异构多机器人系统协同技术研究

【摘要】：随着机器人技术的发展和能力的不断提高,机器人应用于更广泛的领域,特别是一些枯燥的、危险的、肮脏的或人类无法进入的特殊场合,满足核泄漏检测、火星探险、矿井作业及军事反恐等应用需求。 多机器人系统在功能、结构和应对复杂、未知、危险环境和任务等方面明显优于单智能机器人,但同时由于其复杂性、动态性、时变性及耦合性的增加也给设计和分析带来一些问题,因此多机器人的相互协调和协作显得至关重要。 针对异构多机器人系统的协同技术的研究问题,本文的主要工作主要集中在以下五个方面： 第一,多机器人系统的基础现状与发展趋势研究。对多机器人系统的任务分配、基于网络的多机器人协作、演化发育机器人方法论、机器人基础软件平台进行了阐述,对多机器人系统在军事领域的应用作了调研和分析,特别是对本文涉及的具体内容、研究现状、应用情况、未来发展规划和热点问题做了重点论述。 第二,时空受限的复杂环境中机器人协同技术研究。提出了动态熟人网络以便维护机器人间的关联关系,机器人间的熟悉度将用于任务的间接代价估计及竞标；采用时间约束的与或任务树对复杂任务进行建模,同时引入相应的任务代价评估方法；为支持该类型任务树及直接/间接任务竞拍,本文采用一种增强的拍卖定锤决标方法。在面向灾害应急的一系列仿真及实物实验中,设定不同参数以评估与比较系统性能。 第三,机器人协作行为的自主演化技术研究。采用人工演化技术合成物理异构多机器人系统的控制器,使个体间表现出协作行为；研究在没有人类干预的情况下,具有不同能力的机器人演化出适应各自能力的控制策略,使协作行为效率最大化。在仿真实验中,比较了有协作与无协作之间的系统性能,研究了虚拟抓手对演化收敛速度的影响,分析了子种群代表挑选方法及采用共享或独立适应度函数对协作行为合成的影响。 第四,基于服务的网络机器人系统的普适协作技术研究。首先引入语义地图和服务抽象与定义的基本概念；其次,为自动生成可行的服务构造以便执行具体不同任务,提出了服务的构造与重构算法；再次,提出服务推理与使能过程解决服务不可用问题；为方便服务构造的选择,提出了服务构造的代价评估函数。在实物及仿真环境中采用不同的参数设置,对服务框架进行了测试评估。 最后,智能微小型地面机器人群体协同系统研究。以特种作业任务为背景,大规模的智能机器人组成的、通过无线组网技术连接的、具有一定作业功能的地面机器人群体协同系统通过协调和协作完成单机器人无法满足或难以完成的全天候大范围作业任务。提出了作业任务的目标导向的估价机制及快速代价评估方法,引入了一种能够对传感器的先验可信度进行实时修正的复杂环境下的多传感器目标识别方法,提供了机器人的无线组网、避障控制、编队控制等支撑技术的实现,实物演示验证了系统的协同作业能力。