基于信標的多Agent系統及其移動規則研究

楊志娟，楊陽，楊會建

（長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022）

在多Agent系統研究中，研究員試圖發現或發明群體行為的控制機制，將這種機制應用于控制大規模數量的簡單Agent，使大規模數量的簡單Agent能夠像生物界中的群體生物一樣，自組織的表現出群體智能行為，比如蟻群覓食、魚群鳥群的列隊前進、蟑螂聚集選擇棲息地等。群體Agent系統及其表現出的群體智能行為可用于完成現實世界的任務，比如執行搜索、探測、救援、運輸、地圖構建等。目前群Agent系統以控制方式不同可分為集中式控制和分布式控制兩種形式。

集中式控制是指由一種或多種復雜的Agent控制其他Agent來完成相應的操作。這種單一的系統管理方式存在著大量的缺陷，如低效率、低擴展性、網絡擁塞嚴重、系統核心管理Agent隨著網絡規模的擴展壓力不斷增加。

相對于集中式控制出現的種種問題，分布式控制系統通過Agent之間的相互作用來實現整體性的正常運行。這些相互作用可通過簡單的規則來實現，如Agent的近鄰個體信息（例如雷諾的三個規則“群中心”，“避障”和“速度匹配”）。這樣，系統占用更少的資源，具有更好的魯棒性，從而提高整體的工作性能。

以上兩種方式中的Agent之間都是采用數字通信的方法來處理協調個體行為的問題，在一般情況下是有效的，但對于大系統來說，該方法則會存在一些問題，因為數字通信可能會出現通信失敗，這些失敗的通信可能會導致系統的惡化。為確保系統能夠正常運行，需要更多的控制和增加硬件機制，這樣就增加了Agent的復雜性，使系統的可靠性也大大降低，且系統的擴展性能變得較差等。

本文提出一種新型的、基于信標的多Agent系統。模塊間僅通過信標檢測的方式來進行信息交互，設計出的新型Agent系統不僅能實現現有系統的功能，且由于模塊間的信息交互方式簡單，硬件電路的復雜度降低，出現故障的概率將減小，系統的可靠性將得到增強，同時也降低了系統的成本。

1 基于信標的多Agent系統

該系統中的Agent之間是通過發射/接收簡單的無線信標方式進行信息交互的。原理是Agent間通過發射/接收吸引和排斥兩種類型的信標使系統正常運行。其中吸引信標用于資源分配（吸引Agent去指定的地方，如目標物所在位置），排斥信標用來控制Agent的分布和密度，避免Agent模塊在移動過程中發生碰撞。由于Agent之間僅通過信標檢測的方式來進行通信，系統的擴展性將得到提高。

1.1 Agent模塊

系統中的Agent擬采用可移動模塊，模塊中主要包含一對無線節點、控制模塊、傳感器、電機驅動模塊、電機和電源等。圖1所示為Agent的結構框圖。

每個Agent配備一對無線節點，分別在可移動模塊的左、右兩側，且規定右無線節點為主節點，主要用于發射/接收排斥信標和吸引信標，左無線節點為從節點，主要用于接收排斥信標和吸引信標。右無線節點發射的信標強度為確定值，在傳輸過程中信標的強度將降低，左、右無線節點由于距離源點的距離不同，左、右接收到的信標強度有差距。

傳感器用來檢測及發現目標物，從而確定目標物所在的位置。針對不同的任務，可添加不同的傳感器，如檢測平面區域內的積水區時，則采用濕度傳感器，在模塊移動過程中，傳感器實時地檢測周圍的環境并發現目標物。

電機是選用兩個電機分別控制移動模塊的兩邊車輪，控制器通過產生兩路可調型的PWM波，通過電機驅動芯片來控制兩邊電機的轉速來實現Agent的轉彎以及直行等移動狀態。

控制器根據無線節點接收到的信標類型及左、右信標強度之差作出Agent移動方向的判定來產生兩路PWM波輸出，同時實時處理傳感器輸入的信號，未發現目標物時，控制右無線節點只發射排斥信標，一旦發現目標物信號，控制器首先使Agent停在該位置，同時使右無線節點從只發射排斥信標的狀態，轉為間接性的發射兩種信標，這樣在保證不發生碰撞的情況下，所有Agent向檢測出的目標物位置靠攏，來更好地完成所要實現的功能。

