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群體機器人研究的現狀和發(fā)展
摘要：隨著(zhù)機器人的應用方式由部件式單元應用向系統式應用方向發(fā)展，群體機器人系統的研究越來(lái)越受到更多學(xué)者的重視。本文概述了群體機器人技術(shù)的發(fā)展歷程，并對該領(lǐng)域內的主要研究?jì)热葑髁撕?jiǎn)單的分析和介紹，提出了未來(lái)群體機器人系統的幾個(gè)重要研究方向。機器人作為人類(lèi)２０世紀最偉大的發(fā)明之一，在短短的４０年內發(fā)生了日新月異的變化。近幾年機器人已成為高技術(shù)領(lǐng)域內具有代表性的戰略目標。機器人技術(shù)的出現和發(fā)展，不但使傳統的工業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生根本性變化，而且將對人類(lèi)社會(huì )產(chǎn)生深遠的影響。隨著(zhù)社會(huì )生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人的應用領(lǐng)域不斷擴展。從自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)到海洋資源的探索，乃至太空作業(yè)等領(lǐng)域，機器人可謂是無(wú)處不在。然而就目前的機器人技術(shù)水平而言，單機器人在信息的獲取、處理及控制能力等方面都是有限的，對于復雜的工作任務(wù)及多變的工作環(huán)境，單機器人的能力更顯不足。于是人們考慮由多個(gè)機器人組成的群體系統通過(guò)協(xié)調、協(xié)作來(lái)完成單機器人無(wú)法或難以完成的工作。群體機器人系統比單機器人系統具有更強的優(yōu)越性，主要表現在以下幾個(gè)方面：
·相互協(xié)調的ｎ個(gè)機器人系統的能力可以遠大于一個(gè)單機器人系統的ｎ倍，群體機器人系統還可以實(shí)現單機器人系統無(wú)法實(shí)現的復雜任務(wù)；
·設計和制造多個(gè)簡(jiǎn)單機器人比單個(gè)復雜機器人更容易、成本更低；
·使用群體機器人系統可以大大節約時(shí)間，提高效率；
·群體機器人系統的平行性和冗余性可以提高系統的柔性和魯棒性等。
此外因為群體機器人系統具有空間分布、功能分布、時(shí)間分布等特點(diǎn)，利用這些特點(diǎn)可以達到以下目的：
·通過(guò)群體機器人系統內在特性提高完成任務(wù)的效率；
·通過(guò)共享資源（信息、知識等）彌補單機器人能力的不足，擴大完成任務(wù)的能力范圍；
·利用系統內機器人資源的冗余性提高完成任務(wù)的可能性，增加系統的性能。
因此，進(jìn)行群體機器人系統的研究是機器人技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，必將對機器人技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)劃時(shí)代的變革。
１ 群體機器人研究的主要內容
群體機器人系統的主要研究?jì)热轂椋喝后w機器人系統的通信，群體機器人系統的協(xié)作與控制，群體機器人系統沖突問(wèn)題的解決。
根據系統中機器人功能結構的不同，可將群體機器人系統分為同構系統和異構系統。同構系統就是系統中每個(gè)機器人的結構相同、功能相同；異構系統中每個(gè)機器人的結構和功能不盡相同。對于同構群體機器人系統研究的主要問(wèn)題是設計正確的控制方案和通信機制，使之能正確完成給定的任務(wù)；而對于異構群體機器人系統的研究主要是解決如何在它們之間進(jìn)行有意識的合作問(wèn)題，另外還有動(dòng)作選擇問(wèn)題、通信沖突問(wèn)題的解決。不論是同構系統還是異構系統的研究對群體機器人系統的研究都起著(zhù)重要作用，下面以同構系統為主來(lái)討論群體機器人的研究。
１．１ 群體機器人系統的通信
群體機器人系統的通信是研究群體機器人系統的基礎，由各個(gè)個(gè)體機器人組成一個(gè)群體系統，通信是必不可少的。
