第五章 多机器人系统(2008.7.4)
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
A
K 1 sin d + dK 2 cos d K 2 l 2 dK 2 sin d K 1 cos d 2 A= ( ) +( ) d d
dK 2 sin d K1 cos d ) B = arctan( K 1 sin d + dK 2 cos d K 2 l
2010-5-8
2010-5-8
29
图示
旋转中心点 y轴正方向
d
机器人前进正方向
γ θ2
R2
参考点 机器人前进正方向
l
R1
旋转中心点
方 l正 向
θ1 d
x轴正方向
参考点
2010-5-8
30
算法描述
l , 控制律: l = α (l l )
1 d
= α 2 ( d )
控制输出: cos γ ω2 = [α 2l ( d ) v1 sin dω1 cos + lω1 + ρ sin γ ] d
v 2 = ρ + d ω 2 tan γ v1 cos d ω1 sin α 1 (l d l ) ρ= + cos γ cos γ cos γ
2010-5-8
31
基本稳定性结论
定理1: 定理 若leader-follower编队系统遵循 l 闭环控制 律,l 和 是渐近稳定的. 定理2: 令 δ = θ 1 θ 2 , δ 为leader与follower之间的迎角 定理 差, 若leader以 v1 = 0, ω1 = 0 的模式进行运动, δ 指数收 敛到0.
2010-5-8 16
性能评价
由于多机器人系统所需完成的各种任务的要求, 目标的不同,对同一多机器人系统性能的评价 也不一致.如何来确立多机器人系统性能评价 的标准是一个有意义的问题. 对于多机器人系统的性能评价主要集中于系统 的模块化,可扩展性,并行性,可维护性,灵 活性,实时性,可靠性以及系统的效率等某一 方面或某几方面问题的定性研究,定量分析. 通常来说,多机器人系统的定量分析较定性分 析更难一些.
ri i = 1,2, N vL
2010-5-8
37
有序化群集运动控制律 u i为:
ui =
j∈N i
∑ ri Vij ri + v L
αi
ai
α a 其中, i为平衡agent之间速度的控制矢量项,i 为控 制agent之间距离的控制矢量项.
Vij 可以选择为:
Vij = A ( L2 rij
2
+ log rij
2
)
2010-5-8
38
定理4: 定理 : 考虑一个由 N个follower组成的群,跟随一个leader进行运动 ,follower动力学特性控制律如前所述.假设由agent (leader 和followers)组成的群的邻接图 G是连通的(意即没有一个 agent孤立于群系统之外),那么互连的agent之间可以实现 避碰,并且所有agent的速度将渐近地收敛于leader的速度 ,群内部的总势能将达到最小,群形状将趋于稳定.
群集(Flocking)表示"群"中的各成员以某 种方式聚合在一起共同运动的团队行为.群集 本质上是一种从自然界中获取灵感的仿生学方 法,群集行为广泛存在于自然界中,例如,飞 鸟在空中的聚集,编队飞行,鱼群在水中的游 动等.这些物质群自然地组织与运动,在运动 中达到整体上的动态稳定,这些形式上不同的 群体运动,在广义上都是一种群集(Flocking) 行为.
33
l 闭环控制律下的三机器人协调运动轨迹
机器人编队由三角编队变为一字编队,多机器人编队系 统以此状态保持稳定运行.运用此方法,多机器人编队 系统可以作其他角度的队形保持和队形变换实验(如柱 状编队: 01 =0°, 02 =180°),具有可重复性.
2010-5-8 34
5.5 基于群集控制律的多移动 机器人运动协调
2010-5-8
25
移动机器人智能体内部结构
2010-5-8
26
移动机器人智能体内部软件结构
移动机器人智能体 (软件部分)
相关机器人位置数据 本地机器人位置数据 广播通信
UDP接收模块 UDP发送模块 自定位模块
相关机器人 位置数据
本地机器人 位置数据
本地机器人位置数据
控制 指令
人机 接口
本机指令
2010-5-8 5
群智能机器人系统
Collective Robotics 实验系统
该系统将许多简单的机器人组织成一个团体 来完成一些有意义的工作,例如:推箱子
2010-5-8
6
群智能机器人系统
The Nerd Herd 系统
由20个机器人组成,机器人上装有抓手,红 外传感器和接触传感器,可用于大规模机器 人群行为实验.
