多足机器人群控策略及可靠性问题

文章编号222多足机器人群控策略及可靠性问题Ξ顾勇平周华平马宏绪国防科技大学机电工程与自动化学院长沙摘要本文以国防科学技术大学机器人实验室研制的六足步行机器人为背景分析了在多机器人协调控制中可能出现的问题及相应的解决方法此类机器人控制理论的研究是以机器人部队概念紧密联系在一起的同时作为一种侦察!探测用机器人亦有广泛的应用背景关键词多足机器人群控策略可靠性中图分类号×°文献标识码ΓΡΟΥΠ−ΧΟΝΤΡΟΛΟΝΜΥΛΤΙΠΕΔΡΟΒΟΤΑΝΔΜΕΤΗΟΔΟΦΡΕΛΙΑΒΙΛΙΤΨ≠2∏22¬∏ΔεπτοφΜεχητρονιχΕνγινεερινγανδΑυτοματιονΝατιοναλΥνιϖερσιτψοφΔεφενχεΤεχηνολογψΧηανγσηαΑβστραχτ∏2∏∏√⁄2×∏∏2∏∏×∏2∏∏¬Κεψωορδσ∏∏21引言Ιντροδυχτιον看过美国影片5星球大战6的观众也许都被影片里壮观的机器人部队所征服感叹有朝一日当真正的机器人战士代替了人就可以大幅度的减少战争中人员的伤亡然而现实中机器人的功能远远达不到组成机器人部队的要求目前也只有美国等少数几个发达国家配备有机器人战士主要是从事侦察!排爆活动国内从事机器人群控研究还处于起步阶段要实现真正的机器人部队还有比较长的一段路要走在美国的计划中他们提到了机器人部队的概念作为一个部队它不像单个机器人控制首当其冲的就是要解决多机器人之间的协调问题而且必须保证其控制的可靠性从系统的观点来看系统的稳定性首先取决于组成单元的可靠性在解决好的单个机器人的控制问题之后才有可能实现整个机器人编队的可靠性作为群控理论研究机器人编队提供了一个很好的试验平台在组成上我们要求单个机器人的功能不一定要很强大重要的是通过多机器人之间相互协调来实现预定的功能单个机器人的控制技术现在还是比较成熟的我们开展此类的研究的目的就是要探索一种多机器人相互协调的方法2多机器人编队中机器人个体的选取Ηοωτοχηοοσετηεσινγλεροβοτ21选取原则对于机器人的群控为保证其控制的可靠性首先要保证机器人个体的可靠性基于此项要求我们对个体机器人的要求是!个体性能稳定具备一定的环境适应能力!具备信息采集能力!交互性能好能够实现个体与个体之间!个体与主控体之间的稳定通讯第卷第期年月机器人ΡΟΒΟΤ∂Ξ收稿日期!具备一定的容错纠错能力一般来说步行机器人技术实现起来比较复杂所以移动机器人大多采用的是轮式移动技术但是步行移动相对轮式移动有其优越性首先步行移动机器具有更好的适应性!灵活性和移动品质对于支撑路面步行移动机器的要求很低理论上只需要分散的!孤立的支撑点就可以通过机器人自行选择昀佳的支撑点获得昀佳的移动性能既便是在松软泥泞的路面上步行机器人也能够通过垂直抬腿运动和机身推进运动的解耦将受地面影响的程度降低到昀小而轮式移动机器通常要求连续的!硬质的支撑路面对于恶劣的支撑路面它只能被动的适应特别是在松软泥泞的路面上它很有可能遇到抛锚的危险其次在存在障碍物的情况下步行机器能够跨越与自身腿长相当的障碍物甚至跳越障碍而轮式移动机器仅能滚越其尺寸小于轮子半径的障碍物另外在移动的灵活性和移动运动的品质上步行移动可以是全方位的移动且可以实现足端运动与机身运动之间的解耦使得即使在凹凸不平的地面机身的运动也可以是平稳的而轮式移动机器严格的讲只能实现单一方向的移动且该移动运动随地面的凹凸而颠簸很难做到稳定在遇到机器翻倒的情况下轮式机器人是不可能自行调整过来的基于此类原因我们选择步行机器人作为多机器人编队个体另外从稳定性的角度来考虑足数越多越容易实现静态平衡乃至被动的静态平衡但是足数太多使得对于各足抬落时序和空间上的协调控制变得复杂从快速性能上讲足数越多则快速性越差综合以上进行考虑我们选择六足爬行机器人作为编队机器人个体22昆虫战士机器人国防科大机器人实验室从年末与上海广茂达公司合作开发了一套试验型六足机器昆虫))昆虫战士机器人这种多足机器人可作为战场侦察机器人!