一種多機(jī)器人分布式分級(jí)協(xié)作策略

一種多機(jī)器人分布式分級(jí)協(xié)作策略

0基于多屬性協(xié)作策略的多機(jī)器人分布式任務(wù)組織策略多機(jī)器人可以通過合作完成復(fù)雜的任務(wù)，提高整體性能。機(jī)器人協(xié)作問題指異構(gòu)機(jī)器人承擔(dān)任務(wù)組中不同的角色以合作完成任務(wù),問題的關(guān)鍵是如何組織任務(wù)、采用何種合作機(jī)制,如何協(xié)調(diào)等一些研究者認(rèn)為采用分布式的協(xié)作體系結(jié)構(gòu)能使機(jī)器人完成多種智能行為,目前,分布式協(xié)作系統(tǒng)研究重點(diǎn)之一是協(xié)作策略,即任務(wù)組織與任務(wù)協(xié)調(diào)本文針對(duì)異構(gòu)機(jī)器人協(xié)作完成任務(wù)問題,借鑒市場(chǎng)分配機(jī)制,采用了多機(jī)器人分布式分級(jí)控制結(jié)構(gòu)?？紤]“機(jī)器人能力、移動(dòng)速度、路徑長(zhǎng)度、完成任務(wù)消耗、任務(wù)優(yōu)先級(jí)”等因素,設(shè)計(jì)了多屬性任務(wù)組織策略。針對(duì)任務(wù)發(fā)生變化或機(jī)器人發(fā)生故障等問題,提出了組成員協(xié)調(diào)策略。1能力屬性與任務(wù)機(jī)器人可用一個(gè)四元組描述:R=<Rid,Rst,Rcap,Rv>。其中:Rid用來標(biāo)識(shí)機(jī)器人,Rst描述機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài),Rcap是機(jī)器人的能力屬性,Rv指機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度。以機(jī)器人的任務(wù)角色區(qū)分,協(xié)作系統(tǒng)有三類機(jī)器人:Re、R通過對(duì)系統(tǒng)任務(wù)屬性的分析,抽象了七個(gè)基本特征描述任務(wù)。T={X,Y,O,U,Q,T,M}。X,Y表示任務(wù)的位置,O表示完成該任務(wù)所需要的能力,U表示完成任務(wù)所產(chǎn)生的收益,Q表示任務(wù)執(zhí)行的優(yōu)先等級(jí),T表示完成任務(wù)所需要的最短時(shí)間,M表示完成任務(wù)所需的最多機(jī)器人數(shù)。2多機(jī)器人系統(tǒng)的合作策略本文研究的多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)采用了一種分布式分級(jí)協(xié)作控制結(jié)構(gòu),主要從任務(wù)組織、組成員協(xié)調(diào)、通信三方面考慮多機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)作問題。2.1根據(jù)能力匹配的子任務(wù),進(jìn)行匹配和選在分布式多機(jī)器人系統(tǒng)中,有些任務(wù)是單機(jī)器人無法完成的,需要合作,為了保證系統(tǒng)有較高的性能,任務(wù)組織必須實(shí)現(xiàn)以下原則:(1)優(yōu)先級(jí)高的子任務(wù)先執(zhí)行。由于子任務(wù)間有一定順序依賴關(guān)系,因此子任務(wù)的優(yōu)等級(jí)不相同,優(yōu)先級(jí)高的子任務(wù)先執(zhí)行可以提高任務(wù)協(xié)作質(zhì)量;(2)給機(jī)器人分配與其能力最匹配的子任務(wù)。系統(tǒng)中機(jī)器人是異構(gòu)的,而每一個(gè)子任務(wù)對(duì)機(jī)器人的能力要求也各不相同,為了避免能力過剩和能力不足的問題,為每個(gè)機(jī)器人選擇與自身能力最匹配的子任務(wù),可以提高系統(tǒng)性能;(3)選擇無碰路徑較短的、移動(dòng)速度較快的機(jī)器人,可以縮短機(jī)器人到任務(wù)的時(shí)間;(4)機(jī)器人完成任務(wù)必須能夠最大化自身效益;(5)任務(wù)組中機(jī)器人數(shù)量分布要適當(dāng)。任務(wù)執(zhí)行過程中,機(jī)器人數(shù)量過多,則相互碰撞的機(jī)率增大,機(jī)器人完成任務(wù)的效率降低。因此,保持任務(wù)組中機(jī)器人數(shù)量分布適當(dāng),可以提高系統(tǒng)的平均效率。2.2動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)成員由于任務(wù)的不確定性(如任務(wù)死鎖或有更重要的任務(wù))、成員機(jī)器人及自由機(jī)器人狀態(tài)的變化等原因,往往會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前的分組方案不一定是最優(yōu)的。因此,在任務(wù)執(zhí)行過程中需要對(duì)任務(wù)成員動(dòng)態(tài)調(diào)整。