多机器人协作系统的设计与实现

随着科学技术的不断发展，机器人的能力不断提高，机器人的应用领域和范围在不断的扩展，与此同时，机器人的工作环境以及任务复杂度也在逐步上升，单个机器人越来越难以满足需求，而多机器人系统凭着其在任务适用性、经济性、最优性、鲁棒性、可扩展性等方面表现出极大的优越性，目前已成为机器人领域最为热门的研究课题之一，多机器人协调合作作为一种全新的机器人应用形式，正日益受到国内外的关注。

自上世纪40年代中，Walter Wiener和Shannon在研究龟型机器人时，就发现这些简单个体在互相作用中能反映出“复杂的群体行为”其后，80年代末建立了首个多智能体的多机器人系统，多机器人系统在应用和理论研究上都有了长足进展。[1]多机器人系统的最重要特征和关键指标最早由Noreils定义为:多个机器人协同工作,完成单个机器人无法完成的任务,或改善工作过程,并获得更优的系统性能。由此也能看出对比单个机器人，多机器人系统的巨大优势。正因为多机器人系统有着如此众多的优点，欧美各国都在多机器人系统领域上大量投入，如：美国国防高级研究计划局涉及到多机器人作战平台研究包括MARS-2020、TASK、TMR和SDR等,欧盟也很早开始研究多机器人协同搬运的MARTHA 项目，日本则将精力更多投入在仿生多机器人系统上。[2]相比国外，国内的多机器人系统研究起步较晚，但发展速度很快，各大高校都展开了各自的研究工作，并在国际多机器人足球赛上屡获佳绩，证明我国在多机器人的技术研究方面有了巨大进步。

根据协作机制的不同，多机器人系统可分为：无意识协作和有意识协作两类，无意识协作乃是数量众多的简单个体通过本地交换得到全局突现行为，从而获得高层协作行为，有意识协作则是，拥有全局目标且数量较少、个体智能水平较高的个体组成的多机器人系统，主要依赖规划提高效率，对通信要求较高，对协调控制机制依赖性大。无意识协作系统主要是模仿社会性生物群落的运行机制，适用于大空间、无时间要求的重复性任务，而有意识协作适用于更加复杂的任务。[2]

对于有意识协作的多机器人系统而言，必须具备以下三个特点：合理的系统体系结构、正确的环境感知能力、优化的决策控制能力。首先，系统体系结构定义了整个系统内的各机器人之间的相互关系和功能分配,确定了系统和各机器人之间的信息流通关系及其逻辑上的拓扑结构,决定了任务分解和角色分配、规划及执行等操作的运行机制,提供了机器人活动和交互的框架。在这方面国外提出了许多系统结构，如：日本Asama等提出的ACTRESS系统结构，美国学者Beni等研究的SW ARM系统结构等。[2]

然而对于任意一个系统体系结构，都必须有良好的组织结构、通信方式和控制结构，多机器人系统的组织结构可分为：集中控制结构和分散控制结构，而分散控制结构又可分为分布控制结构以及混合控制结构，集中式结构适合强协调任务，主机器人拥有完全控制权，此种结构实时性和动态性差，结构不灵活、鲁棒性差。分布式结构适合弱协调任务，该结构提高了拓展性和鲁棒性，但对通信要求较高，不保证全局最优解。混合式结构是集中式和分布结构的互补，提高了系统的灵活性和协调效率，但复杂性高，不易实现。[3] 对于通信方面来说，机器人之间的通信方式可分为隐式通行和显式通信，隐式通信利用机器人的行为对产生环境的变化来影响其他机器人的行为，显式通信则需要专用硬件通信设备以及复杂的信息表示模型。控制结构则可分为：反应式和慎思式。多机器人系统要实现优化决策,并获得良好的协调控制性能,必须依赖于准确可靠的环境感知能力，现在热门的重点是信息融合以及协同定位。多机器人的协作是从系统整体规划上减小冲突概率,减少资源浪费,保证系统的最优性.协作机制可以存在于机器人的控制结构、通信机制和相互作用中,并主要表现为任务分配问题机器人的任务分配问题在不同情况下可分别看作最优分配问、整数线性规划问题、调度问题、网络流问题和组合优化问题[4],其解决方法主要有基于行为的分配方法、市场机制方法、群体智能方法、基于线性规划的方法、基于情感招募的方法和基于空闲链的方法等。

多机器人系统拥有极其诱人的前景，未来它的应用领域必将越来越广，在工业，航天业，军事，医学等领域起到重要作用，然而目前还有众多问题尚待解决如：动态、未知环境下的任务动态分配和再分配问题,任务预测与任务分解问题以及异构大规模系统和复杂任务的任务分配问题等，可以预见的是多机器人系统必将给人类社会带来巨大的变革，多机器人系统的设计和实现是一项具有挑战性的工作，不管是理论还是实践技术上，都需要我们做更多的工作，

参考文献

[1]《面向任务的多机器人系统的组织设计研究》李淑琴南京理工大学2005

[2]《协作多机器人系统研究进展综述》国防科技大学.吴军,徐昕,连传强,贺汉根2011

[3]《多机器人系统协作研究》浙江大学董炀斌2006

[4]《多机器人系统》清华大学谭民王硕曹志强2005