11
群体机器人特性
自然界的生物群体 自然群体的特性 群体机器人系统要求 群体机器人系统特性
12
生物界的自然群体
13
自然群体的特性
泛中心化：没有集中控制 个体简单 自主行为能力 局部通信和控制能力 通过自组织形成群体行为 例如：修复巢穴，捕食，照顾幼崽等等
14
群体机器人系统要求
可扩展性（Scalability)
群体机器人简介
谭营教授
目录
什么是群体机器人 群体机器人演示 群体机器人项目 群体机器人一般模型 群体机器人算法举例
2
目录
什么是群体机器人
从机器人到机器人集群（Collective robotics） 从群体智能到群体机器人（Swarm Robotics） 群体机器人特性
群体机器人演示 群体机器人项目 群体机器人一般模型 群体机器人算法举例
39
iRobot Swarm Project
40
自动充电
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ41
目录
什么是群体机器人 群体机器人演示 群体机器人项目 群体机器人一般模型 自然界生物群体的协同能力 群体机器人个体的一般能力 群体机器人模型构建 群体机器人算法举例
42
自然界生物群体的协同能力
按复杂程度递增： 细菌
通过明确的化学信号实现协作
9
群体机器人
群体机器人的特长领域
处理放射性废料 探索未知星球 移动大型物体 灾后救援 军事应用 。。。
10
群体机器人
近年来，群体机器人研究得到越来越多的关 注。 有关的国际会议
IEEE Swarm Intelligence会议(2006年开始) Swarm Robotics会议(2004年开始) International Conference on Swarm Intelligence (ICSI 2010-Beijing, ICSI 2011-Chongqing, ICSI 2012-Shenzhen) IEEE CEC, ACM Gecco
58
机器人的连接
主要用于互相间的连接，以执行那些对于单 个机器人而言不可能完成的任务，如通过连 接跨越壕沟或台阶、用实体链接的机器人共 同探索环境等等。 这与传统的自重构机器人的研究有相通之处， 也为群体机器人的研究提供思路。
59
自组织与自组装
自组织是一种动态机制，由底层单元的交互 呈现出系统的全局性结构。交互的规则仅依 赖于局部信息，而不依赖于全局模式。 自组织是系统自身涌现的性质。仅通过利用 同一种媒介创建时间或空间上的结构。 自然界通过系统的自组织解决问题，譬如蚂 蚁筑巢、觅食等。理解生物系统如何自组织， 就可以模仿这种策略实现群体机器人系统的 自组织过程。
微观建模法
将机器人模拟为有限状态机
宏观建模法
系统行为被定义为差分方程，表示在某个时间步 处于每个特定状态的机器人平均个数。
扩展粒子群算法建模法
将粒子群算法模型作为机器人的行为控制模型
48
微观建模法与宏观建模法
宏观模型能够很快得到粗略的全局行为，微 观模型得到的全局行为更为实际，但耗时间 较长。 作为模型拓展，可以引入概率微观/宏观模型， 以模拟噪音和环境干扰。
56
群体机器人体系结构
体系结构提供机器人活动和交互的框架，决 定着机器人间的信息关系和控制关系。 群体体系结构是实现协作行为的基础，决定 机器人的合作能力。 群体机器人系统体系结构研究如何根据任务 类型、机器人个体能力等确定群体机器人的 规模及相互关系。
57
机器人定位
群体模式通过个体间的交互体现出来，而群 中并不存在全局的协作控制系统，这意味着 每个个体机器人都有自己的局部协作控制系 统，要具备在各自的局部协作系统框架内定 位相邻个体的能力，所以机器人对相邻个体 的快速准确定位是极为重要的。
3
什么是群体机器人
4
机器人集群
选择机器人集群原因
单个机器人很难（无法）解决问题 多个机器人可以提升性能 冗余性：问题可以更容易解决 成本低：多个简单个体比一个复杂个体便宜
机器人集群分类
远程控制集群 中心控制集群 自主控制集群
5
机器人集群
机器人集群的特长领域
环境探索 材料运输 坐标感知 机器人足球 搜索救援 Environmental exploration Materials transport Coordinated sensing Robot soccer Search and Rescue
该项目由比利时布鲁塞尔自由大学IRIDIA 实验室M．Dorigo主持，由欧盟技术委员 会资助，2001年10月开始实施，2005年 3月结束。 该项目的目的是实现群体机器人的智能化 和自组装。
27
The Swarm-Bots Project
单个S-bots机器人
