一种多机器人分布式分级协作策略

一种多机器人分布式分级协作策略

0基于多属性协作策略的多机器人分布式任务组织策略多机器人可以通过合作完成复杂的任务，提高整体性能。机器人协作问题指异构机器人承担任务组中不同的角色以合作完成任务,问题的关键是如何组织任务、采用何种合作机制,如何协调等一些研究者认为采用分布式的协作体系结构能使机器人完成多种智能行为,目前,分布式协作系统研究重点之一是协作策略,即任务组织与任务协调本文针对异构机器人协作完成任务问题,借鉴市场分配机制,采用了多机器人分布式分级控制结构。考虑“机器人能力、移动速度、路径长度、完成任务消耗、任务优先级”等因素,设计了多属性任务组织策略。针对任务发生变化或机器人发生故障等问题,提出了组成员协调策略。1能力属性与任务机器人可用一个四元组描述:R=<Rid,Rst,Rcap,Rv>。其中:Rid用来标识机器人,Rst描述机器人的当前状态,Rcap是机器人的能力属性,Rv指机器人的运动速度。以机器人的任务角色区分,协作系统有三类机器人:Re、R通过对系统任务属性的分析,抽象了七个基本特征描述任务。T={X,Y,O,U,Q,T,M}。X,Y表示任务的位置,O表示完成该任务所需要的能力,U表示完成任务所产生的收益,Q表示任务执行的优先等级,T表示完成任务所需要的最短时间,M表示完成任务所需的最多机器人数。2多机器人系统的合作策略本文研究的多机器人协作系统采用了一种分布式分级协作控制结构,主要从任务组织、组成员协调、通信三方面考虑多机器人系统协作问题。2.1根据能力匹配的子任务,进行匹配和选在分布式多机器人系统中,有些任务是单机器人无法完成的,需要合作,为了保证系统有较高的性能,任务组织必须实现以下原则:(1)优先级高的子任务先执行。由于子任务间有一定顺序依赖关系,因此子任务的优等级不相同,优先级高的子任务先执行可以提高任务协作质量;(2)给机器人分配与其能力最匹配的子任务。系统中机器人是异构的,而每一个子任务对机器人的能力要求也各不相同,为了避免能力过剩和能力不足的问题,为每个机器人选择与自身能力最匹配的子任务,可以提高系统性能;(3)选择无碰路径较短的、移动速度较快的机器人,可以缩短机器人到任务的时间;(4)机器人完成任务必须能够最大化自身效益;(5)任务组中机器人数量分布要适当。任务执行过程中,机器人数量过多,则相互碰撞的机率增大,机器人完成任务的效率降低。因此,保持任务组中机器人数量分布适当,可以提高系统的平均效率。2.2动态调整任务成员由于任务的不确定性(如任务死锁或有更重要的任务)、成员机器人及自由机器人状态的变化等原因,往往会导致当前的分组方案不一定是最优的。因此,在任务执行过程中需要对任务成员动态调整。协调的原则是使机器人的能力最大发挥、执行更重要的任务、以最小消耗获得最大效益且付出违约代价最小。2.3控制组之间无通信协作的实现离不开通信,由于机器人之间的位置是移动的,无线通信成了最佳的选择。消息对话通信是实现灵活和复杂的协作策略的基础,机器人使用规定的协议相互交换信息,机器人之间的消息是直接交换的,执行中没有缓冲。主控机器人与组长机器人、组成员之间的通信均采用消息对话通信。为了减少系统的通信负担,各任务组之间无通信。在多机器人协调系统中,最复杂的通信任务是多个任务发布及分配。任务发布以广播方式进行,为了避免多个任务同时发布,造成拥塞。对无线通信系统设置通信令牌,状态置忙或闲,只有获取令牌使用权,才能进行通信。当令牌状态闲,机器人组长获取令牌后,进行任务的发布和招标,且将令牌状态置忙,当任务组织完备,令牌状态置闲。利用通信令牌保证了同一时刻只有一个任务组进行新任务的发布和分配,缓解了“信道”的通信负担。3算法描述假定组长R3.1任务组织策略任务组织过程中,组长根据竞标者的情况选择效用最优的机器人参与任务。根据任务组织策略,设计了一个多属性竞标函数,考虑了执行任务的重要性、机器人的能力、执行任务的消耗、距离和效益等因素,对任务信息和竞标机器人信息进行综合评价,值的大小表示机器人对任务的竞标能力。(1)执行任务的能力属性自由机器人Rei对任务T={t其中,a表示机器人的能力属性,v表示机器人移动速度,q表示执行任务的优先级,d表示机器人到任务的无碰路径长度,o表示执行任务的消耗,u表示执行任务取得的收益。(2)竞争函数m,n为系数,q(3)任务组织算法根据任务组织策略和竞标函数,设计了一种任务组织算法。(1)组长发布任务信息;(2)自由机器人Rei利用竞标函数,计算对子任务竞标的特征值集{K3.2任务协调算法机器人进行任务转换时,完成新任务产生的效益必须弥补改变任务产生的费用(1)违约代价原则由于某个机器人放弃执行当前的任务,使得当前任务无法正常完成,多机器人系统必须付出代价,称为违约代价,记为cost。记机器人Rei对任务tcost(2)函数转换(u(3)任务协调算法根据组成员动态协调策略,设计了一种任务协调算法。(1)主控机器人发布任务信息;(2)组长机器人R4综合测评的原则针对多机器人任务协作的优化问题,本文提出了一种分级协作策略,其主要贡献在于:(1)用多属性竞标效用函数对投标机器人进行综合评测,不仅考虑机器人的能力和机器人到任务的距离,还综合考虑了任务的重要性、执行任务的消耗、效益等因素;(2)在违约代价最小、