基于粒子群算法的群体机器人围捕行为的研究

基于粒子群算法的群体机器人围捕行为的研究三、拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可行性分析

四、课题的创新性一、课题意义及国内外研究现状综述二、课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题基于粒子群算法的群体机器人围捕行为的研究课题意义“机器人”一词最早出现在1920年捷克作家卡雷尔•恰佩克的撰写的一部科幻小说(罗萨姆的机器人万能公司)中，从此“机器人”就开始走近了人们的生活。到目前为止，“机器人”仍然没有统一的定义，人们认为机器人是自动执行工作的机械装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动的机器。

随着社会生产技术的飞速发展，机器人的应用领域不断扩展，从自动化生产线到太空作业等领域，机器人可谓是无处不在。现有的机器人研究在理论和技术两方面虽已取得了很大的进展，但是单个机器人在信息的获取、处理及控制能力等方面都是有限的，对于复杂的工作任务及多变的工作环境，单个机器人的能力更显不足。于是人们考虑由多个机器人组成的群体系统通过协调、协作来完成单机器人无法或难以完成的工作。

群机器人系统是特殊的多机器人系统，由许多无差别的自治机器人组成，具有典型的分步式系统特征。

群体机器人系统比单机器人系统具有更强的优越性，主要表现在以下几个方面：（1）相互协调的n个机器人系统的能力可以远大于一个单机器人系统的n倍，群体机器人系统还可以实现单机器人系统无法实现的复杂任务；（2）设计和制造多个简单机器人比单个复杂机器人更容易、成本更低；（3）使用群体机器人系统可以大大节约时间，提高效率；（4）群体机器人系统的平行性和冗余性可以提高系统的柔性和鲁棒性等等。

经过二十几年的发展，群体机器人系统的研究已在理论和实践方面取得很大的进展，并建立了多机器人仿真系统和实验系统。但是这些研究还都在实验阶段，而且任务的复杂度还不够高，进行群体机器人系统的研究是机器人技术发展的必然趋势，必将对机器人技术的发展带来划时代的变革。

国内外研究现状机器人是20世纪最伟大的发明之一。从某种意义上讲，一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。目前，国内关于群体机器人系统的研究刚刚起步，而国外的研究则比较活跃。与结构越来越复杂的单个机器人相比，群体机器人系统在鲁棒性、可扩展性和灵活性方面都占有很大优势，因此具有更加广阔的应用前景。

经过二十几年的发展，群体机器人系统的研究已在理论和实践方面取得很大的进展，并建立了群体机器人仿真系统和实验系统。下面请看几个已研究的群体机器人的例子······

日本名古屋大学的T.Fukuda教授领导的研究小组在生物细胞结构的启发下研究的CEBOT（CellularRobotSystem）系统就是一个典型的示例。CEBOT系统将系统中相同或不同功能的机器人视为细胞元，这些细胞元机器人可以移动、寻找和组合。根据任务或环境的变化，这些细胞元机器人可以自行组织成为器官化、功能化的机器人，多个功能器官化机器人可以进一步自行组织成为功能更加复杂的机器人系统。细胞结构机器人系统强调的是单元体如何根据任务和环境的要求进行动态重构，因此，该系统具有多变的构型，可以具有学习和自适应的群智能，并具有分布式的体系结构。国外>>国外>>比利时布鲁塞尔大学开发了一组名为“Swarm-bot”的机器人系统，它由数个小型的Swarm-bot通过夹子相互连接起来，通过相互合作来完成个体无法完成的任务。右图展示了Swarm—bots作探测复杂环境的情况。很明显，单个机器人无法进入洞穴中去进行探测，但是通过一群机器人相互连接在一起，就使它们具有了探索这个洞穴的能力。英国科学家对蚂蚁、蜜蜂等群居昆虫虽然个体微不足道，但是集合群体的力量却能创造自然界奇迹的现象进行研究，研制出一种新型“集群机器人”。虽然看起来不起眼，行动也貌似杂乱无章，但它们装备有数据通信系统，还有一个微型电脑，因此每一个个体都是可以独立行动，并且还能够像昆虫群体一样交流合作。其研制背景就是由于机器人经常被派至恶劣的条件下执行任务，易发生损坏导致无法完成既定任务。如果用一群小型机器人来取代一个昂贵的大型机器人去完成任务，即使其中的若干失效，也不会影响整个任务的达成。国外>>跳舞机器人由中科院深圳先进技术研究院以及中科院香港中文大学深圳先进集成技术研究所合作完成，机器人内置有听筒，可以接受外部的音乐信号，将节拍特征转换为控制信号，从而控制电机实现机器人各种动作。国内>>

