面向任務的多機器人系統(tǒng)的組織設計研究.pdf

1、隨著計算技術的發(fā)展，多機器人技術研究的深入以及應用領域的不斷擴大，機器人應用的數(shù)量規(guī)模也在不斷擴大，國際上已經(jīng)開始研究100個以上機器人組成團隊時的協(xié)調合作問題。隨著機器人數(shù)量的增加，機器人之間的通信壓力和協(xié)調難度將會加大，使得關于機器人組織的形成以及基于機器人組織的求解機制等問題的研究變得越來越重要。 本論文結合總裝備部預研基金、國防科工委基礎科研項目以及江蘇省自然科學基金等項目，面向任務對大規(guī)模機器人組織設計中的相關問題進行

2、了研究，包括多機器人系統(tǒng)組織的研究框架、個體機器人體系結構設計、面向任務的機器人團隊組織模型、組織的形成方式、組織演化的模型分析、團隊運行的監(jiān)控等。論文所做的主要工作和研究成果如下： 1．基于機器人面向應用的觀點，從構建多機器人系統(tǒng)的目的出發(fā)，提出多機器人系統(tǒng)的研究可以從全局層、局部層和個體層三個層次來進行，并且利用給出的三層控制模型劃分了該領域中已提出的系統(tǒng)性能術語。 2．在動態(tài)環(huán)境下，面向任務的多機器人系統(tǒng)中的個體機

3、器人體系結構，應該突出機器人的實時反應能力、行為自主決策能力以及合作能力，而這三點在已知的典型體系結構中沒有全面地表現(xiàn)出來，特別是對行為決策能力。為此本文提出了基于行為的五層混合式機器人體系結構，分別是系統(tǒng)監(jiān)控、組織協(xié)調、行為決策、行為控制、反應五個層次。 3．將機器人移動過程中的行為與它到任務間的距離相聯(lián)系，給出了“狀態(tài)角色”的概念，提出根據(jù)狀態(tài)角色的不同而發(fā)送不同的信息，從而減少機器人之間交互的通信量；另外，狀態(tài)角色之間設置

4、有優(yōu)先級，便于機器人對任務的選擇以及實現(xiàn)管理者的更換。 4．給出多機器人的樹型層次化組織模型。根據(jù)任務將機器人劃分為不同的任務小組，一方面降低了機器人間的協(xié)調難度，便于對多機器人進行管理。另一方面，減少了彼此間的通信量。在機器人組織基于合同網(wǎng)的形成中，充分考慮機器人在動態(tài)環(huán)境下運行時的不確定性，提出機器人在同時滿足多個任務需求能力的前提下，進行任務組的投標時，不但要考慮距離，還應綜合考慮任務、環(huán)境以及自身狀況等各種因素，并且給出

5、了使用多屬性決策矩陣來進行任務組選擇的算法。管理員招標時，除了考慮機器人的能力外，還要考慮機器人對任務組選擇的不確定性，給出了基于熵的組成員篩選辦法，以減少維護組成員的不必要開銷。從某種意義上講完善了基于合同網(wǎng)協(xié)議的招投標過程，提高了合同網(wǎng)協(xié)議的招標效率以及任務的完成質量。 5．針對目前國內外關于機器人行為、團隊形成的研究大都停留在定性分析階段，缺乏對團隊合作隨環(huán)境、任務需求變化的動態(tài)過程描述及預測。本文給出兩個分析模型，不僅從

6、定性而且還從定量上對機器人的行為、系統(tǒng)的動態(tài)演化過程進行預測。一個模型是利用有限Markov鏈和進化計算，全面描述機器人團隊形成的動態(tài)演化模型。通過該模型，操作者不僅能整體、動態(tài)地把握機器人團隊的合作狀況，同時，還能夠依據(jù)模型的描述，對機器人團隊面臨新的任務需求時的合作關系和行為做出預測。另一個模型是機器人選擇任務組行為模型。利用該模型可以揭示機器人任務組選擇行為的演化規(guī)律，從而可以為系統(tǒng)提供實時信息，制定合理策略有效引導個體機器人的任