一组S-bots连接起来越过壕沟
28
蚁群、白蚁、蜜蜂和黄蜂
通过改变环境信息进行协作，如信息素
狼群
可以与特定个体进行交流 特定的姿势和叫声
灵长类 人类
43
群体机器人个体的一般能力
有限感知能力 局部规划能力 非全局通信能力 任务分解能力 任务分配能力 简单学习能力 控制与决策能力 等等
44
群体机器人模型构建
45
群体机器人模型构建
群体机器人建模方法 群体机器人通讯方式 群体机器人协同方式
54
群体机器人模型构建
群体机器人建模方法 群体机器人通讯方式 群体机器人协同方式
群体机器人体系结构 机器人定位 机器人的连接 自组织与自组装
55
群体机器人协同方式
机器人的协作控制属于群体机器人系统中的 高级控制任务。 个体机器人控制系统是实现个体行为的基础， 它要求个体具有较强的协作性与自治性。 群体行为是个体行为的集成。
25
群体机器人项目
目前，国外比较成熟的群体机器人研究项目 有如下几个 The Swarm-Bots Project Pheromone Robotics Project The I-Swarm Project iRobot Swarm Project 等等
26
The Swarm-Bots Project
52
通过感知实现交互
机器人位于传感器感知范围之内时，可以相 互感知对方的存在。 感知是局部交互，机器人之间亦无明确通信。 要求机器人具有区分机器人与环境中物体的 能力。
53
通过明确通信实现交互
明确通信包括直接型和广播型通信。 网络通信，可以提供解决方案，但不适合群 体机器人实时性要求。 若机器人之间过分依赖通信获取信息，则当 个体数量增加，系统通信需求将呈指数增长。 因此，一般以明确通信作为辅助手段。
33
Pheromone Robotics Project
虚拟信息素检测器 虚拟信息素视图
34
Pheromone Robotics Project
虚拟信息素作用方式
35
Pheromone Robotics Project
36
The I-Swarm Project
该项目由Heinz Wtirn 教授主持，开始于 2004年，其目的是制造出上千个极微小(大 小约2mm×2mm×1mm)的廉价机器人， 使他们在一个小世界中(如在生物体内)完成 一些群体任务，如装配、清洁等。
The Swarm-Bots Project
组合 前进 两个S-bots协同 跨越壕沟，其中左
图为仿真实验，右 图为实物测试。
跨越 分拆
29
The Swarm-Bots Project
单个S-bots S-bots 无法跨越台阶 两个S-bots 协同跨越台阶
30
机器人协作上台阶演示
31
机器人协作运输演示
19
机器人协作爬坡演示
20
机器人协作救援演示
21
自学习自组装机器人演示
22
目标追踪演示
23
目录
什么是群体机器人 群体机器人演示 群体机器人项目 群体机器人一般模型 群体机器人算法举例
24
群体机器人项目
国内群体机器人系统的研究刚刚起步，而且 主要是一些仿真研究。 20世纪80年代初，欧美、日本一些研究人员 就开始研究移动多机器人系统，起初的项目 有CEBOT、SWARMS、ACTRESS等。
7
群体机器人
将群体智能引入机器人学即为群体机器人学 群体机器人学(Swarm robotics)研究如 机器人学 何设计大量相对简单可实现的智能体，通过 智能体之间、智能体与环境之间的局部相互 作用实现期望的群体涌现性行为。
8
群体机器人
群体机器人研究的兴起源于生物学启发，是 机器人 通常意义上的多机器人系统被赋予群体智能 属性后的新兴研究领域。 自然界中，蚂蚁、白蚁、黄蜂、蜜蜂等社会 性昆虫，以及鸟群、鱼群，菌落等都激发出 令人惊奇的灵感，这些生物群体显示如何将 大量简单的个体通体交互产生群体智能。
32
Pheromone Robotics Project
该项目由David Payton教授主持。从 2000年开始，到2004年已完成第一阶段 的研究。这个项目的目的是提供一种实用、 灵活、鲁棒、廉价的群体机器人控制方案， 可随意增添机器人数量。 他们使用一种能够仿效生物信息素扩散的 消息协议实现虚拟信息素，信息素分布的 梯度使机器人之间产生吸引或排斥力来产 生机器人的移动。
37
I-Swarm演示
38
iRobot Swarm Project
MIT在该项目中研制出超过100个个体的机器 人群体，已经用于实验和研发平台。这个群 体包括机器人个体可以自动对接的自动充电 站。大多数的研究工作由Mclurkin和他的同 事完成。iRobot Swarm模块的主要软件工 具是一个用于控制通信、定位和避障的红外 通信系统ISIS。