1.2 多Agent系統

系統主要是由多個Agent模塊組成，在規定區域內，各自按照自身的移動路徑移動且配備的傳感器實時檢測周圍環境發現目標物，同時以一定的頻率發射排斥信標來防止與其他Agent發生碰撞。當其中一個Agent發現目標物后，將發射吸引信標來告知其他Agent模塊，其他Agent接收到吸引信標后，將終止自身的移動路徑，不斷地根據接收到的左、右吸引信標之差值的判定方式向目標物方向移動，最終對目標物進行實行必要的包圍、攔截等任務。發現目標物的Agent可根據自身的路徑回溯功能，在任務完成后，使系統的所有Agent都回到出發位置。

圖1 Agent模塊的結構圖

在研究初期，僅在較小的范圍內進行驗證，先采用固定航點信標導航的方式對Agent在固定區域內進行導航。固定航點以序列的形式在區域內均勻排列，發射信標對Agent進行導航，當Agent靠近固定航點時，下一個序列的航點將發射導航吸引信標，此時Agent將向下一個航點信標方向移動，以此類推，Agent將按固定航點的導航路徑在區域內移動，并實行目標物的檢測及其相關任務的完成。

2 Agent移動規則

由于新型Agent之間是通過信標檢測的方式實現的，但具體的移動規則還需細化分析。

2.1 Agent的信標

Agent模塊配備的一對無線節點，分別在模塊的左、右兩側，根據模塊兩側的無線節點接收到的信標強度和類型不同來實現相應的功能。主要的工作原理是根據左、右兩個無線節點源點的距離不同，將兩側的信標強度作差和求和運算，控制器根據運算值及信標類型作出判定，Agent模塊以一定的頻率重復上述運算，最終實現與其他Agent處于安全狀態的情況下，向目標物位置方向靠攏。

Agent的排斥信標只對在一定范圍內的Agent有反應，如圖2所示，以ρ為半徑的圓表示Agent的防撞范圍。每個Agent之間要保持ρ距離的足夠空間，才能確保Agent的正常運行。距離ρ與Agent的最小半徑旋轉半徑Γ有關，進一步的可以認為直接與Agent的運動速度有關。

圖2 Agent間的防碰撞的最小區域圖

而吸引信標是找到目標物后Agent發射的一種類型的信標，來引導其他Agent向目標物位置靠攏。

2.2 Agent接收的信標強度算法

定義接收到的信標強度公式為：式中，Iy,i是在位置xi的Agenti接收到的y型的信標強度，包含排斥信標col和tar兩種類型的信標即 y∈{ }

col,tat，Ay是發射y型信標強度，該系統共有n個Agent，發射的同類型的所有信標具有相同的強度，該值可設置為常數，在計算該公式可被視為過程中可做常數處理。下面是利用兩個橫向天線的方向靈敏性，能得出左、右天線的信號強度，這樣可分別求出到左、右天線的距離：

若Agent將接收到的每個碰撞信標區分時，則需要在調制方案中進行必要的處理。假設Agent的排斥信標是可區分的，上述的算法將會簡化些，但由于是多個Agent模塊同時運行，要分別對接收到的數據先進行處理，再對處理后的數據運算，這將增加硬件電路的結構，相對而言，復雜度大大提高。同樣的，可參照求排斥信標的總和方法來求吸引信標強度。而不將n個排斥信標進行區分。在一般情況下，該算法是適用的，但這種簡化方式存在一定的弊端，由于所求的是排斥信標的強度之和，Agent會可能做出錯誤的轉彎判定。下面舉例論證，假如有兩個Agent在Agent A的左邊距離100，排斥信標處于打開狀態，Agent A的排斥范圍為ρ=80。那么根據接收到的Agent A的天線強度值將（錯誤地）判定Agent在排斥范圍內，Agent A將向右轉彎，可能會不立即發生碰撞。這種情況至少在原理上是有可能發生的，當有大量的Agent在右側上且不在排斥范圍內，左側的Agent在排斥范圍內，但其信標強度低于一側的信標強度之和，其排斥信標強度的和值使得A向左側方向上進入Agent的軌跡，其軌跡也在碰撞范圍內，原理上這種情況可能會發生碰撞，但在實際操作中，這種情況是不可能發生的，其中有兩個原因：第一，因為Agent通常相隔的距離最小為ρ，信標強度下降與距離的平方成正比，距離遠的Agent的影響是可以忽略不計的，只有少量臨近的Agent能夠決定A的判定；第二，Agent不必在所有時間都打開排斥信標，可以以一定的頻率發送脈沖。那么兩個或多個脈沖在同一時間發生的概率將會很低，即使他們同時出現，短時間以后將再次出現間隔，則Agent可以做出正確的決定。因此對于信標接收器，要分辨出不同的Agent信標是沒有必要的。

