面向任務(wù)的多機(jī)器人系統(tǒng)的組織設(shè)計(jì)研究.pdf

1、隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，多機(jī)器人技術(shù)研究的深入以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用的數(shù)量規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，國際上已經(jīng)開始研究100個(gè)以上機(jī)器人組成團(tuán)隊(duì)時(shí)的協(xié)調(diào)合作問題。隨著機(jī)器人數(shù)量的增加，機(jī)器人之間的通信壓力和協(xié)調(diào)難度將會加大，使得關(guān)于機(jī)器人組織的形成以及基于機(jī)器人組織的求解機(jī)制等問題的研究變得越來越重要。 本論文結(jié)合總裝備部預(yù)研基金、國防科工委基礎(chǔ)科研項(xiàng)目以及江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目，面向任務(wù)對大規(guī)模機(jī)器人組織設(shè)計(jì)中的相關(guān)問題進(jìn)行

2、了研究，包括多機(jī)器人系統(tǒng)組織的研究框架、個(gè)體機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、面向任務(wù)的機(jī)器人團(tuán)隊(duì)組織模型、組織的形成方式、組織演化的模型分析、團(tuán)隊(duì)運(yùn)行的監(jiān)控等。論文所做的主要工作和研究成果如下： 1．基于機(jī)器人面向應(yīng)用的觀點(diǎn)，從構(gòu)建多機(jī)器人系統(tǒng)的目的出發(fā)，提出多機(jī)器人系統(tǒng)的研究可以從全局層、局部層和個(gè)體層三個(gè)層次來進(jìn)行，并且利用給出的三層控制模型劃分了該領(lǐng)域中已提出的系統(tǒng)性能術(shù)語。 2．在動態(tài)環(huán)境下，面向任務(wù)的多機(jī)器人系統(tǒng)中的個(gè)體機(jī)

3、器人體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)該突出機(jī)器人的實(shí)時(shí)反應(yīng)能力、行為自主決策能力以及合作能力，而這三點(diǎn)在已知的典型體系結(jié)構(gòu)中沒有全面地表現(xiàn)出來，特別是對行為決策能力。為此本文提出了基于行為的五層混合式機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)，分別是系統(tǒng)監(jiān)控、組織協(xié)調(diào)、行為決策、行為控制、反應(yīng)五個(gè)層次。 3．將機(jī)器人移動過程中的行為與它到任務(wù)間的距離相聯(lián)系，給出了“狀態(tài)角色”的概念，提出根據(jù)狀態(tài)角色的不同而發(fā)送不同的信息，從而減少機(jī)器人之間交互的通信量；另外，狀態(tài)角色之間設(shè)置

4、有優(yōu)先級，便于機(jī)器人對任務(wù)的選擇以及實(shí)現(xiàn)管理者的更換。 4．給出多機(jī)器人的樹型層次化組織模型。根據(jù)任務(wù)將機(jī)器人劃分為不同的任務(wù)小組，一方面降低了機(jī)器人間的協(xié)調(diào)難度，便于對多機(jī)器人進(jìn)行管理。另一方面，減少了彼此間的通信量。在機(jī)器人組織基于合同網(wǎng)的形成中，充分考慮機(jī)器人在動態(tài)環(huán)境下運(yùn)行時(shí)的不確定性，提出機(jī)器人在同時(shí)滿足多個(gè)任務(wù)需求能力的前提下，進(jìn)行任務(wù)組的投標(biāo)時(shí)，不但要考慮距離，還應(yīng)綜合考慮任務(wù)、環(huán)境以及自身狀況等各種因素，并且給出

5、了使用多屬性決策矩陣來進(jìn)行任務(wù)組選擇的算法。管理員招標(biāo)時(shí)，除了考慮機(jī)器人的能力外，還要考慮機(jī)器人對任務(wù)組選擇的不確定性，給出了基于熵的組成員篩選辦法，以減少維護(hù)組成員的不必要開銷。從某種意義上講完善了基于合同網(wǎng)協(xié)議的招投標(biāo)過程，提高了合同網(wǎng)協(xié)議的招標(biāo)效率以及任務(wù)的完成質(zhì)量。 5．針對目前國內(nèi)外關(guān)于機(jī)器人行為、團(tuán)隊(duì)形成的研究大都停留在定性分析階段，缺乏對團(tuán)隊(duì)合作隨環(huán)境、任務(wù)需求變化的動態(tài)過程描述及預(yù)測。本文給出兩個(gè)分析模型，不僅從

6、定性而且還從定量上對機(jī)器人的行為、系統(tǒng)的動態(tài)演化過程進(jìn)行預(yù)測。一個(gè)模型是利用有限Markov鏈和進(jìn)化計(jì)算，全面描述機(jī)器人團(tuán)隊(duì)形成的動態(tài)演化模型。通過該模型，操作者不僅能整體、動態(tài)地把握機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的合作狀況，同時(shí)，還能夠依據(jù)模型的描述，對機(jī)器人團(tuán)隊(duì)面臨新的任務(wù)需求時(shí)的合作關(guān)系和行為做出預(yù)測。另一個(gè)模型是機(jī)器人選擇任務(wù)組行為模型。利用該模型可以揭示機(jī)器人任務(wù)組選擇行為的演化規(guī)律，從而可以為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)信息，制定合理策略有效引導(dǎo)個(gè)體機(jī)器人的任