2010-5-8 36
基于Agent(质点模型)的有序化群集运动
考虑一个包含 N 个follower的群,follower的动力学方程为:
vi = ui
ri = vi
i = 1,..., N
follower i 相对于leader的运动学方程可写为:
d ri = dt ri u i
2010-5-8
32
基本稳定性结论
定理3: 定理 令 δ = θ1 θ 2 , δ 为leader与follower之间的迎角 K 差,若leader以 v1 = K1 , ω1 = K 2 的模式进行运动,(K1 , 2 K2 e δ 为常数),δ 渐近收敛到常数, = d + B + arccos( ) , 其中:
23
国内研究综述 上海交通大学(席裕庚,陈卫东,曹其新) 中科院自动化所(谭民) 中科院沈阳自动化所(谈大龙,王越超) 哈尔滨工业大学(洪炳熔) 中南大学(蔡自兴)
2010-5-8
24
5.3 基于智能体通信的多移动 机器人协调控制体系结构
面向多移动机器人系统,提出一类基于 智能体通信机制的协调体系结构,基于 此类结构设计的多移动机器人系统不受 环境约束,适合各种任务,该体系结构 以多智能体理论为基础,结合多线程技 术和双通道通信技术,可以有效实现移 动机器人之间的协调运动与作用.
更广泛的任务领域 容错 鲁棒性 更低的经济成本 分布式的感知与作用 内在的并行性
2010-5-8 3
几种典型的多机器人系统
群智能机器人系统 自重构机器人系统 协作机器人系统 机器人足球赛
2010-5-8
4
群智能机器人系统
群智能机器人机器人系统是由许多无差别的自 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. 在自然界的蚂蚁,蜜蜂等昆虫群体中,个体的 能力有限,但从它们的交互中却呈现了智能行 为. 通过人工模拟昆虫社会,有助于群智能机器人 系统的研究.
2010-5-8 35
群集的意义
群集运动用一个"势场"概念统一了诸如编队保持, 奔向目标点,避障等各子行为,使得运动协调的过 程更加接近于现实的物质世界;而对"势场"进行 精确量化又使得群集运动成为一种可度量的运动协 调模式(能够计算出一定的编队拓扑构形,研究系 统稳定性等).而相对于个体之间距离与夹角关系 固定的运动协调模式,群内部个体之间的几何关系 更加灵活,其队形会根据系统初始状态与外界环境 的变化进行实时调整.群集运动灵活的组合形式, 使其更能适应真实环境下的任务,这也与自然界中 的"群"行为是和谐一致的.
2010-5-8
21
基于分布式系统的多移动机器人控制理论
分布式计算理论 基于Petri网的多机器人建模与控制理论
2010-5-8
22
基于生物学的多移动机器人控制理论
基于生物学的多机器人协调控制原理:应用一 些从生物社会中得到的简单控制规则,在多机 器人系统中开发相似的行为. 基于行为的控制方法
2010-5-8
动作生成模块 TCP接收模块 TCP发送模块
对话通信
本地机器人对话信息 相关机器人 对话信息
相关机器人对话信息 本地机器人对话信息
本地机器人 对话信息
2010-5-8
27
基于智能体通信的多移动机器人运动 协调系统
无线网络 相关机器人 位姿信息 机器人位姿 传感系统 运动控制模块 (运动协调算 法) 通信模块
2010-5-8
39
从Agent到移动机器人的控制转化方法
该控制转换方法的基本原理是:将agent的直接控 制量输入 u i,转化为移动机器人的直接控制量输 入v i 和 ωi .u i可以被认为是作用于移动机器人上 的所有虚拟力的合力.
