王兆元 溫強(qiáng)華 大連大學(xué)信息工程學(xué)院,遼寧大連 116622

機(jī)器人隊(duì)列的分布式協(xié)作控制研究

王兆元 溫強(qiáng)華 大連大學(xué)信息工程學(xué)院,遼寧大連 116622

主要研究了自主移動(dòng)機(jī)器人隊(duì)列的分布式協(xié)作控制。隊(duì)列控制是使機(jī)器人能夠在一個(gè)混沌的環(huán)境下保持某種指定隊(duì)形的控制類(lèi)型。文中描述了使機(jī)器人保持隊(duì)形的控制行為和避障行為，這些行為是由原始行為與設(shè)定行為的偏差決定的。然后構(gòu)造了有兩個(gè)自主移動(dòng)機(jī)器人的隊(duì)列，紅外傳感器和LED燈分別安裝在機(jī)器人的前后部。最后成功實(shí)現(xiàn)了仿真和實(shí)驗(yàn)。

移動(dòng)機(jī)器人；圖像處理；對(duì)象識(shí)別；環(huán)境識(shí)別；運(yùn)動(dòng)控制

引言

對(duì)于很多需要多種資源的任務(wù)來(lái)說(shuō)，一個(gè)機(jī)器人很難完成。此時(shí)多個(gè)自主機(jī)器人之間的協(xié)作就顯得很有必要[1]。最簡(jiǎn)單的協(xié)作形式是隊(duì)列控制，協(xié)作的機(jī)器人之間沒(méi)有任何物理上的連接。機(jī)器人隊(duì)列研究可以應(yīng)用在以下很多領(lǐng)域：軍事偵察、空間探測(cè)、安全巡邏、搜救、農(nóng)業(yè)等。在應(yīng)用中，采用某些方法使隊(duì)列能夠容易地建立和保持。例如，在空間探測(cè)中，如果使用某一個(gè)機(jī)器人，當(dāng)遇到一個(gè)障礙時(shí)，就會(huì)有很大的風(fēng)險(xiǎn)與這個(gè)機(jī)器人失去聯(lián)系。但是一群具有相同功能的模塊或個(gè)體機(jī)器人通過(guò)相互連接與分離，可以構(gòu)建具有比單個(gè)模塊或個(gè)體機(jī)器人更強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)、感知和作業(yè)能力的集合體機(jī)器人[2]。協(xié)作在避障和尋找可行路徑以到達(dá)目標(biāo)方面，起到的可能是決定性的作用[3]。協(xié)作的原理大部分來(lái)源于仿生學(xué)，如一群魚(yú)的協(xié)作、一群鳥(niǎo)的協(xié)作等等。通常，協(xié)作有兩種類(lèi)型：基于信息的協(xié)作和基于物理連接的協(xié)作。分布式協(xié)作控制在信息量、魯棒性、地域連接等方面都具有優(yōu)勢(shì)[4]。

當(dāng)前對(duì)多機(jī)器人的分布式協(xié)作的研究有很多種方法[5]。對(duì)一組機(jī)器人，導(dǎo)航策略可以采用相鄰跟蹤的方法。每個(gè)機(jī)器人都根據(jù)同一個(gè)隊(duì)列向量協(xié)調(diào)各自的動(dòng)作[6]。本文提出了一種基于機(jī)器人間虛擬的獨(dú)立鏈接對(duì)從而引導(dǎo)機(jī)器人隊(duì)列運(yùn)動(dòng)的方法。

文中研究了一組自主移動(dòng)機(jī)器人的分布式協(xié)作隊(duì)列控制。隊(duì)列控制要求是一組機(jī)器人在一個(gè)混沌的環(huán)境中移動(dòng)時(shí)能夠保持一種指定的隊(duì)形。首先介紹了三種基本行為：保持隊(duì)形行為、避障行為和尋找目標(biāo)行為，機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)建立在這三種基本行為的偏差基礎(chǔ)之上。然后構(gòu)造了一個(gè)有兩個(gè)機(jī)器人的隊(duì)列，并實(shí)驗(yàn)研究了該隊(duì)列的控制效果。

1 硬件配置

本設(shè)計(jì)構(gòu)造了一個(gè)實(shí)驗(yàn)用的小型的移動(dòng)機(jī)器人，尺寸為120mm×220mm，驅(qū)動(dòng)類(lèi)型為移動(dòng)機(jī)器人常用的兩輪驅(qū)動(dòng)?？刂破鞑捎昧?6位微控制器H8，它產(chǎn)生的PWM信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)2A的全橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片（東芝TA7291P）。每個(gè)車(chē)輪由一個(gè)5V的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖 1 移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)置

為了在機(jī)器人之間檢測(cè)和通信，在車(chē)身的前后部分別安裝了東芝TPS611紅外圖像傳感器和OSIR5113A型號(hào)的LED燈。安裝方式如圖1所示。2個(gè)LED燈可以覆蓋15度的區(qū)域，所以6個(gè)LED燈可以覆蓋90度的區(qū)域范圍。

