分布式多机器人通信仿真系统

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·３１２·智能系统学报第４卷

Ｊｋ１２＝ｔａｎ０１２２（儿一Ｙ１）／（菇２＿），（２）

【ｋ３２＝ｔａｎ０３２＝（Ｙ３一Ｙ２）／（ｘ３一石２）．

一：和六：作用在尺：的合力Ｆ：＝＾：＋，３：大小为Ｆ２ｌ＝

擂２＋Ｚ２＋Ｚ＾Ｚ２（ｓｉｎ护１２ｓｉｎ０３２＋ｃｏｓｐ１２ｃｏｓ０３２）．

（３）合力Ｆ：的方向为

ｋ２＝

』焦姿攀坦√坚丝粤Ｌ．（４）

ｋ１２，／１＋后五厂（ｄ１２）＋ｋ３２，／１＋尼２２厂（ｄ３２）

合力Ｆ：促使机器人Ｒ：（。…移动到一个新的位置Ｒ：‰。，移动轨迹方程如式（５）所示：

Ｙ’２＝ｋ２ｘ’２＋Ｙ２一ｋ２ｘ２．（５）当机器人受某种约束的时候，则停止运动．在该系统中，为了保证使覆盖的区域达到最大，机器人移动的距离应满足达到六边形覆盖的要求¨３｜，即Ｒ。Ｒ：（。。）Ｉ＝（√Ｅ）２且ＩＲ３尺２（。）ｌ＝（√爵。）２．由于在通信网络中存在组长和成员２种节点，形成一种层次网络结构，因此这种基于虚拟力的覆盖策略只在组长机器人之间执行，这样能有效地节省机器人之间的通信量和运动距离，能有效地节省机器人的能量．

２仿真系统的实现

在第１部分仿真系统结构的设计基础上，对该系统用ＶＣ＋＋６．０和Ｍａｔｌａｂ进行了相应的实现．系统仿真界面如图５所示．

图５通信仿真系统界面

Ｆｉｇ．５Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ

用户可以自定义仿真机器人数、最小速度、最大速度、仿真时间等数据．由于机器人能量和信号发射功率的，每个机器人都有最大通信距离．本系统仿真采用同构机器人，机器人参数均相同．定义好这些参数之后，产生随机运动场景文件，机器人初始位置分布如图６所示．启动通信网络之后，即开始进行组结构的构建．选择开始仿真，机器人节点开始做随机运动，由于有排斥力的约束，运动过程中机器人的位置是按照最大覆盖的要求运动的，组长受力运动过程如图７所示．机器人最终覆盖结果如图８所示．

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图８机器人最终覆盖结果

Ｆｉｇ．８Ｆｉｎａｌｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔｏｆ

ｒｏｂｏｔｓ　万方数据第４期蔡自兴，等：分布式多机器人通信仿真系统·３１３·

３结束语

在多移动机器人相互协作完成任务的过程当中，机器人所采用的通信方式的优劣是任务完成的保障之一．本文分析了现有多机器人仿真平台通信网络的仿真方面的一些不足，提出了一种通信网络仿真平台的系统没计方案．可自定义仿真参数和为其他控制算法预留了接口，使该系统具有良好的人机交互功能。文中以多机器人系统中的连通覆盖问题为例，对该仿真系统进行了实现．

通过进一步编程，用户可以在仿真系统中嵌入自己的控制算法和分析日志函数，使该仿真平台可以方便地对通信网络进行仿真和性能分析．

参考文献：

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ＲＥＮＸｉａｏｐｉｎｇ，ＣＡＩＺｉｘｉｎｇ．Ｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｍｕｌｔｉ—ｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔｓｂａｓｅｄａｄｈｏｃｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳ（．ｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：ＮａｔｕｒｅＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ，２００８，３６（ＳｕｐＩ）：２３９—２４２．

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ＲＥＮＸｉａｏｐｉｎｇ，ＣＡＩＺｉｘｉｎｇ，ＣＦｌＥＮＡｉｂｉｎ．Ａｒｅａ－ｃｏｖｅｒｉｎｇｔａｃｔｉｃｓｆｏｒａｄＨｏｅｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．２００８，３４（２）：１５９—１６２．

