運作協(xié)調(diào)的重要性

多機器人運作協(xié)調(diào)是指在一個多機器人系統(tǒng)中，每一個機器人要采取行動時，要考慮系統(tǒng)中其它機器人的行動，以達(dá)到機器人間協(xié)調(diào)一致地高性能地完成任務(wù)。也就是說，多機器人協(xié)調(diào)是指針對某一事件，各機器人采取的響應(yīng)行動的同步化。要發(fā)揮多智能體系統(tǒng)的優(yōu)勢，關(guān)鍵就是處理好智能體之間的協(xié)作問題，先進的體系結(jié)構(gòu)及協(xié)作機制能夠使智能體系統(tǒng)表現(xiàn)出強大的任務(wù)處理能力。多機器人系統(tǒng)、多機器人協(xié)調(diào)協(xié)作研究工作的目標(biāo)就是盡量發(fā)揮系統(tǒng)的優(yōu)勢，解決系統(tǒng)中存在的問題或降低其不利影響，使系統(tǒng)能夠靈活、快速的響應(yīng)環(huán)境和任務(wù)的變化，從而在復(fù)雜的環(huán)境中高效、可靠地完成任務(wù)[11]。

多機器人運作協(xié)調(diào)作為多機器人技術(shù)的一個重要組成部分，是研究多機器人技術(shù)較為活躍的課題。多機器人之間的協(xié)調(diào)與合作將大大提高機器人行為的智能化程度，完成很多單機器人無法完成的工作，進一步將人類從危險和繁重的工作中解放出來。進行多機器人協(xié)作任務(wù)的研究是機器人技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，必將對機器人技術(shù)的發(fā)展起著重要作用。

運作協(xié)調(diào)過程由多個不同的階段組成，且不同階段的對通訊協(xié)商能力的要求各異。在考慮多個自主機器人的運作協(xié)調(diào)時，一般將運作協(xié)調(diào)劃分為五個階段：理解分析環(huán)境；運動避碰規(guī)劃；任務(wù)分配；協(xié)商與合作控制；任務(wù)執(zhí)行。運作協(xié)調(diào)的五個階段未必是固定不變的，隨著對環(huán)境理解的深入，知識的增加，或意外事件的發(fā)生，機器人系統(tǒng)可能隨時調(diào)配其中的任一階段[12]。

對多機器人運作協(xié)調(diào)的研究起源于80年代初期，正是由于運作協(xié)調(diào)的不同階段構(gòu)成以及不同階段的對通訊協(xié)商能力的要求各異，加之近二十年來，眾多學(xué)者對多機器人運作協(xié)調(diào)問題研究工作主要集中于系統(tǒng)動力學(xué)建模、載荷分配、運動分解及軌跡規(guī)劃、操作柔性體或大型物體等表面問題，很少真正涉及運作協(xié)調(diào)的各個階段的主要問題。尤其是多機器人通信技術(shù)的限制，使多機器人系統(tǒng)通訊協(xié)商能力停滯不前，也就限制了多機器人運作協(xié)調(diào)的發(fā)展。另外，多機器人運作協(xié)調(diào)也是體系結(jié)構(gòu)、任務(wù)分配和控制這一發(fā)展方向的分支。結(jié)合多機器人路徑規(guī)劃技術(shù)、通信技術(shù)等支持領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展前景，使得多機器人運作協(xié)調(diào)技術(shù)還遠(yuǎn)沒有成熟。

生物靈感的起源

生物在經(jīng)過了千百年的進化和長期的自然選擇，已經(jīng)形成了從執(zhí)行方式、感知方式、控制方式，到信息處理方式、組織方式等諸多方面的優(yōu)勢和長處，在結(jié)構(gòu)、功能執(zhí)行、信息處理、環(huán)境適應(yīng)、自主學(xué)習(xí)等多方面具有高度的合理性、科學(xué)性和進步性。正是在自然界生物的啟示下，多機器人系統(tǒng)的大部分現(xiàn)有的工作都是在模擬和利用生物系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行的。許多學(xué)者**對自然界生物行為的模擬來構(gòu)建機器入系統(tǒng)，并取得了很好的成績。這一方面**為普遍的應(yīng)用是將如魚群、蟻群、蜂群等一些生物社會中的協(xié)作策略應(yīng)用到多機器人系統(tǒng)中。在這一思想的基礎(chǔ)上，具有一定基本行為能力的多機器人系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了諸如聚集、分散、搜索和跟蹤的能力?；谏锾匦缘亩鄼C器人系統(tǒng)，還被證實在考慮自身利益工作的時候能夠具有協(xié)作狀態(tài)的涌現(xiàn)性。除此之外，模擬高級動物和人類行為的更為復(fù)雜的協(xié)作策略也被引入多機器人系統(tǒng)領(lǐng)域，如捕食者一逃跑者系統(tǒng)表現(xiàn)出了競爭性協(xié)同行為。

