块将决定是否重新进行规划。,f:(*)表示从传感信息到运动控制的映射关系，可以由神经网络、分类器、规则推理等实现。,行为控制层结构框图,11.2.2 基于行为的混合分层式结构,基于行为的机器人混合分层式体系结构,行为模块层由多个行为模块组成。行为管理层的主要功能是根据机器人当前任务、状态、周围环境及合作要求，对机器人的行为进行调整。 行为模式指的是机器人控制系统对所获信息的反应模式。行为模式决定了控制系统在收到信息后，将做出何种行为决策。对行为模式的调整包括改变