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作者简介：

蔡自兴，男，１９３８年生，教授、博士

生导师，主要研究方向为人ｒｒ：智能、机

器人、智能控制等．获科教奖励３０多

项，其中国家级奖励２项，省部级奖励

２０多项．发表学术论文５５０余篇，出版

专著和教材２６部．

任孝平，男，１９８４年牛，博士研究

生。主要研究方向为多机器人系统、通

信网络等．

邹磊，男，１９８５年生，硕上研究

生，主要研究方向为多机器人系统、无

线传感器嘲络等。

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分布式多机器人通信仿真系统

作者：蔡自兴， 任孝平， 邹磊， CAI Zi-xing， REN Xiao-ping， ZOU Lei

作者单位：中南大学,信息科学与工程学院,湖南,长沙,410075

刊名：

智能系统学报

英文刊名：CAAI TRANSACTIONS ON INTELLIGENT SYSTEMS

年，卷(期)：2009，4(4)

被引用次数：0次

1.谭民.王硕.曹志强多机器人系统 2005

2.黎萍.杨宜民多机器人系统任务分配的研究进展 2008(17)

3.HELSINGER.THOME A.WRIGHT M T Cougaar:a scalable,distributed multi-Agent architecture 2004(10/13)

4.PAUL E R.AMY L.HARINI V.MONICA L MARIA G Performance evaluation of a multi-robot search &

retrieval system:experiences with MinDART 2008(3/4)

5.KOUTSONIKOLAS D.DAS S M.HU Y C CoCoA:coordinated cooperative localization for mobile multi-robot ad hoc networks 2006

6.TUCKER B Behavioral diversity in learning robot teams 1998

7.ITSUKI N.HITOSHI M Soccer server and researches on multiagent systems 1996

8.王佳.吴晓蓓.徐志良多机器人系统的互联控制问题讨论 2007(05)

9.原魁.李园.房立新多移动机器人系统研究发展近况 2007(08)

10.王建新.李健.朱贤曼MANET中节点的运动模型和性能分析 2006(19)

11.任孝平.蔡自兴基于移动自组网的多机器人远程监控 2008(SupI)

12.任孝平.蔡自兴.陈爱斌一种移动自组网的区域覆盖策略 2008(02)

13.AKKAYA K.JANAPALA S Maximizing connected coverage via controlled actor relocation in wireless sensor and actor networks 2008(14)

1.学位论文张浩水多机器人仿真系统、运动规划和通讯研究2008

随着机器人技术的发展，机器人能力不断提高，其应用领域也在不断扩展，研究人员考虑通过多个机器人的协调与协作来完成单个机器人无法或难以完成的工作。要使多个机器人构成的系统能有效地运行，就必须对该系统加以组织，这使得多机器人协调的研究已经成为当前机器人学研究的重要方向之一。本文针对多机器人系统的仿真系统建模与实现、运动规划和通讯开展研究工作，主要内容如下：
　　

首先，本文介绍了多机器人系统的特点，综述了多机器人仿真系统、运动规划和通讯的发展现状，并对研究背景和论文结构做了介绍。
　　

其次，研究了集成任务级与运动级协调的多机器人仿真系统的设计和实现。根据通用多机器人仿真系统所应该具有的特点，采用统一建模语言(UnifiedM0.eling Language，UML)进行分析，构建了仿真系统的需求模型、组件模型和静动态模型，进而实现了多机器人仿真系统ColonySim，融入任务建模和任务分配机制，具有与特定算法无关性、界面友好、多算法多任务验证等特点。
　　

第三，提出了一种基于障碍禁区的多机器人运动规划方法，该方法适用于动态未知的环境。通过对障碍信息的分割、膨胀和融合，以及限定记忆最小二乘法对其它机器人运动轨迹的预测，构建障碍禁区供机器人决策，较好地保证了机器人无碰运动规划的需求。
　　

第四，研究了一种基于GPRS移动通讯网络的多机器人通讯方法，作为多机器人系统辅助的通讯手段以弥补无线局域网的缺陷。该方法使用AT指令集控制GPRS模块，同时引入了X-Modem协议加速了文件的传输速度，并且利用多线程避免了通讯线程对决策主线程的干扰。该方法通过GPRS的短信和彩信业务实现机器人之间，以及机器人和用户之间信息的交互。
　　