2.3 Agent信號處理算法

具體的轉動方向是根據兩個方向天線接收到的信標強度決定的，天線位于Agent的兩側，方向與運動方向相反（η，和-η），且與該Agent的速度矢量垂直。由于Agent的轉彎半徑與轉彎方向（左和右）無關，通過左、右方向天線的簡單強度比較，來判定是向左轉還是向右轉。將左、右天線之間的信號強度和與差進行定義：其中 Sy,i和 Dy,i表示Agenti的左、右天線y型信號強度的和與差。其中Sy,i是用來確保在接收到有用信標情況下，做出的判定。且在y=col的類型下，只有Agent在滿足的情況，分別用左、右天線信號的強度Li和Ri求出Dcol,i，進一步的說明只有在滿足上述條件下，Scol,i和Dcol,i才有意義。Agent的導向控制原理如：當 Scol,i＞0且 Dcol,i＞0時，Agent執行向右轉的命令；當 Scol,i＞0且 Dcol,i≤0時，Agent執行向左轉的命令；當這兩個條件都不滿足時，則當Star,i＞0且Dtar,i＞0時，Agent執行向左轉的命令；當Star,i＞0且 Dtar,i≤0時，Agent執行向右轉的命令；若上述條件都不滿足時，Agent執行沿原方向直走的命令。

2.4 Agent移動算法仿真

首先通過仿真來驗證出上述所講的信號處理算法進行了仿真，仿真環境為MATLAB軟件。方案是：首先隨機產生四組數據，每組的數據長度為10，分別作為接收到的左側排斥信號強度，右側排斥信號強度，左側吸引信號強度和右側吸引信號強度。設置的排斥信號強度臨界值為5，當左側或右側排斥信號強度大于臨界值時，將計算出左側排斥信號強度與右側排斥信號強度和與差值，若小于臨界值時，則計算出左側吸引信號強度與右側吸引信號強度和與差值。仿真出的圖形如圖3所示。

圖3 新型Agent對接收到的信號處理算法的仿真驗證

通過圖3的仿真圖可看出當接收到的任一側的排斥信標強度大于臨界值5時，控制器將會計算出排斥信標的和與差，當兩側的排斥信標強度都小于5時，控制器將會計算出吸引信標的和與差，再分別根據計算出的和與差的數值及信號類型作出相應的判定。

在仿真過程中，選用的計數次數為10次，相應的是十次的轉彎判定，將對應的判定結果存放于矩陣action中，每一列為一次仿真判定。每列中第一行為1時，表示Agent向右轉彎；第二行為1時，表示Agent向左轉彎；第三行為1時，表示Agent處于排斥范圍外，且沒接收到吸引信號的情況下，Agent保持直走的狀態。

如圖3所示，首先對序列1進行分析，左側的排斥信標強度大于臨界值5，則計算出兩側排斥信標強度的和與差，如圖可看出吸引信標強度之和與差都為0，表示未計算。兩側信標之和大于0，確保信號準確存在，左側與右側的排斥信標強度之差大于0，說明左側離排斥信標較近，Agent模塊向右轉彎，矩陣action的第一列為[1 0 0]T，表示執行向右轉彎判定，與理論要求一致。對序列2進行分析，兩側的排斥信標都小于臨界值5，則計算出兩側吸引信標的和與差，如圖2所示，排斥信標的和與差都為0，表示未計算。左側與右側的吸引信標強度只差大于0，右側距離Agent的距離較近，Agent應向左轉彎，矩陣action的第二列為[0 1 0]T，表示執行向左轉彎的判定，與理論一致。對序列3進行分析，兩側的排斥信標都小于臨界值5，則計算出兩側吸引信標的和與差，如圖2所示，排斥信標的和與差都為0，表示未計算。左側與右側的吸引信標強度只差小于0，右側吸引信標距離Agent較近，Agent應向右轉彎，矩陣action的第3列為[1 0 0]T，表示執行向右轉彎的判定，與理論一致。下面可按此方式來一一驗證。

根據所得出的兩組類型信號的和與差，判定出Agent模塊是向左轉彎，向右轉彎或直走的狀態。在仿真算法中，轉彎的決策通過矩陣的形式表示，矩陣內容如：

3 結束語

現有的多Agent系統，模塊間通信采用的是數字通信方式。相對而言硬件電路較復雜，且可靠性不高。基于以上原因，本文提出一種新型的多Agent系統，模塊間僅通過信標檢測的方式進行信息交互。對系統的運行原理進行了詳細的描述。并對Agent模塊的移動規則進行主要的分析及研究，通過仿真來進一步進行了驗證。而且現如今無線網絡的發展已趨于成熟化，將這一技術應用到多Agent系統中，進行了多方向的融合，應用領域廣泛，具有很好的研究價值。

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