隨著環(huán)境的未知性、動態(tài)性，以及任務(wù)的復(fù)雜性和多樣性的增加，新的需求對機器人的性能提出了更高的要求。在幾十億年的進化過程中，自然界的生物體(包括人類)形成和發(fā)展的各種靈活的形態(tài)、動作和生存模式，成為機器人發(fā)展的知識源泉。20世紀(jì)60年代誕生的仿生學(xué)，是生物科學(xué)和工程技術(shù)相結(jié)合的一門邊緣學(xué)科，生物系統(tǒng)精巧的結(jié)構(gòu)、功能、工作原理和控制機制等，成為機器人模擬的對象。**學(xué)習(xí)、模仿、復(fù)制和再造生物系統(tǒng)，創(chuàng)造出高性能的仿生機器人。仿生學(xué)在機器人科學(xué)中的應(yīng)用，對提高機器人對非結(jié)構(gòu)化、未知變化的環(huán)境適應(yīng)性等能力做出了重大的貢獻(xiàn)。仿生機器人就是模擬自然界中生物的外部形狀或某些機能的機器人系統(tǒng)。仿生機器人的類型很多，如仿人的機器人操作臂、多指靈巧手；仿人雙足步行機器人；蛇形機器人、水下魚形機器人；模仿昆蟲行進方式的爬行機器人等。

仿生學(xué)在機器人技術(shù)的發(fā)展過程中發(fā)揮了巨大的作用，譬如：從運動學(xué)上進行仿生的蛇形機器人、機器魚、直立行走機器人；從感知上進行仿生的立體視覺、觸覺和紋理

傳感器；用電致聚合材料制成的人工肌肉；基于進化算法的規(guī)劃、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運動控制器等。這些研究已經(jīng)處于起步階段并取得初步成果。但是從智能的角度來看，還有一種重要的仿生來自于動物的行為以及群居性生物的群體智能。研究生物的個體行為以及群居性生物所表現(xiàn)出來的群體智能特性，并將這種發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到多機器人系統(tǒng)的設(shè)計是生物靈感的核心所在，但目前該項技術(shù)只是在討論和設(shè)計階段，并未在技術(shù)上取得進展和突破。

在機器人系統(tǒng)的設(shè)計中，機器人的行為一般可以分為兩類：一類是生存和運動所必須的基本行為，如：避障、跟隨、轉(zhuǎn)彎、漫游、返回等；另外一類是實現(xiàn)任務(wù)目的所需要的特殊行為，如：揀取和丟棄行為、推拉行為、信號釋放行為等。目前大部分研究都主要集中在基本行為，而特殊行為還存在許多技術(shù)問題。但基本問的解決不能體現(xiàn)生物靈感的優(yōu)勢所在，所以特殊行為的研究是未來努力的方向。對于機器人系統(tǒng)設(shè)計來講，不可能全部也不能完全模仿生物的行為。如何選擇模仿生物行為，并對其進行適合機器人系統(tǒng)的建模是一個非常重要的研究內(nèi)容。根據(jù)生物學(xué)的發(fā)現(xiàn)和多機器人應(yīng)用環(huán)境的要求，**分析一些特殊生物體的個體行為和群體行為，建立適合群體機器人系統(tǒng)的機器人個體和群體的普適性行為模型，以及面向任務(wù)的機器人特定行為模型是生物靈感主要攻克的難關(guān)，而目前的模型研究只停留在仿真階段，加上邊緣學(xué)科的限制導(dǎo)致生物靈感不可能成為多機器人系統(tǒng)的主流發(fā)展方向。

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