中科院沈阳自动化研究所承担的863课题，“可重构星球探测机器人”。国内>>

除了上述的一些例子外。目前，群体机器人已经在一些人类难以到达的区域得到应用。例如矿难事故中的人员搜救；消防上用于代替消防人员灭火和营救受困人员和地震救援等。搜救任务是群体机器人系统应用比较多的一个领域，美国加州大学的机器人辅助搜救系统曾经参与了灾难搜救工作，其中仍然需要工程师的干预和操作，没有实现完全自主。军事上波音公司研发的第一个运用群体仿生学技术的无人驾驶军用试验飞机。随着全世界科学技术的发展，群体机器人系统应用逐渐推广到工业、军事、医学等各个领域。群体机器人的出现，使得人类在没有任何危险的状况下，顺利的完成以前艰苦或者危险领域的作业。

总体而言，群体机器人在诸多领域的研究取得了一定的进展，尽管目前还不是很成熟，但其发展和应用前景很广，其发展方向有如下几点：

(1)机器人个体之间相互通信技术；

(2)机器人个体之间表达、描述问题，分解和分配任务；

(3)机器人在行动中的行为协调一致技术；

(4)机器人彼此之间识别和冲突解决技术。目前群体机器人的研究主要集中在群体机器人的编队控制、聚集队形控制、任务分配、搜索等方面的研究，但是对群体机器人的围捕行为的研究还相对较少，群体机器人围捕系统又是一种比较典型的群体协作系统，它的研究对群体机器人协作技术的发展有着普遍的推动意义。研究目标根据群体机器人运动的特点，用粒子群算法建立群体机器人运动的数学模型，利用仿真软件MATLAB对群体机器人的围捕行为进行仿真实验，并设计群体机器人的实体实验，实现群体机器人的围捕功能。研究内容（1）建立群体机器人围捕的数学模型分析群体机器人的围捕问题，选择环境建模和规划方法，分析粒子群算法，在粒子群算法的基础上，根据群体机器人特点，建立群体机器人围捕的数学模型。（2）利用粒子群算法实现群体机器人的系统协作与控制。（3）设计并编程实现群体机器人围捕的算法，在仿真软件中验证算法的可行性和有效性，实现群体机器人的围捕功能。（4）进行群体机器人系统的软硬件开发，建立一套群体机器人系统，进行群体机器人围捕的实验，解决试验中可能遇到的群体机器人的协作与通信冲突等问题。拟解决的关键性问题（1）群体机器人对外界环境信息的精确采集以及对信息的模糊处理。（2）群体机器人相互之间的通信技术以实现信息资源的共享。（3）群机器人系统冲突问题。拟采取的研究方法以群体智能、仿生学、现代控制理论、电工电子为理论基础进行理论分析、系统开发、仿真设计与实体实验、调试相结合的研究方法。技术路线（1）理论分析：群体机器人的围捕是多学科的交叉领域，要求对各门知识都有一定的掌握如：机器人学、仿生学、现代控制理论、单片机、群体智能等，通过理论知识和群体机器人的特点，建立群体机器人的数学模型。（2）系统开发：以仿真软件matlab来实现群体机器人围捕的仿真实验，通过实验数据分析证明围捕算法的可形性。（3）实体试验：通过建立一套群体机器人并开发一套群体机器人系统，进行多次试验调试，来验证围捕策略的可行性。技术流程图实验方案（1）用三维软件proe建立群体机器人的三维模型，并进行结构优化。（2）以matlab为仿真软件对群体机器人的围捕策略进行仿真实验，查看围捕策略的效果。（3）设计群体机器人的控制电路图。（4）完成群体机器人实体的制作，编写控制程序，运行调试，实现群体机器人的围捕功能。可行性分析（1）目前国内外对群体机器人的研究已经很多，但是大部分是关于群体机器人的路径规划与编队，对群体机器人围捕行为的研究还相对较少，而且国内已经出现多机器人围捕策略的实验与研究，这对对群体机器人的围捕策略有一定的借鉴作用。（2）当代群体机器人通讯技术的发展和群体机器人协作与控制行为的研究为本课题的研究提供了理论基础。（3）大量阅读了群体机器人协作和群体机器人系统冲突的解决等方面的期刊、书籍，并收集了很多相关资料，为该群体机器人的围捕策略及仿真的研究指明了方向。（4）对本课题涉及到的一些知识和软件进行了充分的学习，另外自己在运动学、机构学、控制理论学科方面也有一定的经验积累，为进一步研究提供了基础保障。（5）有机电工程学院强有力的师资力量和硬设备做保证，相信在老师的指导和同学的帮助下可以达到预期的目的。课题创新性（1）用粒子群算法建立群体机器人围捕系统的数学模型，优化群体机器人运动路径。（2）利用模糊控制改进群体机器人的传感器系统，增加群体机器人接收信息的精确度。计划进度和预