協(xié)調(diào)的原則是使機(jī)器人的能力最大發(fā)揮、執(zhí)行更重要的任務(wù)、以最小消耗獲得最大效益且付出違約代價(jià)最小。2.3控制組之間無通信協(xié)作的實(shí)現(xiàn)離不開通信,由于機(jī)器人之間的位置是移動(dòng)的,無線通信成了最佳的選擇。消息對(duì)話通信是實(shí)現(xiàn)靈活和復(fù)雜的協(xié)作策略的基礎(chǔ),機(jī)器人使用規(guī)定的協(xié)議相互交換信息,機(jī)器人之間的消息是直接交換的,執(zhí)行中沒有緩沖。主控機(jī)器人與組長(zhǎng)機(jī)器人、組成員之間的通信均采用消息對(duì)話通信。為了減少系統(tǒng)的通信負(fù)擔(dān),各任務(wù)組之間無通信。在多機(jī)器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)中,最復(fù)雜的通信任務(wù)是多個(gè)任務(wù)發(fā)布及分配。任務(wù)發(fā)布以廣播方式進(jìn)行,為了避免多個(gè)任務(wù)同時(shí)發(fā)布,造成擁塞。對(duì)無線通信系統(tǒng)設(shè)置通信令牌,狀態(tài)置忙或閑,只有獲取令牌使用權(quán),才能進(jìn)行通信。當(dāng)令牌狀態(tài)閑,機(jī)器人組長(zhǎng)獲取令牌后,進(jìn)行任務(wù)的發(fā)布和招標(biāo),且將令牌狀態(tài)置忙,當(dāng)任務(wù)組織完備,令牌狀態(tài)置閑。利用通信令牌保證了同一時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)組進(jìn)行新任務(wù)的發(fā)布和分配,緩解了“信道”的通信負(fù)擔(dān)。3算法描述假定組長(zhǎng)R3.1任務(wù)組織策略任務(wù)組織過程中,組長(zhǎng)根據(jù)競(jìng)標(biāo)者的情況選擇效用最優(yōu)的機(jī)器人參與任務(wù)。根據(jù)任務(wù)組織策略,設(shè)計(jì)了一個(gè)多屬性競(jìng)標(biāo)函數(shù),考慮了執(zhí)行任務(wù)的重要性、機(jī)器人的能力、執(zhí)行任務(wù)的消耗、距離和效益等因素,對(duì)任務(wù)信息和競(jìng)標(biāo)機(jī)器人信息進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),值的大小表示機(jī)器人對(duì)任務(wù)的競(jìng)標(biāo)能力。(1)執(zhí)行任務(wù)的能力屬性自由機(jī)器人Rei對(duì)任務(wù)T={t其中,a表示機(jī)器人的能力屬性,v表示機(jī)器人移動(dòng)速度,q表示執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)先級(jí),d表示機(jī)器人到任務(wù)的無碰路徑長(zhǎng)度,o表示執(zhí)行任務(wù)的消耗,u表示執(zhí)行任務(wù)取得的收益。(2)競(jìng)爭(zhēng)函數(shù)m,n為系數(shù),q(3)任務(wù)組織算法根據(jù)任務(wù)組織策略和競(jìng)標(biāo)函數(shù),設(shè)計(jì)了一種任務(wù)組織算法。(1)組長(zhǎng)發(fā)布任務(wù)信息;(2)自由機(jī)器人Rei利用競(jìng)標(biāo)函數(shù),計(jì)算對(duì)子任務(wù)競(jìng)標(biāo)的特征值集{K3.2任務(wù)協(xié)調(diào)算法機(jī)器人進(jìn)行任務(wù)轉(zhuǎn)換時(shí),完成新任務(wù)產(chǎn)生的效益必須彌補(bǔ)改變?nèi)蝿?wù)產(chǎn)生的費(fèi)用(1)違約代價(jià)原則由于某個(gè)機(jī)器人放棄執(zhí)行當(dāng)前的任務(wù),使得當(dāng)前任務(wù)無法正常完成,多機(jī)器人系統(tǒng)必須付出代價(jià),稱為違約代價(jià),記為cost。記機(jī)器人Rei對(duì)任務(wù)tcost(2)函數(shù)轉(zhuǎn)換(u(3)任務(wù)協(xié)調(diào)算法根據(jù)組成員動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)策略,設(shè)計(jì)了一種任務(wù)協(xié)調(diào)算法。(1)主控機(jī)器人發(fā)布任務(wù)信息;(2)組長(zhǎng)機(jī)器人R4綜合測(cè)評(píng)的原則針對(duì)多機(jī)器人任務(wù)協(xié)作的優(yōu)化問題,本文提出了一種分級(jí)協(xié)作策略,其主要貢獻(xiàn)在于:(1)用多屬性競(jìng)標(biāo)效用函數(shù)對(duì)投標(biāo)機(jī)器人進(jìn)行綜合評(píng)測(cè),不僅考慮機(jī)器人的能力和機(jī)器人到任務(wù)的距離,還綜合考慮了任務(wù)的重要性、執(zhí)行任務(wù)的消耗、效益等因素;(2)在違約代價(jià)最小、