機器人的協(xié)同控制研究

廣東工業(yè)大學(xué) 靳中兵 楊明政

隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，機器人被越來越多的應(yīng)用到了各行各業(yè)中。在機器人系統(tǒng)日愈趨于智能化的今天，對于機器人之間的協(xié)同控制研究顯得尤為重要。文章首先對應(yīng)用于協(xié)同控制的機器人系統(tǒng)進(jìn)行說明定義，然后對機器人協(xié)同控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程和存在的問題做出論述，最后通過展望未來的發(fā)展方向說明其優(yōu)化措施。

引言：協(xié)同系統(tǒng)因其具有很強的自治性和適應(yīng)性，相關(guān)研究已經(jīng)成為控制領(lǐng)域的一個重要方向，多機器人系統(tǒng)是其應(yīng)用層面的一個主要分支。日本的機器人足球世界杯錦標(biāo)賽RoboCup就是一個非常典型的例子，在機器人足球比賽中，各個機器人相互協(xié)作，小系統(tǒng)構(gòu)成大系統(tǒng)來完成復(fù)雜的任務(wù)。另外，在很多危險領(lǐng)域的機器人協(xié)同系統(tǒng)，例如火災(zāi)現(xiàn)場、電路故障檢測等也替代人類完成了很多難以完成的作業(yè)。

一、機器人的協(xié)同控制系統(tǒng)

協(xié)同控制是20世紀(jì)70年代以來，在多學(xué)科研究的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。在以往的機器人系統(tǒng)中，重點是對于單個機器人的研究，主流方向是如何改進(jìn)軟件和硬件以滿足各種各樣的需求，即通過底層嵌入式技術(shù)，中層多傳感器，上層人工控制決策完成特定的功能。隨著科技的發(fā)展，該機器人構(gòu)架已經(jīng)不能滿足復(fù)雜的工業(yè)和生活要求，為此，對于機器人系統(tǒng)的研究，重點從單個機器人轉(zhuǎn)向群組機器人，進(jìn)而催促了協(xié)同控制這一熱門研究方向的誕生。所謂機器人協(xié)同控制，就是多個機器人，多個智能體，協(xié)同合作，共同完成感知、認(rèn)知、決策的過程。

1.主從式

主從式機器人群組協(xié)同控制中，往往有一個虛擬的領(lǐng)導(dǎo)者。系統(tǒng)的框架表現(xiàn)為一臺具有計算和存儲能力的計算機，并對分布于各處的機器人的行動進(jìn)行自上而下的控制。在這種框架中，領(lǐng)導(dǎo)者時刻掌握著每個機器人的信息，通過綜合分析，獨自做出決策。而機器人群組之間，并沒有直接的信息交換和相互作用的過程。如圖1所示。

圖1 主從式示意圖

2.分布式

分布式是一種應(yīng)用在各行各業(yè)中的思想。和區(qū)塊鏈類似，機器人群組的分布式協(xié)同控制，和主從式相比，就是一個去中心化的過程。這種框架下的機器人群組，每個個體作為一個具有完全計算、存儲、決策能力的智能體。多個智能體之間完成一個特定的任務(wù)，形成一個任務(wù)群集，構(gòu)成一個整體任務(wù)。每個智能體和周圍的環(huán)境都構(gòu)成了一個小系統(tǒng)，構(gòu)成機器人群組的大系統(tǒng)。對于個體機器人而言，不需要感知全局信息，而是通過系統(tǒng)離散化，和周圍的環(huán)境、鄰近的其他智能體之間完成信息交換，通過數(shù)據(jù)存儲于計算，自主地做出自己子系統(tǒng)最優(yōu)的決策，每個子系統(tǒng)結(jié)合在一起，完成整套協(xié)同系統(tǒng)的最優(yōu)決策。如圖2所示。

圖2 分布式示意圖

分布式機器人群體多采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)，傳感器之間通過無線通信。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相比，WSN具有超大規(guī)模、資源嚴(yán)格受限和高度動態(tài)性等特征。利用WSN的分布式信息處理，為每一個機器人設(shè)置節(jié)點，設(shè)計無線通信網(wǎng)絡(luò)，由用戶定義的結(jié)構(gòu)，來決定機器人需要遵循的規(guī)則。

對于每一個機器人而言，通過感知模塊獲取外界環(huán)境，再由通信模塊獲得區(qū)域內(nèi)其他機器人的狀態(tài)信息，綜合分析生成決策信息，送給機器人的執(zhí)行機構(gòu)，最后作用于外界環(huán)境。個體機器人之間獨立且具有分散性控制器，相互協(xié)商，通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息的交互，繼而完成龐雜的總體任務(wù)。其協(xié)同控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 分布式協(xié)同控制結(jié)構(gòu)

二、我國機器人協(xié)同控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

1.單個智能向群體智能跨越難

目前對于單個機器人，控制上已經(jīng)有了較為成熟的方案。結(jié)合嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)，單個機器人愈加趨于智能化。而機器人群組協(xié)同控制，在對單個智能體提出較高要求的同時，更加注重于分布式和協(xié)同。機器人群組協(xié)同控制，理論上誕生了很多算法和研究成果，但是從理論到應(yīng)用落地困難。這一方面跟硬件的發(fā)展速度有關(guān)，一方面是因為理論中模擬不出應(yīng)用上復(fù)雜多樣的干擾因素。對于單個的智能體，和周圍的環(huán)境相互作用形成的動態(tài)系統(tǒng)，只屬于協(xié)同控制里面的一個子系統(tǒng)，分布式協(xié)同控制框架下的智能體，子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間需要相互依賴，信息共享。從單個智能體到多個智能體之間的協(xié)同控制，從主從式到分布式的協(xié)同控制，都是機器人控制上質(zhì)的飛躍。