最后，论文对所取得的研究成果进行了总结，并阐述了下一步的工作。

2.学位论文刘克波基于HLA/RTI的多机器人仿真系统的通信研究2004

分布式交互仿真(Distributed Interactive Simulation,DIS),又称为分布式虚拟现实(Distributed Virtual Reality,DVR),是虚拟现技术(Virtual Reality,VR)与网络技术相结合的产物,是当前虚拟现实领域的一个研究的热点.从美国国防部的研究计划SIMNET开始分布式虚拟现实技术得到了巨大的发展,DIS系列标准是SIMNET技术的扩展和标准化,DIS技术的发展最终形成了分布式交互仿真的第一个标准-IEEE1278标准集.随着网络技术和仿真技术的发展,在新的应用需求面前建立在DIS2.x基础之上的分布式仿真系统已经不能满足要求,于是在1996年美国国防部提出了下一代分布式仿真系统的通用技术框架-高层体系结构(High Level Architecture,HLA).该文首先介绍了有关分布式虚拟现实的一些背景知识,然后详细的介绍了HLA的三个组成部分,研究了HLA中数据过滤技术,重点研究了在HLA中的数据分发管理服务方面采用的几种策略.然后将HLA的这些过滤数据控制网络流量的思想应用到一个多机器人仿真系统当中,为这个多机器人仿真系统设计了一个通信服务器,并根据实际的仿真任务要求为这个多机器人仿真系统设计了合适的体系结构,为这个系统的服务器和客户端之间的通信设计了数据包结构和一个通信协议,并为实现HLA的数据过滤的思想设计了适合于这个多机器人仿真系统的数据匹配算法.最后介绍了一个工程实例--远程水情监控系统,这个系统是多机器人仿真系统的设计思想工程化的一个良好示例.

3.学位论文柳林多机器人系统任务分配及编队控制研究2006

任务分配是多机器人系统研究领域的基础性问题，其重要性随系统规模和任务复杂度的增加而迅速增加。编队控制属于多机器人系统的几何问题

，近年来在军事侦察、搜寻、排雷、编队飞行、空间探测等领域的应用日益增加，成为多机器人系统研究中一个非常活跃的研究方向。本文针对这两个问题开展了研究工作。

在多机器人任务分配研究中，我们首先对其进行了分类及形式化描述，并总结了目前主要的任务分配方法。分别从控制框架结构、任务的动态性、通信方式、机器人失效、异构等角度出发，对多机器人系统任务分配问题进行了分类分析。通过对目前主要的任务分配方法进行总结，将其分为涌现式和意图合作式两大类，并对它们所包含的各种具体方法进行了讨论。从状态空间的角度来看，任务分配的思想是通过对多机器人协作问题进行分层处理，以减小解空间的规模从而实现求解；从组合优化的角度来看，任务分配问题的数学模型是一个标准的整数规划问题，在集中式框架下可采用匈牙利算法求解。

市场机制是一种对社会稀缺资源进行合理配置的有效方法，在分析市场机制基本思想和要素的基础上，针对简单任务的动态分布式分配(Dynamic Distributed Task Allocation，DDTA)问题，基于密封第二价格拍卖方式的主要过程，设计了基于市场机制的任务分配算法NeA-MRTA和ReA-MRTA。其中NeA-MRTA算法针对多机器人系统中以前尚未出现的新任务进行分配；ReA-MRTA算法针对已经分配但随环境变化可能导致已分配结果不合理的任务，进行再次拍卖，实现重新分配。理论分析及仿真实验都表明，算法计算量和通信量合理，对于通信部分失效具有较好的鲁棒性。

针对复杂任务动态分布式分配问题，基于NeA-MRTA算法的思想和主要过程，提出了CA-MRTA算法。从能力分类的角度出发，提出能力向量的概念，对异构机器人及任务进行了形式化描述。借鉴信息熵和简单群熵的概念，定义了能力群熵，用于度量采用能力向量描述的机器人及任务的异构程度。对于具有依赖关系的任务，给出了采用偏序关系进行描述的方法。CA-MRTA算法基于上述描述，能够通过机器人的显式合作完成复杂任务。仿真实例也验证了该算法的有效性。

为验证所提出算法的正确性和有效性，我们设计并实现了一个用于动态分布式任务分配算法研究的多机器人仿真系统MRTASim。与构建实际多机器人系统相比，采用该仿真系统进行实验具有代价小、周期短、数据记录方便、场景设置灵活等特点。系统对于机器人及任务的指定基于本文提出的能力向量描述方法，通过特定的数据库文件进行各项能力值的设置。仿真中每个机器人对应一个的对象实体，并可根据需要设计机器人之间的显式通信内容。本文的任务分配算法都在该仿真系统上得到了验证。在多机器人编队控制研究中，基于跟随领航者方法(Leader-Follower)的原理，提出并实现了D-A和D-D两种跟踪控制算法和相应的编队跟踪规则，用于NuBot全向视觉——全向移动机器人系统的编队控制。该方法具有分布式控制、局部通信、无需全局定位、机器人朝向可单独控制的特点。其中D-A控制方法能够保证编队的平滑变换，避免产生较大波动，并具有较高的效率。针对编队运行过程中的不同障碍，提出了编队变换和编队变形两种避障方法。其中编队变换方法通过队形的切换实现避障，编队变形方法在尽量保持原始队形的情况下通过队形的伸缩变形实现顺利避障。