月球探测机器人的原型作为实验平台它的结构相对来说是很简单的我们主要以其为主体进行相应的群控理论的探索其原型见图从图我们可以看到就单个昆虫机器人来说其结构是很简单的它有六个支撑腿每个腿由两个正交的电机控制所以单腿只有两个自由度即只能上下!前后摆动供电系统及信息处理器集成在爬虫体内同时留有多个传感器接口可以扩展摄像头!触觉传感器!红外传感器等爬虫内部集成的信息处理系统包括单片机≤ƒ它体积小!质量轻减少了机器人自身的负载有利于机器人行为控制同时≤是位的处理结构外设晶振频率为可以满足大信息量的运算从而为外扩各种传感器提供了可能图昆虫战士机器ƒ×3机器人编队控制策略Τηεμανευϖεροφγρουπ−χοντρολ既然我们研究的背景是基于侦察!探测所以无论从机器人个体来说还是从机器人群体来说必须考虑到其特殊的功能就个体来说应具备一定的智能能够在主控器的指挥下去实现一定的任务我们设想的控制模式为整个编队由两部分组成包括控制塔和机器人编队控制的策略有两种包括单兵离散控制和相对集中控制我们以四爬虫编队为例逐一进行分析31单兵离散控制单兵离散控制结构图见图它明显的特征是控制塔直接对各个单兵进行控制这种控制模式对控制塔的要求比较高它要对整个环境有个全局的了解控制塔和机器人个体之间通讯频繁信息交流量大而且随着机器人数量的增多送往控制塔的信息量成倍增长所以要求控制塔要有强大的信息处理能力单兵之间保持一定的通讯用于彼此之间的信息交流这样可以相互定位同时可以对采集到的信息进行对比通过某一个体把相关信息传送到控制塔从而避免重复信息的传送提高信息通道的传送效率采用这种控制模式实现起来比较容易对单兵能力要求比较低但是要求功能强大的主控设备作为后盾同时要求辅助设施的协同如要实现对某一第卷第期顾勇平等多足机器人群控策略及可靠性问题未知环境的侦察需辅以定位系统而且这种控制策略有一明显的不足即各单兵均与控制塔通讯这样势必导致整个通讯频道的繁忙过频过密的通讯使得易于暴露目标况且一旦敌方干扰主通讯频道整个设备将陷入瘫痪状态直接导致任务的失败图单兵离散控制ƒ≥所以在这种控制策略上加以改进得到第二种控制策略))相对集中控制32相对集中控制这种控制策略直接源于常规的指挥系统一个作战部队有三部分组成包括司令部昀高决策单元!战场指挥员机动决策单元!部队执行单元同样机器人编队也有三部分组成控制塔!指挥员!单兵见图图相对集中控制ƒ≤控制塔负责全局决策它把要实现的目标下达到指挥员同时协助指挥员在异常情况下管理单兵图中用带箭头的虚线表示一般情况下控制塔不对单兵控制指挥员对下一级单兵负责它实现对上级意图的理解并把它分解成诺干个子任务下达到单兵单兵之间仍然保持通讯用于彼此的定位信息的转述以及重复信息的筛选把优化后的信息传送到指挥员这样可以减轻指挥员的信息处理负担采用这种控制策略对指挥员的要求提高了但是减少了单兵与控制塔之间的通讯这样可以因避免频繁的通讯导致的目标暴露安全性能提高了同时易于编队的扩展我们只需要增加指挥员的数量就可以增加兵员4可靠性问题的解决Τηεμετηοδοφρελι−α−βιλιτψ在机器人的群控中无论哪个环节出现问题都有可能导致整个任务的失败所以应该尽量把各种故障的出现降低的昀小同时任何一种控制方法在可能的情况下都应该留有余地即能够通过其他的方法来补偿无论采用哪一种控制策略首当其冲的问题就是如何对异常情况的处理这些异常情况包括单兵通讯失效!指挥员失控!主通道失灵等所以在群控的可靠性上大有文章可做41安全可靠的通讯可靠性问题的解决得益于各组成单元的稳定工作其中通讯单元占有极其重要的地位一旦通讯出现问题势必导致整个系统的瘫痪所幸的是技术的发展使得通讯技术日益成熟我们可以采用多种不同的通讯手段来保障通讯的安全常见的几种通讯手段包括微波通讯!