群机器人绘图系统的制作方法

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1、群机器人绘图系统的制作方法群机器人绘图系统的制作方法“群机器人绘图系统”这项发明涵盖机电信息领域，该系统以移动式群机器人为执行主体，可对大型场地、建筑、以及人员无法涉足的场地进行快速超大幅自动绘图操作，具有分布式系统可靠灵活高效的特性，设备成本低廉，绘图模式开放、形式多样，且艺术效果独特，可绘制包括分形图案在内的复杂图形。系统工作原理是移动式群机器人在绘图基因的控制下，以一定模式，有组织地通过绘图表达进行群体协作绘图，其构图结果是每个机器人个体中的绘图基因选择性启动的宏观整体表达。发明人设计了一些基础的绘图基因以及六种绘图变异，还设计了集群模式的群机器人绘图系统，可进行更高级的绘图表达。【专利

2、说明】群机器人绘图系统【技术领域】 0001 本发明属于一套群机器人自动控制系统，所涉及的【技术领域】主要有：机器人技术、 自动控制技术与计算机技术，主要涵盖机电信息领域。【背景技术】 0002 绘画艺术伴随人类历史千百年的发展历程，是人类对美的追求，也承载了人类文 明。有米开朗基罗的教堂天顶的彩绘，有达芬奇的蒙娜丽莎的微笑，人们在纸上、画布上描 绘，也在墙壁、建筑上作画，这些都是传统的绘画方式，但试想在短短数分钟内，壮观绚丽的 画面被自动绘制出来，画满天安门广场、莫斯科红场，画满金茂大厦、帝国大厦，画满卢浮 宫、布达拉宫，画满哈利法塔、金字塔，甚至画满南极的冰原、月球的陨坑辽阔一词很少 用来

3、形容一副绘画，但在这里却成了无比贴切的词汇。不仅如此，每一幅作品都各具特色， 没有重复，就像世上没有两片相同的树叶一样这是多么美妙的想往，这又多么难以实 现。既然是自动完成的，那什么样的超级机器人才能担此重任？可实际上并不需要什么超 级机器人，执行此项任务的机器人，其硬件结构简单得可能令你意料不到，实现如此复杂的 任务全在于控制系统，发明人设计了这样一个控制系统，能使这一梦想更加贴近现实，这就 是-群机器人绘图系统。 0003 群体的力量是惊人的，这力量可以开凿划分大陆的苏伊士运河，可以修筑气势磅 礴的万里长城。群体的力量遍布自然界中，蜂群、蚁群的威力令人无比赞叹，而这力量竟来 自一个个小小的

4、昆虫。大量结构简单的机器人进行合作也能够展现出很多强大的功能，如 大范围搜索、监视、搬运、建筑、组队表演等等，很多功能是大型单体机器人望尘莫及的，这 使其在工业、农业以及人们日常生活中都有着广泛的应用空间，也使得群机器人技术应运 而生。 0004 群机器人技术是机器人技术的一个崭新的发展方向，该技术以其特有的性能优势 迅速占领科技发展的前沿。群机器人系统是特殊的多机器人系统，由许多无差别的自治机 器人个体（以下将机器人个体简称为个体）组成。该系统具有如下特征： 1) 系统包含大量个体，个体数量的下限无明确规定，但多数观点是至少在10?20个 体的水平（Sahin E. Swarm roboti

5、cs: from sources of inspiration to domains of application C. Proc of the SAB Workshop on Swarm Robotics, Santa Monica, USA, 2004: 10-20)； 2) 没有中心协调机制； 3) 个体种类较少，而每个种类中个体的数量较多； 4) 机器人个体的行为比较简单、能力有限，需要大量机器人的合作才能完成任务； 5) 个体机器人只有局部感知与通信能力，以保证机器人间分布式的协调。 0005 群机器人按照一定模式自组织成复杂的系统，个体数量可任意调整，群体可通过 相互协作共同实现特

6、定功能，系统中的所有个体是分布式联系与协作的，具有典型的分布 式系统特征。系统由大量个体并行运行，有着速度与效率上的优势。系统中的个体是自治 的，在执行任务的过程中可相互替换或弥补对方的空缺，是高度冗余的，因此系统性能不会 因为一个或几个机器人的故障而受到影响，抗环境扰动，系统稳健性强。大量分布的个体感 知还可以增加整个系统的总信噪比。群机器人系统具有柔性，规模可伸缩，形体可变化，控 制群体的协调机制不会受群体规模变化的影响，对于变化的任务采取变化的协调策略，工 作灵活，能够动态适应复杂的环境。系统中大量同类型的机器人结构与控制机制都相同， 可模块化设计，执行复杂的任务时个体结构却可以很简单，