在以上研究的基础上，我们组建了国防科大NuBot机器人足球队，并研究了其中的动态分布式角色分配问题。作为一个典型的多机器人系统研究与应用环境，机器人足球具有高度动态与对抗的特点。本文提出了一种适用于RoboCup中型组机器人足球赛的分布式角色分配算法。该算法既能满足比赛时环境高度动态性需求，又具有较好的鲁棒性，且能够自动判别机器人球员的失效离场等情况，并据此自适应选择不同的角色组合，进行分布式分配。

4.期刊论文任孝平.蔡自兴.卢薇薇.REN Xiao-ping.CAI Zi-xing.LU Wei-wei网络可重构的多机器人仿真系统-

计算机应用研究2009,26(6)

根据多机器人通信网络的特点,提出了一种多机器人通信仿真系统, 并通过一个网络可重构的通信方式给出了该系统的实现.机器人的移动性使之组建的通信网络可靠性很差,可重构的机器人通信方式可显著提高网络的通信质量.当前的多机器人仿真系统有很多,而具有通信仿真功能的较少.该仿真系统采用节点随机停留运动模型和模块化设计,可用于仿真多机器人通信网络.系统还提供了与其他机器人控制算法的接口,可进行其他仿真工作.

5.学位论文张斌多机器人运动规划的研究及通用仿真平台的开发2001

该文针对多机器人系统的运动规划和仿真系统建模与实现展开研究工作,主要内容如下;首先,该文介绍了多机器人系统的特点,综述了多机器人运动规划和仿真平台的发展现状,并对论文结构、研究背景做了介绍.其次,研究了基于行为的分布式运动规划.第三,研究了学习分类器系统在多机器人学习中的应用.为了提高该方法的收敛速度,该文引入了规划构造器和合并操作.同时,机器人通过通讯共享各自所发现的最优的规则,以充分利用多机器人系统以及学习分类器算法本身的均为并行系统的特点.仿真结果表明,改进后学习速度大为提高.第四,研究了多机器人仿真系统的设计和实现.该文根据通用的多机器人仿真平台所应该具有的特点,采用面向对象模型化技术对多机器人仿真系统进行分析,建立了仿真系统的对策模型,动态模型和功能模型,并实现了基于该模型的分布式机器人仿真系统MultiSim.最后,论文对所取得的研究成果进行了总结,并阐述了下一步的工作.

6.学位论文毛小锋多机器人系统协作研究与仿真平台2004

多机器人系统已经成为机器人技术行业的发展趋势,多机器人系统比单个机器人具有更好的鲁棒性,有着更广阔的应用空间.如何使多机器人保持一定的队形,以及如何使多机器人系统能不断适应未知、非结构化的环境,体现出一定程度的智能从而更好的完成任务,是目前多机器人系统研究领域的热点.计算机仿真通过模拟多机器人系统在环境中完成任务的过程,从而验证多机器人协调与控制算法的正确性与有效性,是算法开发中的一个重要手段和不可缺少的环节.通过仿真平台的演示,开发人员在很短的时间内就能方便地找到算法中存在的问题,得以修正算法.该文比较了多机器人系统相对单个机器人的优势,综述了目前国际上主要的多机器人实验系统、各式各样用于不同目的的多机器人仿真系统和增强式学习的主要算法.在分析现有的圆队形算法缺陷的基础上,提出了一个新的圆队形算法,并通过仿真验证.该文将增强式学习应用到异构多机器人系统,设计了异构多机器人系统在搜集任务中的状态集,动作集及奖励函数,仿真结果表明:系统中的机器人通过学习不仅能完成任务,并且不同能力的机器人最终知道了自己适合哪种任务.最后该文根据研究需要,基于面向对象的编程工具VC6.0,我们开发了一套操作方便、功能强大的多机器人系统仿真平台,该仿真平台集单机版,多线程版及网络版三种仿真形式于一体,通用性强.最后总结了全文,并提出了进一步可行的研究方向.

