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
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 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
2010-5-8
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.
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
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.
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.
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 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 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
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
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
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:
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 = uiri Βιβλιοθήκη vii = 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 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.
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.
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
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
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:
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
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.