基於覓食模型的多機器人協調控製研究
學術研究
作者：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係統的關鍵技術。以多機器協調控製的標準平台——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，並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、處理及控製能力等方麵都是有限的，對於複雜多變的工作任務、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。於是多機器人組成的群體係統備受關注，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。這使得多機器人係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係統的關鍵技術。
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，並運送回一固定的區域（家區域），而多機器人係統正是受到生物群體的啟示發展起來的係統。
1.1 單區域覓食
在這種覓食方式中，係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。任務開始之後，各個機器人按照自己的策略進行獨立的覓食工作，當兩個機器人發生衝突時，則需要進行回避的行為。
1.2 分家覓食
分家覓食是在很多需要多機器人係統進行類似於覓食任務的場合下，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。
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，它們隻負責在所在區間中尋覓食物，找到後將其運送到這一區間與下一個區間相鄰的指定交接區域，這些食物將留在那裏等待在下一個區間工作的機器人來繼續將其搬運，直到最後處於家區域的機器人將這一食物運送回家。
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）單位步長內機器人隻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
首先隻考慮兩個機器人之間的避障，若兩個機器人間的距離等於單位步長移動的最大距離的2倍（2L）。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；由於單位步長內A、B移動的距離：AC+BC≤AB；所以A、B不會相遇；若B沿著BD（平行於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之間的距離小於2L，連接AB的直線與X軸正方向把整個平麵劃分成3個區域下麵我們將討論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的方向介於BA與BD（平行於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，（2）A、B不可能相遇但由於它們之間的距離小於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於2L。其他2個區域的避障情況類似，不再詳細描述。