7.期刊论文孙鹏.陈小平.SUN Peng.CHEN Xiao-Ping RoboCup小型机器人仿真系统-计算机仿真2006,23(4)

通过对机器人硬件进行仿真,可以有效地提高控制软件的开发效率,并降低硬件的损耗.该文实现了一个RoboCup小型机器人仿真系统,该系统的仿真对象是机器人足球比赛中的所有硬件要素,包括机器人的运动学特性、击球和带球装置、视觉系统的噪声和盲区、以及无线通讯系统的延迟等.该文还分析了真实系统中各仿真对象的物理特性及其实现难点,给出了仿真系统的软件架构和接口定义,描述了各仿真功能的具体实现.通过分析仿真结果表明此系统达到了比较理想的效果,可以为其它相似系统提供有益的参考.

8.学位论文王硕多机器人系统协调协作理论与应用的研究2001

该文首先对多机器人系统所涉及的相关研究领域进行了介绍,对我机器人系统研究的主要内容和进展进行了综述.其次,该文给出了一种通过改进的遗传算法对基于MotorSchema反应式控制结构的多机器人系统进行系统控制参数优化配置的方法.第三,针对固定控制参数的反应式控制结构的多机器人系统在进行协调协作过程中易受初始条件波动、环境变化影响的问题,该文给出一种可以根据条件变化实现系统控制参数自调整的方法.第四,在存在显式通信的情况下,该文研究了如何使反应式控制结构的多机器人系统很好地利用通信进行协调协作的方法.为此,该文提出了一种基于意愿强度进行多机器人之间磋商、实现相互间协调协作的方法.第五,该文探讨了如何通过协调协作策略辅助多机器人系统进行分布式信息融合的方法.第六,为了满足研究的需要,该文还提出了一种多机器人系统仿真软件的结构,开发并实现了在局域网上以服务器一客户端模式工作的基于二维平面模型的多移动机器人仿真系统.该文最后对论文所取得的研究成果进行了总结,并阐述了需要继续进行的下一步研究工作.

9.学位论文曹志强未知环境下多机器人协调与控制的队形问题研究2002

该文首先对多机器人系统的优越性、应用背景等进行了介绍,对多机器人系统的研究概况、主要研究内容进行了综述,并对该文的选题背景、主要内容做了介绍.其次,根据机器人系统任务级协作的实现、移动机器人应当具备的能力,考虑到机器人越来越复杂的应用环境、任务要求,提出了一种混合分层的移动机器人个体控制体系结构,分为系统监控层、协作规划层和行为控制层三个层次.第三,该文针对多机器人系统队型完全保持任务下基于行为选择机制的策略开展研究,给出了具体的行为描述、合理的行为选择条件以及“Leader更换“方法,确保了任务的顺利完成.第四,针对以完成队形控制任务为目标的多个基于Motor Schema的结构的机器人行为控制参数难以配置的问题,该文采用遗传算法进行多个机器人行为控制参数的联合优化.基于优化的行为控制参数,机器人实现了相互之间的协调队形运动.第五,在动态未知环境下多机器人队形控制的研究中,针对采用固定控制参数进行行为合成的机器人对外界变化的适应性较低及动态障碍物的存在增加了机器人避碰难度的问题,该文提出了一种机器人行为控制参数随着条件的变化而自动调整的方法,同时采用抛物线模型和限定记忆最小二乘法实现了对动态障碍位置的预测.第六,该文研究了多移动机器人在未知环境下协作围捕具有安全运动策略的Invader问题.在对任务建模的基础上,提出了一系列策略使得多机器人相互协作的安全无碰的运动过程中发现并捕捉到Invader,在开发的仿真系统上实现.最后,该文对所取得的研究成果进行了总结,并指出了需要继续开展的工作.

10.期刊论文王硕.张斌.谭民.曹志强多自主移动机器人计算机仿真系统的设计与实现-系统仿真学报2002,14(2) 提出了一种多移动机器人计算机仿真系统的设计方案,开发并实现了在局域网上以服务器-客户端模式工作的基于二维平面模型的多移动机器人仿真系统.该系统提供的环境建模及实时修正功能,参数可调的传感器模型,通讯协议,算法设计相对的特点极大地方便了多移动机器人系统的研究工作.

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xdkjyc200904005.aspx

授权使用：南京理工大学图书馆(wfnjlg)，授权号：39bf5b03-ffd3-4303-8278-9e6f00f02d49

下载时间：2011年1月18日