多智能体协作的移动机器人控制系统研究

摘要

应用于RoboCup 中型组足球机器人技术的研究涉及机器人的平台设计、运动控制、自定位、路径规划、多智能体合作、动态环境的学习、多机器人系统中的自主合作行为、分布式传感器融合等方面，已成为人工智能领域和机器人领域的热门研究课题。 本文首先结合了世界上技术比较先进的足球机器人队的系统构架、控制方案，提出了一个比较合理的机器人自身以及多机器人系统的功能构架，并对每个功能模块进行了详细地分析。对于单个机器人系统而言，本文划分为四个较大的功能模块：信息传感系统，主控制系统，硬件系统以及外部通信系统。并且本文规范了通信传感系统和主控系统之间，以及硬件系统和主控系统之间的通信协议。 本文也给出了该多智能体的控制系统构架在OMRON 表演机器人上的应用。对于机器人的控制，从控制行为策略的产生到机器人执行器的执行，其中必须经过路径规划这一过程。本文分析了路径规划的常用算法，并着重讨论了传统以及一些改进人工势场法的优点及缺陷。针对机器人足球比赛这种对抗性、实时性的环境，提出了一种基于相对威胁系数的改进型人工势场法的机器人路径规划方法。该方法将机器人、障碍物、和球的速度，以及障碍物和机器人之间的相对速度矢量引入人工场法中。而机器人威胁系数由障碍物和球相对于机器人的位置和运动趋势来决定。 最后，本文采用了相应的仿真程序来验证该方法的可行性。而在实际的机器人系统上也得到了基本的验证。对于多机器人系统，其之间的合作主要体现在各机器人的信息的交互和命令的传达。因此多机器人系统的通信系统对于多机器人或多智能体的分布式控制、协作是及其关键的。 本文提出了一种基于智能体的通信系统分析和设计，将该通信系统看作一个能自主连接，自主控制的智能体。对该通信平台的硬件、通信内容以及协议进行了设计和分析。本文为多机器人系统的协作问题求解和信息共享提供一套可操作的通信协议。该协议通过“队长ID 机制”和“应答机制”，实现了队长的动态变更，并可保证可靠的信息交互。并且应用该通信系统，对多机器人控制系统中单个机器人异常的检测以及系统小队的组织和协调作了相应的分析。通过在足球机器人系统上应用，说明了该通信系统有很好的稳定性、协调性，为多智能体之间的交互提供了有力的保障。