红外通讯和光电传感器通讯微波通讯微波通讯是昀常见的通讯手段地面控制塔主要采用这种通讯手段对编队个体进行控制特别是在编队远离控制塔执行任务的时候微波通讯发展时间昀长技术也昀成熟而且受外界环境影响较小然而也正是因为它的技术昀成熟相应的各种干扰技术也是日益完善所以这种通讯方式往往会受到敌方电磁波的干扰而导致任务执行失败在设计此类通讯手段的时候就必须利用到各种保密通讯的手段如通讯加密技术!变频信号传送等这也就势必导致机体的复杂性增加控制的难度同时个体机器人的造价也增加了不少光电通讯这种通讯方式采用光电转换技术实现信息的交换保密性能好信息不容易被截获但传送的距离短适合于编队机器人之间的通讯同时这种通讯方机器人年月式易于受外部的干扰在地面起伏较大障碍物较多的环境中难以发挥作用红外通讯红外通讯方式也是一种适合短距离间的通讯它的安全性能较高适合用于机器人个体之间进行通讯不适合于控制塔与编队机器人之间的远距离通讯而且容易受到外界环境的影响这三种通讯手段各有利弊实际运用中用那一种要分不同的环境场合但对单一个体来说应具备一种以上的通讯能力防止一种通讯手段出现故障的情况下仍然能够保证通讯的正常42异常情况的处理作为多机器人群控如何在出现异常的情况下保证任务的顺利完成是一个难点总的来说保证指令能够顺利的到达各机器人个体至关重要只有这样才能在即使某一个体瘫痪的情况下仍然能够由其他的个体来完成其任务为了实现这一功能首先须保证控制塔单兵离散控制或指挥官相对集中控制对单兵的状况有一个总体的了解我们可以采用逐级汇报的方法来实现这一功能即在一定的时间间隔每一个体机器人向上一级发送一控制状态的特殊控制符上一级控制器就通过这一特殊的控制符来判断下一级个体的工作状态一旦控制符无效则认定该个体失效及时改变控制方法从而保证任务的完成421单兵故障作为一个编队单兵故障是比较容易出现的问题它分为可修复和不可修复两种对于可修复的故障如通讯故障就可启用备用设备这些功能可以依靠软件来实现对于不可修复的故障上一级控制器认定该单兵已经瘫痪其任务不能完成所以将及时调整方案由其他的机器人个体来完成剩余的任务422指挥官失效任何一级的指挥官都可认为是联系上一级指挥官和下一级单兵的枢纽一旦失效就意味着整个下一级的单兵失效所以必须采用方法来避免这种情况的产生对于此类故障可以通过上一级指挥官判断其控制状态符而检测出来一旦发现故障上一级指挥官全面接管失效指挥官所管辖的所有单兵或者在单兵中再指定一个作为临时的指挥官这样就能避免失效面的扩大423通讯失效通讯失效是一个比较麻烦的问题一般来说无论单兵还是指挥官都应该具备两套以上的通讯设备以备失效时用一旦一套通讯设备故障另一套立即启动运行这是硬件方面的补偿同时还有一套软件方面的补偿方法当一个体与上一级指挥官通讯故障又有两套补偿的通讯手段其一它可以越级汇报即它可以向更高一级的指挥官联系由更高一级的指挥官来直接管理其二可通过同级的单兵转述即这一个体可把要汇报的信息发送到同一级的某个单兵由它向上级转述同时上级下达到该单兵的指令也可以由其他的单兵转述这就实现了通讯通道的补偿总的原则是无论采用哪种控制策略只要能够在图或图上选择一通道达到相应的点就能以此为通讯通道实现信息的传递对于有辅助设备的明确任务我们还可以预先优化一种途径让单兵按预先规划好的方法来完成任务那样实现起来可以更快速更准确5应用前景及未来发展Αππλιχατιονφορε−γρουνδανδφυτυρεδεϖελοπμεντ群控理论研究是目前比较热门的一个控制理论研究方向它在多机器人协作有广泛的应用价值而且机器人在很多危险工作中替代人是高科技发展的必然趋势机器人编队也是此类问题之一目前群控理论的研究随着计算机技术!分布式人工智能技术!机器人技术等学科的发展而日渐蓬勃它在军事!民用等领域有着广泛的应用前景在军事领域机器人编队可以执行诸如战略侦察!地面爆破等任务多机器人从不同方位接近目标可以获取更多的信息这就达到了全方位了解对方的目的从而使任务完成的更加出色另外机器人编队作为一种智能化的产品其相应的控制理论方法同样适用于其他多智能体的控制在民用领域机器人编队可以替代人进行未知环境!危险环境的探测通过多机器人协调控制能够充分高效的的收集各类相关信息供研究