7、易于制造与维护，适合大规模生 产，具有经济性。虽然个体能力可能有限，但个体间可通过组织协作实现复杂操作，其强大 功能是依靠群体协作体现出来的。 0006 将群机器人用于绘图，不仅可以绘制超大幅图画，对大型场地、建筑、物体表面以 及人员无法涉足场地的喷绘变得容易，而且可绘制出别具一格的图案。图14-图28显示了 群机器人绘图的效果。【发明内容】 0007 发明主要包括三个方面的内容：1)群机器人绘图系统原理，绘图基因、绘图表达与 绘图变异；2)集群模式的群机器人绘图系统原理；3)群机器人绘图系统仿真程序的原理。 0008 群机器人绘图系统的工作原理是移动式群机器人在绘图基因的控制下，以一定模 式

8、、有组织地通过绘图表达进行群体协作绘图。绘图基因控制机器人个体的移动轨迹、绘制 时机以及笔迹样式(包括笔迹的粗细、颜色、样式)。个体能够在二维平面或曲面内平移、爬 壁，或在三维空间中移动，能够感知与其他个体的间距，能够在有限范围内与其他个体相互 通信，相互作用，能够感知外界环境。环境影响与单体间相互影响不仅作用于机器人个体的 运动行为，也作用于其绘图行为，以致改变其绘图模式。单体具有喷绘或涂写装置，在移动 过程中绘制其移动轨迹，由全部个体的轨迹组成最终图形。由大量个体组成的群机器人可 快速绘制大面积区域、表面和场地，可绘制各种简单、复杂的图形，甚至可以绘制分形图案， 其绘制的图案具有独特的风格

9、和艺术效果，具有审美价值。 0009 由于群机器人绘图系统实体设备数量庞大，发明人无法以个人力量加工制造，在 发明中，系统的运行在计算机仿真群机器人平台上进行。因此，发明也包括一套群机器人仿 真程序，然后将系统的软件控制部分加载其上，形成群机器人绘图系统仿真平台，控制仿 真群机器人进行各种特定的绘图操作，也成为群机器人绘图效果预演的手段。尽管在发 明中绘图基因存在于虚拟群机器人对象中，但可以直接移植到真实的群机器人设备上。此 夕卜，绘图效果的预演功能为群机器人绘图活动提供经济、便捷、高效和优质的调试途径。此 次专利申请的权利要求不包括源代码，因此在申请过程中不提供上述仿真程序的源代码。 001

10、0 群机器人绘图系统的是一种分布式自动控制系统，其设计理念简述如下： 群机器人绘图系统的每一个体上都存在一份完整且完全相同的控制程序，程序设计成 片段组合的结构，一个程序片段对应一种行为，机器人个体运行中时刻表现某一种行为(执 行某一个程序片段的结果)，或某几种行为(个体的微控制器并行执行多个程序片段的结 果)，且在不同行为间切换，时刻开启或结束某个行为。个体在不同条件下选择执行不同的 程序片段，表现出不同的行为方式，全部个体的选择式行为表达从整体上描绘出一定模式 的构图结果。当存在多个群体进行绘图，不同群体之间可以相互协调，组成更为复杂的机 构，完成更为复杂的绘画。因此，群机器人绘图系统的绘

11、画构图结果是微观上存在于每一个 体中的程序片段选择性执行的宏观整体表达，这很像生物体的基因与表达，因此相应地提 出群机器人绘图系统的绘图基因与绘图表达两个概念。一段绘图基因就是代表一种 行为模式的程序片段，该程序片段被执行即绘图基因启动，该程序片段被终止执行即绘图 基因关闭。在仿真程序中，绘图基因的启动通过设置个体行为属性的方式实现，行为属性的 改变导致个体运行状态相应的改变，不同的运行状态被编号，即行为属性值。一段绘图基因 可以分解成多段更小的绘图基因，反之，多个绘图基因也可以组成一段更大的绘图基因。而 绘图表达是绘图基因启动时个体表现出的特定行为以及不同行为间的转换。单体的行为模 式有基本