圖2 圖像傳感器輸出電壓與到LED燈距離關(guān)系圖

圖像傳感器用來(lái)檢測(cè)另外機(jī)器人LED燈所發(fā)出紅外線(xiàn)。一個(gè)900nm的圖像傳感器能夠檢測(cè)的最大角度是16度。所以如圖1所示的安排方式，相鄰兩個(gè)圖像傳感器間的探測(cè)角度可達(dá)30度。圖像傳感器的輸出電壓，在H8的控制下，被AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為8位的數(shù)字量。

三個(gè)相位靈敏的P S D測(cè)距傳感器SHARP GP2D12也在車(chē)身前部安裝，安裝角度與圖像傳感器角度相同。它們用來(lái)探測(cè)與前方障礙或前方小車(chē)的距離。每個(gè)PSD傳感器也被AD轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字量，然后在算法中被轉(zhuǎn)換為距離。

關(guān)于圖像傳感器的輸出電壓與到LED燈距離關(guān)系的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示。其中，LED的電流為15m A，限流電阻為7K Ω。LED發(fā)射器的電壓可用做跟蹤控制。因?yàn)閺膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)LED的距離在一個(gè)特定范圍內(nèi)與較遠(yuǎn)的距離時(shí)，輸出電壓有很大的變化。

2 行為控制

隊(duì)列的行為必須和導(dǎo)航行為相互應(yīng)。各個(gè)機(jī)器人之間應(yīng)該盡量地在行進(jìn)位置、避障和向目標(biāo)行進(jìn)方面保持協(xié)調(diào)[7]。為了有效地對(duì)隊(duì)列進(jìn)行控制，本文構(gòu)造了三個(gè)基本的行為：隊(duì)形保持行為、避障行為和向目標(biāo)行進(jìn)行為。這些行為的控制都基于傳感器對(duì)所處環(huán)境的檢測(cè)。

隊(duì)形保持行為是指，機(jī)器人根據(jù)隊(duì)列隊(duì)形要求而決定所處位置的行為。機(jī)器人根據(jù)對(duì)前方機(jī)器人的探測(cè)，產(chǎn)生一個(gè)控制向量，從而保證向應(yīng)處位置行進(jìn)。

在隊(duì)列控制方面，本文采用了面向領(lǐng)隊(duì)者的方法[8]。首先選取一個(gè)適合的機(jī)器人擔(dān)當(dāng)領(lǐng)隊(duì)者，其余的機(jī)器人都作為從屬者。領(lǐng)隊(duì)者不試圖保持隊(duì)形，而是從屬者要盡量保持隊(duì)列隊(duì)形。

避障行為是指，機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中遇到障礙時(shí)，機(jī)器人檢測(cè)到障礙并決定旋轉(zhuǎn)的角度。當(dāng)機(jī)器人成功繞過(guò)障礙時(shí)，本行為就不再有效。

向目標(biāo)行進(jìn)行為是指，領(lǐng)隊(duì)機(jī)器人基于自身對(duì)最終目標(biāo)的知識(shí)和當(dāng)前環(huán)境，決定下一個(gè)子目標(biāo)的行為。這個(gè)行為會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向目標(biāo)行進(jìn)的控制向量。

機(jī)器人的整體控制就是根據(jù)以上三個(gè)基本行為的控制輸出和各自的權(quán)重相乘然后相加而得到的。三個(gè)基本行為的控制輸出向量是隨檢測(cè)到的信息而及時(shí)做出變化的，從而整體控制向量也是及時(shí)更新。

對(duì)一個(gè)兩個(gè)自主機(jī)器人的隊(duì)列，隊(duì)形的類(lèi)別是由兩個(gè)機(jī)器人間的距離和方向來(lái)劃分的，如橫隊(duì)型、列隊(duì)形、楔形。本文構(gòu)造了一個(gè)基于傳感器的列隊(duì)型隊(duì)列控制系統(tǒng)，而對(duì)于楔形控制系統(tǒng)將會(huì)在后期的論文中做專(zhuān)門(mén)的論述。對(duì)于列控制系統(tǒng)，領(lǐng)隊(duì)機(jī)器人負(fù)責(zé)尋找目標(biāo)，其余的機(jī)器人根據(jù)各種傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)跟在其后蜿蜒前進(jìn)。表1給出了機(jī)器人轉(zhuǎn)彎和直行的算法。當(dāng)左邊或右邊的傳感器檢測(cè)的紅外線(xiàn)的數(shù)據(jù)在某一個(gè)限定的范圍內(nèi)，機(jī)器人就向左或右轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)動(dòng)的幅度由中間傳感器檢測(cè)的值決定。當(dāng)左邊或右邊的傳感器檢測(cè)的紅外線(xiàn)的數(shù)據(jù)在一個(gè)正常的范圍內(nèi)，機(jī)器人就直行。