2.應(yīng)用面狹窄

針對機器人協(xié)同控制的研究主要集中在編隊控制上。從整體上看，編隊控制屬于協(xié)同控制較為簡單的一環(huán)，機器人群集相互協(xié)同，保持相同的隊形，在主從式和分布式上其一致性的研究發(fā)展迅猛，比如小車編隊、無人機編隊等。另外，讓機器人群組通過相互合作匯聚到一點發(fā)展也很快，且已經(jīng)有了很多相應(yīng)實驗平臺。但協(xié)同控制急需向更大的應(yīng)用面來拓展，特別是一些危險性較高的區(qū)域，將多個自主體部署到指定區(qū)域協(xié)同完成任務(wù)，如火災(zāi)搜救現(xiàn)場，山林搜救現(xiàn)場等。對于這些特殊應(yīng)用環(huán)境，利用機器人協(xié)同控制系統(tǒng)，每個機器人通過和周圍其他智能體和環(huán)境的相互配合，信息共享，做出符合人類判斷的決策，可以有效的降低損失。

3.安全性能存在缺陷

任何方案從理論到應(yīng)用，安全性評估都是重要的一環(huán)。機器人協(xié)同控制系統(tǒng)，應(yīng)用上面臨的問題復(fù)雜多變，對系統(tǒng)的魯棒性和反應(yīng)靈敏度要求很高。一方面，對于障礙物的干擾，系統(tǒng)要設(shè)計一套完整有效的避障方案，另一方面，在多智能體協(xié)同作業(yè)的過程中，一旦某一個智能體，某一個子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，整體系統(tǒng)要立馬做出反應(yīng)，填補故障帶來的缺陷，并把故障子系統(tǒng)的任務(wù)分配給其他智能體，繼續(xù)完成作業(yè)。另一方面，一旦現(xiàn)有的機器人群組無法完成大規(guī)模的任務(wù)，在可拓展性上，再加一個機器人且不改變原有系統(tǒng)的情況下是否能夠工作，安全性如何，都是協(xié)同控制中急需解決的問題。

三、機器人協(xié)同控制系統(tǒng)的優(yōu)化措施和發(fā)展方向

1.智能化

人工智能技術(shù)的發(fā)展，讓機器人協(xié)同控制系統(tǒng)的前景更加樂觀。從感知和認(rèn)知層面上，通過加入多傳感器，機器視覺模塊，讓單個機器人對周圍環(huán)境的解讀更加準(zhǔn)確，從而提高安全性和智能性。比如避障，從傳統(tǒng)的超聲波避障和激光避障轉(zhuǎn)變?yōu)橐曈X避障，物體識別能分辨出普通障礙物和臨近智能體，提高了可用性和安全性。關(guān)于機器視覺的算法和技術(shù)已經(jīng)日益成熟，最具代表性的是英特爾公司的OPENCV庫，其內(nèi)部封裝了大量經(jīng)過代碼優(yōu)化的圖像處理和機器學(xué)習(xí)API，為其他系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)用提供了極大的便利。機器視覺和OPENCV應(yīng)用在機器人系統(tǒng)協(xié)同控制上， 使得單個智能體讀取周圍環(huán)境時更加智能，繼而提供給鄰居機器人的信息更加準(zhǔn)確，提高了整套系統(tǒng)的智能性。

2.大數(shù)據(jù)化

機器人協(xié)同控制系統(tǒng)大數(shù)據(jù)化，就是把一些難以處理的問題通過計算機的計算能力來合理解決。大數(shù)據(jù)是一個行業(yè)，更是一種思想，數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)分析各個階段都是非常重要的數(shù)據(jù)生命環(huán)節(jié)。大數(shù)據(jù)行業(yè)已經(jīng)有了很多成熟的框架，如Hadoop、Spark、Storm等都能夠和其他技術(shù)相融合，達(dá)到軟硬件的結(jié)合，提高服務(wù)的穩(wěn)定化。此外，機器人協(xié)同系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、數(shù)據(jù)加工做數(shù)據(jù)分析和結(jié)合，從而幫助智能體做決策。自主決策方面，協(xié)同控制的大數(shù)據(jù)化是大環(huán)境下的發(fā)展趨勢，也是從業(yè)人員的研究熱點問題。多智能體系統(tǒng)，每個機器人完成的任務(wù)都是很小的，有限的，但通過相互協(xié)作，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，開發(fā)云協(xié)同平臺，云資源與應(yīng)用系統(tǒng)交互計算，能夠為每一個智能體，為整個系統(tǒng)，帶來更加有效正確的決策信息，從而拓展機器人協(xié)同系統(tǒng)的應(yīng)用面和安全性。

四、總結(jié)

綜上所述，機器人的協(xié)同控制是一個多學(xué)科交叉且復(fù)雜的研究方向，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，其具有極大的應(yīng)用前景。就我國目前的行業(yè)發(fā)展來看，關(guān)于機器人協(xié)同控制，已有大量學(xué)者對其進(jìn)行理論研究，但應(yīng)用上因為其安全性、實用性而落地困難。針對這個問題，筆者提出了智能化和大數(shù)據(jù)化的觀點，既是對現(xiàn)有問題的優(yōu)化，也是對未來發(fā)展方向的展望。希望機器人協(xié)同控制系統(tǒng)發(fā)展更快更好。