群體機器人系統在執行某項任務(wù)時(shí)，為了實(shí)現協(xié)調與合作，個(gè)體機器人的傳感器必須提供足夠的環(huán)境描述信息和其他機器人的信息，因此機器人個(gè)體之間或者上層控制和下層合作之間的通信是必要的。機器人之間的通信方式主要有兩種，即直接通信和間接通信。直接通信要求發(fā)送和接收信息能保持一致性，因此機器人之間需要一種通信協(xié)議，而且直接通信時(shí)發(fā)送方和接收方必須同時(shí)在線(xiàn)，間接通信沒(méi)有此項要求。一般來(lái)說(shuō)，直接通信存在于有智能的機器人之間，而間接通信存在的范圍就比較大，如個(gè)體和個(gè)體通信、個(gè)體和群體通信、個(gè)體和環(huán)境通信等。目前，大部分關(guān)于群體機器人的通信主要采用廣播的方式，即個(gè)體機器人將自己的位置和傳感器信息以及自己從事的工作信息廣播出去，其他個(gè)體機器人可以按自己的需要選擇信息，或主控機器人通過(guò)廣播分配任務(wù)等。
通信方式的選擇是保證通信的有效性和實(shí)時(shí)性的基本要求，在實(shí)際應用中根據機器人的結構和任務(wù)要求來(lái)選擇，目前群體機器人的通信還存在許多瓶頸問(wèn)題，如機器人數目增加時(shí)，通信速度和效率將下降。
１．２ 群體機器人系統的協(xié)作與控制
機器人之間的協(xié)作與控制問(wèn)題屬于群體機器人系統中的高級控制任務(wù)，是研究群體機器人系統的關(guān)鍵技術(shù)。
機器人群體系統是由機器人個(gè)體按照一定關(guān)系聯(lián)系起來(lái)，并具有自我調整的功能，系統中機器人個(gè)體和機器人群體都要協(xié)作動(dòng)作，以實(shí)現機器人群體的功能。借鑒組織行為學(xué)的理論，群體機器人系統研究對象包括機器人個(gè)體、機器人群體兩個(gè)層次，即機器人個(gè)體行為和機器人群體行為。機器人個(gè)體行為主要包括機器人個(gè)體對環(huán)境的感知、學(xué)習、響應以及自適應動(dòng)作的協(xié)調。機器人個(gè)體控制系統是實(shí)現個(gè)體行為的基礎，機器人個(gè)體控制系統要求能使個(gè)體表現出較強的協(xié)作性和自主性。協(xié)作性是指機器人能協(xié)調合作的能力；自主性是指機器人具有一定的自主能力、能感知環(huán)境的變化并能作用于環(huán)境。系統的協(xié)調行為在很大程度上依賴(lài)于如何處理機器人的自主和協(xié)作之間的關(guān)系；機器人群體行為是機器人個(gè)體行為的合成，典型的群體行為研究有集中行為、分散行為和編隊行為等。根據機器人群體結構分布的不同相應的控制結構也不同，可分為集中式和分布式兩種。集中式控制由一個(gè)機器人或者ＰＣ機對任務(wù)進(jìn)行調協(xié)規劃并集中調度；分散式控制中任務(wù)分配是通過(guò)機器人之間的交互來(lái)實(shí)現的，每個(gè)機器人基于自己的傳感器信息和內部狀態(tài)規劃各自的行為，通過(guò)協(xié)商等手段消解沖突。
為研究機器人群體的協(xié)作機制，以提高群體的協(xié)作能力，目前多采用下述控制機制，包括：
（１）基于信息資源庫共享；
（２）基于傳感器信息共享的控制：依靠通信裝置，每個(gè)機器人上的傳感器不再是私有享用，其他機器人通過(guò)通信也可享用；
（３）基于資源競爭規則的調度機制：資源包括作業(yè)空間、作業(yè)順序、作業(yè)工具等，該控制策略最基本的目標是解決死鎖問(wèn)題；
（４）基于任務(wù)與能量最佳匹配原則的動(dòng)態(tài)組成、重構控制；
（５）并行規劃算法。
１．３ 群體機器人系統沖突的解決
在群體機器人系統中還有一個(gè)很重要的問(wèn)題就是系統中沖突問(wèn)題的解決。在群體機器人系統中沖突的形式是多種多樣的，主要有任務(wù)沖突、路徑?jīng)_突和空間沖突等。群體機器人系統中的沖突很容易造成系統的混亂，嚴重影響了系統的總體性能。解決沖突除了要有合理的控制結構和通信方式外，也需要相應的解決策略。在群體機器人系統中，每個(gè)機器人都把其他機器人當作障礙物來(lái)處理，并通過(guò)傳感器探測障礙物的有無(wú)。同時(shí)機器人也根據定期接收到的信息來(lái)處理傳感器的不確定性，并區分機器人障礙物和非機器人障礙物，由此選擇不同的處理方法。群體機器人系統沖突問(wèn)題的解決辦法有很多，最直接的方法是采用集中控制器來(lái)決定所有機
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