2010-5-8
7
自重构机器人系统
自重构机器人:以一些具有不同功能的 标准模块为组件,根据任务的需要,对 这些模块进行组合,进而形成具有不同 功能的系统. CEBOT
2010-5-8
8
协作机器人系统
协作机器人系统是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 信实现相互间的协作,以完成复杂的任 务. 中科院沈阳自动化所的MRCAS协作装配 系统
分布式:各机器人之间的关系是平等的. 分层式:介于集中式结构与分布式结构之间 的一种混合结构
2010-5-8
12
感知
智能机器人的感知包括感觉和理解两方面问题. 在多机器人系统当中,由于各机器人分散于环 境当中,整个系统获取的信息更加丰富.在一 些需要多机器人合作进行的工作中,各机器人 不仅仅需要处理本身传感器所获得的信息,而 且需要将其它机器人的传感信息与自身传感信 息进行融合以获得对外部环境的正确理解.
第五章 多机器人系统
目录
5.1 引言 5.2 多移动机器人系统 5.3 基于智能体通信的多移动机器人协调控制 体系结构 5.4 基于闭环控制律的多移动机器人运动协调 5.5 基于群集控制律的多移动机器人运动协调 5.6 研究展望
2010-5-8 2
5.1 引言
多机器人技术(multiple robotics)是机器人学 发展的一个新方向 多机器人系统有以下显著特性:
2010-5-8
13
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 器人了解其它机器人的意图,目标和动 作,以及当前环境状态等信息,进而进 行有效地磋商,协作完成各项任务.
隐式通信 显式通信
2010-5-8
14
协调协作机制
多机器人系统研究中的一个重要问题就 是如何实现各机器人之间的协调协作. 多机器人系统的协调协作机制与系统的 群体体系结构,个体体系结构,感知, 通信和学习等方面的研究密切相关.
2010-5-8
15
分层分级协作
在实际的应用中,各层次的协调协作控 制并不一定单独存在于系统中,多机器 人系统通常因任务的需求而包含了多个 不同层次的协调协作控制.许多协调协 作算法,规则可以应用于不同层次上系 统的控制与交互.由不同层次的协调协 作算法,协议构建而成的多机器人系统 协调协作机制可以有效地提高系统效率, 增强系统容错性.
2010-5-8 19
基于常规控制算法的多移动机器人控制理论
经典反馈控制律 分散式系统控制理论 ISS (Input-to-State Stability)理论和LFS (Leaderto-Formation Stability)理论
2010-5-8
20
基于分布式人工智能的多移动机器人控制理论
分布式的问题解决(DPS) MAS(Multi-Agent System)理论
自定位模块 本地机器人位姿信息
机器人 驱动电机
运动控制器
下一周期本地机器人控制输出( v, ω )
2010-5-8
28
5.4 基于闭环控制律的多移动 机器人运动协调
基于闭环控制律的多移动机器人编队算 法,其控制目的为:在机器人编队运行 时,控制机器人之间的相对距离和相对 (方位)角度,使之收敛并保持为设定 值.
2010-5-8 17
5.2 多移动机器人系统
由于移动机器人在多机器人系统中最具 一般性和普适性,也是多机器人系统应 用领域不断扩展下的主要需求之一,因 此,本章以移动机器人为具体对象,对 多机器人系统展开讨论.
2010-5-8
18
多移动机器人控制系统的理论研究
基于常规控制算法的多移动机器人控制理论 基于分布式人工智能的多移动机器人控制理论 基于分布式系统的多移动机器人控制理论 基于生物学的多移动机器人控制理论 国内研究综述
2010-5-8
9
机器人足球赛
在机器人足球赛中,不同的机器人之间 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;且协作的 实时性强. RoboCup
ຫໍສະໝຸດ Baidu2010-5-8
10
多机器人系统研究的主要内容
群体体系结构 感知 通信 协调协作机制 性能评价
2010-5-8
11
群体体系结构
集中式:通常有一个主控机器人. 分散式:没有主控机器人存在.
