【摘 要】在自然界中存在各種各樣復雜的群集行為，如：蜜蜂覓食，螞蟻搬家，大雁遷徙等。這一系列行為都是把個體智慧集結(jié)后體現(xiàn)出來的群體智慧。研究群體行為的機制和規(guī)律對于理解生物界和人類社會中復雜現(xiàn)象具有非常重要的意義，同時也為不斷研制和開發(fā)新技術、新應用提供了不可或缺的理論基礎。各種復雜的生物界群集行為給群體機器人的研究提供了非常好的啟發(fā)，從而產(chǎn)生了一個全新的研究領域——群體機器人學。與單個機器人相比，群體機器人系統(tǒng)在復雜環(huán)境中具有更好的魯棒性，個體間有更好的交互性，可擴張性以及在成本上更加經(jīng)濟。從而使得群體機器人具有更加廣泛的應用前景。

1 引言

生物界的群體行為很普遍，如：大雁遷徙，螞蟻搬家，野狗圍捕。這些群體行為都很好的為個體規(guī)避了自身的缺陷，使得個體能夠利用群體的優(yōu)勢使自己能在自然界存活下來。對此生物學家做了大量的研究，積累了大量的數(shù)據(jù)，再通過計算機的模擬實驗，最后通過數(shù)學建模，使得生物界的群體行為能夠仿生應用到人類社會中。比如剛剛發(fā)射成功的嫦娥三號，深海維修的機器人，軍事無人偵察機。

2 Vicsek模型和群體方向同步的建模

在Boid模型中，單個個體的行為由排斥區(qū)域，一致區(qū)域，吸引區(qū)域半徑內(nèi)個體決定，這樣給問題的理論分析帶來相當大的困難。Vicsek等人在1995年從統(tǒng)計力學的角度引出了一個簡單卻不改變其本質(zhì)的模型，稱之為Vicsek模型。這個模型是由多個自由的個體所組成的時間離散系統(tǒng)，它是這樣的一個系統(tǒng)：每一個個體有著相同不變的速度，而角度的話，是通過鄰居區(qū)域每一個個體角度矢量的平均值來決定的。

Vicsek模型用數(shù)學語言可以描述為：對于個體，在時刻，以其所在的位置為中心，半徑為畫圓，只要是個體在范圍內(nèi)（包括），那么該個體就是個體的鄰居，用表示個體在對應的時刻的鄰居，則可以表示為：

用來表示個體在對應時刻的位置，并且每個個體的具體位置可以用向量來表示，每個個體都是自己本身的鄰居。我們規(guī)定每一個個體的速率為正值且恒定不變。而個體下一時刻的位置是按照下面的方程來進行更新的：

式中的表示個體對應時刻的角度，它的更新規(guī)律如下：

3 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下群體機器人協(xié)同演化實現(xiàn)方案

3.1無線傳感器節(jié)點結(jié)構

無線傳感器節(jié)點結(jié)構主要由四個部分組成：（1）傳感部分：主要由傳感器與AD轉(zhuǎn)換器構成。（2）處理部分：主要由處理器，存儲器，嵌入形式的操作系統(tǒng)和相關軟件組成。（3）通信部分。（4）電源部分。還可以根據(jù)實際的應用選擇單獨供電系統(tǒng)，GPS定位系統(tǒng)，移動系統(tǒng)等。

3.2無線傳感網(wǎng)絡結(jié)構

無線傳感網(wǎng)絡具有很強的靈活性，可以為各種具有通信功能的終端提供服務。無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點可以通過各種形式布置，如：飛機撒播，任意布置?？梢源罅康牟贾迷诰哂懈兄獙ο蟮膬?nèi)部或者鄰近區(qū)域。這些節(jié)點再通過自行組建無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)，通過協(xié)同感知獲取信息，從而處理獲取的信息。接著通過多跳網(wǎng)絡把信息傳送給Sink節(jié)點，最后由Sink節(jié)點把信息傳送給處理中心。

3.3無線傳感網(wǎng)絡體系結(jié)構

所謂網(wǎng)絡體系結(jié)構就是將網(wǎng)絡協(xié)議進行分層以及對網(wǎng)絡協(xié)議進行集合，是對其所連接設備所需實現(xiàn)功能的一種描述與定義。因其有極強靈活性，與傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡有著極大的不同，所以無線傳感網(wǎng)絡體系與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡體系結(jié)構有著相當明顯的區(qū)別。

3.4“虛擬體”的產(chǎn)生和誘導模型

由前面群體方向建模的仿真分析可知，當個體間的距離越大，群體要保持聯(lián)通就會越困難。近年來，物聯(lián)網(wǎng)有了飛速的發(fā)展，以其具有通過二維碼識讀設備、射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的優(yōu)勢，為群體間的交互提供了豐富的通道。利用物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同感知技術來獲取群體行為的狀態(tài)信息和目標任務信息。而虛擬體則是一種建立在這種通道上的無線傳感器網(wǎng)絡與群體間交互的一種機制。物聯(lián)網(wǎng)通過協(xié)同感知能力來獲取群體狀態(tài)缺陷信息、環(huán)境突變信息、目標任務突變信息來控制虛擬體的產(chǎn)生和消亡。

4 總結(jié)

利用物聯(lián)網(wǎng)強大的全面感知能力和無線傳感器網(wǎng)絡技術的靈活性，對群體機器人之間和機器人與環(huán)境之間的一種交互，聯(lián)系和演化研究。利用機器人的狀態(tài)信息和機器人之間的相互作用和影響，適時的在無線網(wǎng)絡節(jié)點上產(chǎn)生“虛擬體”，并且通過“虛擬體”來誘導機器人群體的運動狀態(tài)，使得在初始狀態(tài)不連通的機器人能夠有效的連通，最后讓它們向著所期望的目標進行演化。針對群體機器人的動態(tài)演化建立了演化模型，并且通過matlab的仿真實驗證明了論文中所提供的理論和算法是有效的。這為研究群體協(xié)同演化開辟了一條新的思路，同時也為全球互聯(lián)這以目標做出了進一步地貢獻。

參考文獻：

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