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随着人类对机器人完成任务的要求的提高,多机器人系统应用领域也不断扩大。多机器人系统能完成单机器人不能完成的任务,还能从组织和系统的角度研究多个机器人之间的协作机制,发挥多机器人系统的各种内在优势。
多机器人协作是多机器人系统中的核心问题,本文研究的多机器人围捕任务是典型的多机器人系统协作课题,涉及到多机器人系统中的控制结构、学习算法、任务分配等问题。本文从分析并实现已有的围捕的方法入手,在此基础上对基于人工势场的围捕策略进行改进以提高围捕效率,最后将围捕任务扩展到多目标机器人,提出了投标者联合投标的拍卖算法。主要包括以下内容:
首先针对围捕任务,总结了围捕的两种方法:基于Q学习的方法和人工势场法。并基于仿真平台MuRoS对这两种方法进行了实现和分析。分析结果表明:Q学习不需要设计具体的同捕策略,学习过程中通过经验积累,围捕使用时间逐渐减少,学习算法最终收敛。但是相对于人工势场法,学习过程缓慢,且强化信号设计较为复杂。人工势场法简洁直观,但是机器人行为控制参数不易确定,很难找到最优解。
围捕任务是巡逻、军事对抗等任务的具体形式,效率(围捕成功率和围捕消耗时间)尤其重要。在上述人工势场法实施围捕的基础上,针对围捕任务的效率问题,分析了围捕过程中机器人的运动目标对围捕的影响,对简单形成包围圈实施围捕做了改进,提出了基于角度优先的围捕策略。仿真结果显示改进后的方法提高围捕成功率,减少了围捕时间。
任务分配是多机器人系统协作的一个关键环节,其中使用较多的是拍卖算法,这些算法根据经济市场中的拍卖来设计,其目的是为了实现资源的较优分配。针对围捕这个紧耦合任务,机器人必须通过协作完成任务,且各机器人对任务的贡献依赖于其他机器人的位置信息。为此,本文提出投标机器人联合形成小组作为一个整体给任务投标,并针对组合过多、计算量大、通信量大等问题对该方法进行改进。仿真结果显示联合投标用于任务分配是可行的。
本文的仿真实验都是在仿真平台MuROS进行的,但针对围捕的功能还不完全。论文在对其功能、设计方法、运行机制进行分析的基础上,根据围捕任务需求扩充了基础类库,添加了控制方法,并图解说明了几个全文中提到的仿真实验。
最后对研究工作进行了总结与展望,并指出需要进一步深入研究的问题。