K 1 sin d + dK 2 cos d K 2 l 2 dK 2 sin d K 1 cos d 2 A= ( ) +( ) d d
dK 2 sin d K1 cos d ) B = arctan( K 1 sin d + dK 2 cos d K 2 l
2010-5-8
2010-5-8
29
图示
旋转中心点 y轴正方向
d
机器人前进正方向
γ θ2
R2
参考点 机器人前进正方向
l
R1
旋转中心点
方 l正 向
θ1 d
x轴正方向
参考点
2010-5-8
30
算法描述
l , 控制律: l = α (l l )
1 d
= α 2 ( d )
控制输出: cos γ ω2 = [α 2l ( d ) v1 sin dω1 cos + lω1 + ρ sin γ ] d
v 2 = ρ + d ω 2 tan γ v1 cos d ω1 sin α 1 (l d l ) ρ= + cos γ cos γ cos γ
2010-5-8
31
基本稳定性结论
定理1: 定理 若leader-follower编队系统遵循 l 闭环控制 律,l 和 是渐近稳定的. 定理2: 令 δ = θ 1 θ 2 , δ 为leader与follower之间的迎角 定理 差, 若leader以 v1 = 0, ω1 = 0 的模式进行运动, δ 指数收 敛到0.
2010-5-8 16
性能评价
由于多机器人系统所需完成的各种任务的要求, 目标的不同,对同一多机器人系统性能的评价 也不一致.如何来确立多机器人系统性能评价 的标准是一个有意义的问题. 对于多机器人系统的性能评价主要集中于系统 的模块化,可扩展性,并行性,可维护性,灵 活性,实时性,可靠性以及系统的效率等某一 方面或某几方面问题的定性研究,定量分析. 通常来说,多机器人系统的定量分析较定性分 析更难一些.
ri i = 1,2, N vL
2010-5-8
37
有序化群集运动控制律 u i为:
ui =
j∈N i
∑ ri Vij ri + v L
αi
ai
α a 其中, i为平衡agent之间速度的控制矢量项,i 为控 制agent之间距离的控制矢量项.
Vij 可以选择为:
Vij = A ( L2 rij
2
+ log rij
2
)
2010-5-8
38
定理4: 定理 : 考虑一个由 N个follower组成的群,跟随一个leader进行运动 ,follower动力学特性控制律如前所述.假设由agent (leader 和followers)组成的群的邻接图 G是连通的(意即没有一个 agent孤立于群系统之外),那么互连的agent之间可以实现 避碰,并且所有agent的速度将渐近地收敛于leader的速度 ,群内部的总势能将达到最小,群形状将趋于稳定.
群集(Flocking)表示"群"中的各成员以某 种方式聚合在一起共同运动的团队行为.群集 本质上是一种从自然界中获取灵感的仿生学方 法,群集行为广泛存在于自然界中,例如,飞 鸟在空中的聚集,编队飞行,鱼群在水中的游 动等.这些物质群自然地组织与运动,在运动 中达到整体上的动态稳定,这些形式上不同的 群体运动,在广义上都是一种群集(Flocking) 行为.
33
l 闭环控制律下的三机器人协调运动轨迹
机器人编队由三角编队变为一字编队,多机器人编队系 统以此状态保持稳定运行.运用此方法,多机器人编队 系统可以作其他角度的队形保持和队形变换实验(如柱 状编队: 01 =0°, 02 =180°),具有可重复性.
2010-5-8 34
5.5 基于群集控制律的多移动 机器人运动协调
2010-5-8
25
移动机器人智能体内部结构
2010-5-8
26
移动机器人智能体内部软件结构
移动机器人智能体 (软件部分)
相关机器人位置数据 本地机器人位置数据 广播通信
UDP接收模块 UDP发送模块 自定位模块
相关机器人 位置数据
本地机器人 位置数据
本地机器人位置数据
控制 指令
人机 接口
本机指令
2010-5-8 5
群智能机器人系统
Collective Robotics 实验系统
该系统将许多简单的机器人组织成一个团体 来完成一些有意义的工作,例如:推箱子
2010-5-8
6
群智能机器人系统
The Nerd Herd 系统
由20个机器人组成,机器人上装有抓手,红 外传感器和接触传感器,可用于大规模机器 人群行为实验.