表1 轉(zhuǎn)彎直行控制算法

根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)，跟隨機(jī)器人與領(lǐng)隊(duì)機(jī)器人之間距離和角度的信息就被傳送到了運(yùn)動(dòng)控制算法，運(yùn)動(dòng)控制算法從而計(jì)算出跟隨機(jī)器人轉(zhuǎn)彎線(xiàn)速度和角速度[9]。再經(jīng)過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的可逆的線(xiàn)性變換就可得到左右車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)角速度。

在避障行為方面，機(jī)器人是根據(jù)PSD測(cè)距傳感器的數(shù)據(jù)計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)的角度[10]。當(dāng)左邊PSD測(cè)距傳感器或右邊PSD測(cè)距傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，機(jī)器人分別轉(zhuǎn)向右邊或左邊。當(dāng)左右PSD測(cè)距傳感器都檢測(cè)到了障礙，機(jī)器人就向左或向右大轉(zhuǎn)彎，因?yàn)闄z測(cè)的這個(gè)障礙物的形狀可能是凹形的。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)使用了兩個(gè)機(jī)器人的隊(duì)列進(jìn)行了模擬和控制實(shí)驗(yàn)。領(lǐng)隊(duì)機(jī)器人沿著墻壁運(yùn)動(dòng)，跟隨機(jī)器人跟著領(lǐng)隊(duì)機(jī)器人行進(jìn)，并保持兩個(gè)機(jī)器人之間的距離，如圖3所示。在模擬中，假定，每一個(gè)機(jī)器人都擁有其目前所處位置的知識(shí)，而且能夠識(shí)別其他機(jī)器人和障礙，并且可與其他機(jī)器人通信以確定位置信息的傳輸。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，每一個(gè)機(jī)器人可以通過(guò)計(jì)算得到它目前所處的位置。串行通信接口或無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)用于機(jī)器人之間的通信。內(nèi)建的微控制器執(zhí)行多任務(wù)處理，在10毫秒的控制周期內(nèi)計(jì)算出車(chē)輪的左右轉(zhuǎn)角速度，從而保證成功進(jìn)行跟蹤控制。使用真實(shí)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，本文對(duì)存在擾動(dòng)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的研究是有成效的。在其他實(shí)驗(yàn)中，領(lǐng)隊(duì)機(jī)器人根據(jù)環(huán)境特征點(diǎn)的視覺(jué)信息來(lái)確定方向和距離。

圖3 跟蹤控制示意圖

4 結(jié)論

本文研究了擁有多個(gè)紅外傳感器的自主移動(dòng)機(jī)器人隊(duì)列的分布式協(xié)作控制，并成功進(jìn)行了兩個(gè)機(jī)器人隊(duì)列控制的模擬和實(shí)驗(yàn)。

[1]Luo RC,Su KL,SH, et al. Networked intelligent robots through the Internet:Issues and opportunities. Proceedings of the IEEE , 2003, 91(3) : 371-382.

[2]Gro β R.Dorigo M Self-assembly at the macroscopic scale.Proceedings ofthe IEEE，2008，96(9)：1490-1508

[3]Gerkey BP, Mataric MJ. A Formal Analysis and Taxonomy of Task Allocation in Multi-Robot Systems [J]. The International Journal of Robotics Research, 2004, 23(09):939-954.

[4]曾溫特,蘇劍波. 一種基于分布式智能的網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人系統(tǒng). 機(jī)器人. 2009,31(1):1-7.

[5]H. Yamaguchi, “A cooperative hunting behavior by mobile robot t”ro oinp s,Proc. of IEEE International,2008.

[6]T. Arai, J. Ota and D. Kurabayashi,“Dynamic groupingin multiple mobile robotssystem”, in Proc. of IEEE/RSJ .

[7]R.C. Arkin, “Cooperation withoutcommunication: multiagent schema-based robotnavigatio”n ,J. Robotic Systems, vol. 9, no.3, pp. 351-364, 1992.

[8]T. Balch and R.C. Arkin“, Behavior-basedformation control for multirobot” te IaEmEEs,Trans. Robotics and Automation, vol. 14, no. 6,pp. 926-939, 1998.

[9]S.O. Lee, Y.J. Cho, and M. Hwang-Bo, M.Hwang-Bo, B.J. You and S.R.O“h,A stabletarget-tracking control for unicycle mobilerobot”s, in Proc. of IEEE/RSJ of IEEE/RSJInternational Conference on Intelligent Robots andSystems6, pp. 1963-1970, 1993.

[10]B. Ge, G. Yasuda, F. L. Yin, and W. H.Zhao, “Object recognition and self-localizationfor interactive soccer rob”o tPsr,oc. of IEEE/RSJ International Workshop on Intelligent Robotsand Systems, 2006.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.13.111