12、行为和高级行为，前者包括：单体的移动、停止和绘制，移动包括平动与转动，后者 是通过前者表现出来的，如：吸引、排斥、间距调节、集结、跟随、合队、分队、归队、绘图变异 等行为。个体在工作中不断在各种行为间转换，称为行为转换，行为转换有三种：1)条件行 为转换，2)随机行为转换，3)人工行为转换。其中，随机行为转换是个体按照当时设定的模 式，在随机的时间转换自身行为；条件行为转换是个体按照当时设定的绘图模式，在特定条 件下，如行进步长、旋转角度、其他个体影响、外部环境影响等满足一定条件，个体转换自身 行为；人工行为转换是由用户通过系统输入端直接发出指令，直接转换个体行为，或改变个 体绘图模式进而影响

13、其绘图行为。 0011 发明人设计了一些基础的绘图基因，可以使个体表达前面提到的各种基本行为与 高级行为。用户加入自创的绘图基因，或更改原有绘图基因，可以创造自己独特的图案，丰 富绘图样式，发明人将这种过程命名为绘图变异。发明人自行设计了六种绘图变异，分别 命名为：圆形果实、螺旋果实、礼花、旋花、海棠果、二叉树。 0012 将平衡间距规则与聚集规则加入群机器人的绘图基因中，即形成集群模式的群机 器人绘图系统，聚集规则可以将移动中的群机器人集结成一定队形，平衡间距规则使个体 间保持一定间距，很像自然界中的鱼群、鸟群，在这种系统中，群机器人形成更高级的有机 整体。机器人个体具有近距离与远距离两种传

14、感器，前者负责调节个体间距，图7显示了个 体间距调节的流程，即平衡间距规则。后者负责个体脱离群体较远时，远距离感知群体大 致方位且向其靠拢，即聚集规则，在计算机仿真中，此方位由群体的中心聚合位置体现，图6 显示了中心聚合位置计算的流程。由于集群模式绘图过程要求群机器人进行保持队形与绘 图两项操作，这两项操作有时不能同时进行，比如进行脱队绘图，此时将个体分为带队者和 绘图者两类。带队者专司维持队伍的存在，因此队伍需要保持一定数量的带队者，以形成聚 合中心，防止队伍散掉，带队者始终处于行进状态(个体无任何任务时的漫游状态)。绘图者 专司脱队绘图，在脱队绘图任务启动时脱离队伍，由带队者变成绘图者，在

15、脱队绘图任务完 成时回归队伍，又变回带队者，因此绘图者具备归队功能，通过个体对群体的定位与追赶操 作实现这一功能。当有多个带队者时，定位操作取其定位信号的均值。定位信号可通过光 学、超声的方式实现。带队者不进行随机行为转换，原则上带队者也不会出现条件行为转 换。集群模式的群机器人还加入了分队与合队的功能，发明人设计的二叉树变异绘图就具 有这两项功能，如图13所示。【专利附图】【附图说明】 0013 图1 :仿真程序总顺序图；图2 :系统初始化流程；图3 :放置群机器人对象流程； 图4 :总循环的一轮流程；图5 :环境影响模拟流程；图6 :中心聚合位置计算流程；图7 :个 体间距调节流程；图8

16、:总循环的一轮流程（圆形果实模式）；图9 :总循环的一轮流程(螺旋 果实模式）；图10 :总循环的一轮流程(礼花模式）；图11 :总循环的一轮流程(旋花模式）；图 12 :总循环的一轮流程(海棠果模式）；图13 :总循环的一轮流程(二叉树模式）；图14 :圆形 果实绘图效果；图15 :螺旋果实绘图效果；图16 :礼花绘图效果；图17 :旋花绘图效果；图 18 :海棠果绘图效果；图19 :二叉树绘图效果；图20 :加入行进状态个体的轨迹绘制；图 21 :群机器人绘图过程；图22 :群机器人绘图过程；图23 :群机器人绘图作品（经后期处理)； 图24 :群机器人绘图作品（经后期处理);图25 :群机器人绘图的其他艺术效果-烙岩；图 26 :群机器人绘图的其他艺术效果-波涛；图27 :群机器人绘图的其他艺术效果-中 枢神经；图28 :群机器人绘图的其他艺术效果-黑色蒲公英。 说明书附图中的