2010-5-8 36
基于Agent(质点模型)的有序化群集运动
考虑一个包含 N 个follower的群,follower的动力学方程为:
vi = ui
ri = vi
i = 1,..., N
follower i 相对于leader的运动学方程可写为:
d ri = dt ri u i
2010-5-8
32
基本稳定性结论
定理3: 定理 令 δ = θ1 θ 2 , δ 为leader与follower之间的迎角 K 差,若leader以 v1 = K1 , ω1 = K 2 的模式进行运动,(K1 , 2 K2 e δ 为常数),δ 渐近收敛到常数, = d + B + arccos( ) , 其中:
23
国内研究综述 上海交通大学(席裕庚,陈卫东,曹其新) 中科院自动化所(谭民) 中科院沈阳自动化所(谈大龙,王越超) 哈尔滨工业大学(洪炳熔) 中南大学(蔡自兴)
2010-5-8
24
5.3 基于智能体通信的多移动 机器人协调控制体系结构
面向多移动机器人系统,提出一类基于 智能体通信机制的协调体系结构,基于 此类结构设计的多移动机器人系统不受 环境约束,适合各种任务,该体系结构 以多智能体理论为基础,结合多线程技 术和双通道通信技术,可以有效实现移 动机器人之间的协调运动与作用.
更广泛的任务领域 容错 鲁棒性 更低的经济成本 分布式的感知与作用 内在的并行性
2010-5-8 3
几种典型的多机器人系统
群智能机器人系统 自重构机器人系统 协作机器人系统 机器人足球赛
2010-5-8
4
群智能机器人系统
群智能机器人机器人系统是由许多无差别的自 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. 在自然界的蚂蚁,蜜蜂等昆虫群体中,个体的 能力有限,但从它们的交互中却呈现了智能行 为. 通过人工模拟昆虫社会,有助于群智能机器人 系统的研究.
2010-5-8 35
群集的意义
群集运动用一个"势场"概念统一了诸如编队保持, 奔向目标点,避障等各子行为,使得运动协调的过 程更加接近于现实的物质世界;而对"势场"进行 精确量化又使得群集运动成为一种可度量的运动协 调模式(能够计算出一定的编队拓扑构形,研究系 统稳定性等).而相对于个体之间距离与夹角关系 固定的运动协调模式,群内部个体之间的几何关系 更加灵活,其队形会根据系统初始状态与外界环境 的变化进行实时调整.群集运动灵活的组合形式, 使其更能适应真实环境下的任务,这也与自然界中 的"群"行为是和谐一致的.
2010-5-8
21
基于分布式系统的多移动机器人控制理论
分布式计算理论 基于Petri网的多机器人建模与控制理论
2010-5-8
22
基于生物学的多移动机器人控制理论
基于生物学的多机器人协调控制原理:应用一 些从生物社会中得到的简单控制规则,在多机 器人系统中开发相似的行为. 基于行为的控制方法
2010-5-8
动作生成模块 TCP接收模块 TCP发送模块
对话通信
本地机器人对话信息 相关机器人 对话信息
相关机器人对话信息 本地机器人对话信息
本地机器人 对话信息
2010-5-8
27
基于智能体通信的多移动机器人运动 协调系统
无线网络 相关机器人 位姿信息 机器人位姿 传感系统 运动控制模块 (运动协调算 法) 通信模块
2010-5-8
39
从Agent到移动机器人的控制转化方法
该控制转换方法的基本原理是:将agent的直接控 制量输入 u i,转化为移动机器人的直接控制量输 入v i 和 ωi .u i可以被认为是作用于移动机器人上 的所有虚拟力的合力.
