基于覓食模型的多機器人協調控制研究

顧永鑫

摘 要：多機器人之間的協調一致性是研究群體機器人系統的關鍵技術。以多機器協調控制的標準平臺——多機器人覓食模型為研究對象進行仿真研究。主要討論了單區域覓食、分家覓食、分區覓食三種覓食方式，并用多種指標來比較三種覓食方式的優缺點。仿真結果表明采取不同的指標，機器人數量和覓食方式對其有很大的影響。

關鍵詞：覓食模型；覓食避障；協調一致性；多機器人

中圖分類號：TP316 文獻標識碼：B 文章編號：2095-1302（2015）04-00-02

0 引 言

就目前的機器人技術水平而言，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，對于復雜多變的工作任務、工作環境以及追求效率的工作任務，單機器人已經無法滿足要求。于是多機器人組成的群體系統備受關注，開始研究通過多機器人的協作來實現單機器人難以具備的功能。這使得多機器人系統成為當今的一個重要研究方向，與此同時實現多機器人之間的協調一致性問題擺在了越來越突出的位置，成為研究群體機器人系統的關鍵技術。

1 覓食模型搭建

覓食的任務是收集散布在某一空間中的特定物體，并運送回一固定的區域（家區域），而多機器人系統正是受到生物群體的啟示發展起來的系統。

1.1 單區域覓食

在這種覓食方式中，系統所使用的各個機器人不僅具有相同的功能和結構，具有相同的傳感器，也具有相同的行為集合以及行為選擇策略。任務開始之后，各個機器人按照自己的策略進行獨立的覓食工作，當兩個機器人發生沖突時，則需要進行回避的行為。圖1所示是單區域覓食的仿真模型圖。

1.2 分家覓食

分家覓食是在很多需要多機器人系統進行類似于覓食任務的場合下，如在危險領域收集各種廢料，往往需要收集的物品不止一種。在一些情況下，還需要將收集到的不同種類的物體放置在不同場合。圖2所示是分家覓食的仿真模型圖。

1.3 分區覓食

分區覓食是多區域覓食任務模型的一種，它是將任務空間分為n個區域，一定數目的機器人被分配在某各個區間工作，它們只負責在所在區間中尋覓食物，找到后將其運送到這一區間與下一個區間相鄰的指定交接區域，這些食物將留在那里等待在下一個區間工作的機器人來繼續將其搬運，直到最后處于家區域的機器人將這一食物運送回家。圖3所示是分區覓食的仿真模型圖。

2 覓食避障算法

2.1 覓食模型仿真過程中的假設

（1）忽略機器人的大小，處理成質點。

（2）運動過程中忽略機器人的慣性。

（3）單位步長內機器人只能執行直線行走或者轉彎。

（4）一個步長內機器人直線行走的距離為區域邊長的1/20。

（5）一次隨機轉過的角度為15°的1～5倍。

2.2 機器人之間的避障算法

首先只考慮兩個機器人之間的避障，若兩個機器人間的距離等于單位步長移動的最大距離的2倍（2L）。如下圖4所示，A、B表示兩個機器人，此時它們的距離為2L，若兩個機器人相向而行，則在下一步必定發生碰撞；但是如果有一個機器人轉彎，例如A沿著AC向量方向前進，B無論沿著那個方向，A、B都不會相撞。假設B沿著BC向量方向前進，若A、B在C處相遇，則根據構成的三角形必要條件有：AC+BC>AB；由于單位步長內A、B移動的距離：AC+BC≤AB；所以A、B不會相遇；若B沿著BD（平行于AC）與AB間逆時針轉動任意一角度都不會與A相遇。

現在考慮AB之間的距離小于2L，連接AB的直線與X軸正方向把整個平面劃分成3個區域如下圖5中1、2、3所示。下面我們將討論A的速度方向在1區的情況：（1）有可能相遇，如A的速度沿著AC向量方向，若此時B的方向介于BA與BD（平行于AC）之間如沿著BF方向，則A、B有可能相遇，所以此時A的速度方向AC將順時針轉過一個角度如40度，B則逆時針轉過40度，如圖6所示。（2）A、B不可能相遇但由于它們之間的距離小于2L，則此時A、B都不能隨機轉動保持直線行走直到它們的距離大于2L。其他2個區域的避障情況類似，不再詳細描述。

2.3 機器人與墻之間的避障

如下圖6所示，當機器人A進入預警區（預警線與墻之間的區域），機器人開始減速，并且判斷速度方向是否朝向墻如AB這個方向，若滿足則機器人采取避障操作即原地轉動，直到速度背離墻如AC方向，同時以最大速度移動，此時執行移動操作。

3 仿真研究

覓食區域為一個正方形區域（不考慮量綱），時間步長為1 s，機器人單位步長內移動距離為區域邊長的1/20。機器人隨機轉過的角度為15°的1～5倍。家區域為覓食區域右下角的半徑為邊長的1/8。每次的是食物數量為20，仿真時間為300 s。分別仿真機器人的數量為3、5、7、9、11、13、15、17、19、21時，分別仿真10次3種覓食方式的覓食過程。從分析食物密度變化趨勢得知所剩食物較少時，食物密度幾乎不發生變化。為了便于分析，便采用覓食效率（機器人收集80%的食物所需時間的倒數）和避障次數（機器人與機器人之間的避障次數）指標衡量多機器人的協調一致性。

3.1 覓食效率分析

在3種覓食方式下，機器人覓食效率都先隨著機器人數量的增加而增加。但是，在單區域覓食方式下，當機器人數量大于17時，其覓食效率反而降低；在分家覓食方式下，當機器人數量大于15左右時，其覓食效率基本不再提高；而在分區覓食方式下，可見其覓食效率隨著機器人數量增加仍可提高。

由此可得當機器人數量較大時，分區覓食方式效率最高。

3.2 避障次數分析

由前面的分析可以得出：在一定范圍內，增加機器人的數量會增加群體的效率，但隱藏在這背后的機器人之間的沖突也可能加劇。此時，采用機器人的避障次數，作為衡量沖突的一個指標。

觀察分析可得單區域覓食的避障次數最多，觀察仿真的過程也發現大多數的避障是發生在家區域的緩沖區附近，而分家和分區能有效地避免在家區域附近的避障。結合圖7，可得出每種覓食方式都存在一個最優的機器人數量使得在其覓食效率達到一定值時，避障次數相對最少。

4 結 語

多機器人協調是當今機器人技術的一個重要發展方向。改善多機器人之間的協調一致性將極大提高機器人的運作效率，將給予人類更多的便利與高效。研究多機器人系統對于機器人智能化發展與進一步實用化進程具有重要的理論意義和實用價值。

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