2010-5-8
7
自重构机器人系统
自重构机器人:以一些具有不同功能的 标准模块为组件,根据任务的需要,对 这些模块进行组合,进而形成具有不同 功能的系统. CEBOT
2010-5-8
8
协作机器人系统
协作机器人系统是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 信实现相互间的协作,以完成复杂的任 务. 中科院沈阳自动化所的MRCAS协作装配 系统
分布式:各机器人之间的关系是平等的. 分层式:介于集中式结构与分布式结构之间 的一种混合结构
2010-5-8
12
感知
智能机器人的感知包括感觉和理解两方面问题. 在多机器人系统当中,由于各机器人分散于环 境当中,整个系统获取的信息更加丰富.在一 些需要多机器人合作进行的工作中,各机器人 不仅仅需要处理本身传感器所获得的信息,而 且需要将其它机器人的传感信息与自身传感信 息进行融合以获得对外部环境的正确理解.
第五章 多机器人系统
目录
5.1 引言 5.2 多移动机器人系统 5.3 基于智能体通信的多移动机器人协调控制 体系结构 5.4 基于闭环控制律的多移动机器人运动协调 5.5 基于群集控制律的多移动机器人运动协调 5.6 研究展望
2010-5-8 2
5.1 引言
多机器人技术(multiple robotics)是机器人学 发展的一个新方向 多机器人系统有以下显著特性:
2010-5-8
13
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 器人了解其它机器人的意图,目标和动 作,以及当前环境状态等信息,进而进 行有效地磋商,协作完成各项任务.
隐式通信 显式通信
2010-5-8
14
协调协作机制
多机器人系统研究中的一个重要问题就 是如何实现各机器人之间的协调协作. 多机器人系统的协调协作机制与系统的 群体体系结构,个体体系结构,感知, 通信和学习等方面的研究密切相关.
2010-5-8
15
分层分级协作
在实际的应用中,各层次的协调协作控 制并不一定单独存在于系统中,多机器 人系统通常因任务的需求而包含了多个 不同层次的协调协作控制.许多协调协 作算法,规则可以应用于不同层次上系 统的控制与交互.由不同层次的协调协 作算法,协议构建而成的多机器人系统 协调协作机制可以有效地提高系统效率, 增强系统容错性.
2010-5-8 19
基于常规控制算法的多移动机器人控制理论
经典反馈控制律 分散式系统控制理论 ISS (Input-to-State Stability)理论和LFS (Leaderto-Formation Stability)理论
2010-5-8
20
基于分布式人工智能的多移动机器人控制理论
分布式的问题解决(DPS) MAS(Multi-Agent System)理论
自定位模块 本地机器人位姿信息
机器人 驱动电机
运动控制器
下一周期本地机器人控制输出( v, ω )
2010-5-8
28
5.4 基于闭环控制律的多移动 机器人运动协调
基于闭环控制律的多移动机器人编队算 法,其控制目的为:在机器人编队运行 时,控制机器人之间的相对距离和相对 (方位)角度,使之收敛并保持为设定 值.
2010-5-8 17
5.2 多移动机器人系统
由于移动机器人在多机器人系统中最具 一般性和普适性,也是多机器人系统应 用领域不断扩展下的主要需求之一,因 此,本章以移动机器人为具体对象,对 多机器人系统展开讨论.
2010-5-8
18
多移动机器人控制系统的理论研究
基于常规控制算法的多移动机器人控制理论 基于分布式人工智能的多移动机器人控制理论 基于分布式系统的多移动机器人控制理论 基于生物学的多移动机器人控制理论 国内研究综述
2010-5-8
9
机器人足球赛
在机器人足球赛中,不同的机器人之间 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;且协作的 实时性强. RoboCup
ຫໍສະໝຸດ Baidu2010-5-8
10
多机器人系统研究的主要内容
群体体系结构 感知 通信 协调协作机制 性能评价
2010-5-8
11
群体体系结构
集中式:通常有一个主控机器人. 分散式:没有主控机器人存在.