分布式搜救机器人的控制和仿真-中文翻译
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1分布式搜救机器人的控制和仿真1 机器人简介几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器,以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。 如古希腊诗 Homeros 的长篇叙事诗 伊利亚特中的冶炼之神瘸腿海倍斯特司 ,就用黄金铸造出一个美丽聪颖的侍女;希腊神话阿鲁哥探险船中的青铜巨人泰洛斯;犹太传说中的泥土巨人等等,这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实,早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。到了近代,机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后,不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域,从天上到地下,从工业拓广到 农业、林、牧、渔,甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多,应用之广,影响之深,是我们始料未及的。从机器人的用途来分,可以分为: 地面军用机器人地面机器人主要是指智能或遥控的轮式和履带式车辆.地面军用机器人又可分为自主车辆和半自主车辆。自主车辆依靠自身的智能自主导航,躲避障碍物,独立完成各种战斗任务;半自主车辆可在人的监视下自主行使,在遇到困难时操作人员可以进行遥控干预。2无人机被称为空中机器人的无人机是军用机器人中发展最快的家族,从 1913 年第一台自动驾驶仪问世以来,无人机的基本类型已达到 300 多种,目前在世界市场上销售的无人机有 40 多种。美国几乎参加了世界上所有重要的战争。由于它的科学技术先进,国力较强,因而 80多年来,世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前推进的。美国是研究无人机最早的国家之一,今天无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看,美国均居世界首位。综观无人机发展的历史,可以说现代战争是无人机发展的动力,高新技术的发展是它不断进步的基础。水下机器人水下机器人分为有人机器人和无人机器人两大类:有人潜水器机动灵活,便于处理复杂的问题,担任的生命可能会有危险,而且价格昂贵。无人潜水器就是人们所说的水下机器人, “科夫”就是其中的一种。它适于长时间、大范围的考察任务,近 20 年来,水下机器人有了很大的发展,它们既可军用又可民用。随着人对海洋进一步地开发,21 世纪它们必将会有更广泛的应用。按照无人潜水器与水面支持设备(母船或平台)间联系方式的不同,水下机3器人可以分为两大类:一种是有缆水下机器人,习惯上把它称做遥控潜水器,简称 ROV;另一种是无缆水下机器人,潜水器习惯上把它称做自治潜水器,简称 AUV。有缆机器人都是遥控式的,按其运动方式分为拖曳式、 (海底)移动式和浮游(自航)式三种。无缆水下机器人只能是自治式的,目前还只有观测型浮游式一种运动方式,但它的前景是光明的。空间机器人空间机器人是一种低价位的轻型遥控机器人,可在行星的大气环境中导航及飞行。为此,它必须克服许多困难,例如它要能在一个不断变化的三维环境中运动并自主导航;几乎不能够停留;必须能实时确定它在空间的位置及状态;要能对它的垂直运动进行控制;要为它的星际飞行预测及规划路径。工业机器人工业机器人是指在工业中应用的一种能进行自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作机,能搬运材料、工件或操持工具,用以完成各种作业。且这种操作机可以固定在一个地方,也可以在往复运动的小车上。服务机器人服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员,到目前为止尚没有一个严格的定义,不同国家对服务机器人的认识也有一定差异。服务机器人的应用范围很广,主要从事维护、保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。德国生产技术与自动化4研究所所长施拉夫特博士给服务机器人下了这样一个定义:服务机器人是一种可自由编程的移动装置,它至少应有三个运动轴,可以部分地或全自动地完成服务工作。这里的服务工作指的不是为工业生产物品而从事的服务活动,而是指为人和单位完成的服务工作。娱乐机器人娱乐机器人以供人观赏、娱乐为目的,具有机器人的外部特征,可以像人,像某种动物,像童话或科幻小说中的人物等。同时具有机器人的功能,可以行走或完成动作,可以有语言能力,会唱歌,有一定的感知能力。类人机器人从其他类别的机器人可以看出,大多数的机器人并不像人,有的甚至没有一点人的模样,这一点使很多机器人爱好者大失所望。也许你会问,为什么科学家不研制类人机器人?这样的机器人会更容易让人接受。其实,研制出外观和功能与人一样的机器人是科学家们梦寐以求的愿望,也是他们不懈追求的目标。然而,研制出性能优异的类人机器人,其最大的难关就是双足直立行走。因为 机器人与人的学习方式不一样。一个婴儿要先学走,再学跑;而机器人则要先学跑,再学走。也就是说机器人学跑更容易些。农业机器人由于机械化、自动化程度比较落后, “面朝黄土背朝天,一5年四季不得闲”成了我国农民的象征。但近年农业机器人的问世,有望改变传统的劳动方式。在农业机器人的方面,目前日本居于世界各国之首。2 现状及国际发展趋势国际机器人领域发展近几年有如下几个趋势:(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修) ,而单机价格不断下降,平均单机价格从 91 年的 103 万美元降至 97 年的 65 万美元。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中6的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从 94 年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。3 仿真和控制式机器人介绍机器人的图像和公众感知能力受到科幻小说家和娱乐产业极端视角的的限制并不是很久以前的事儿。然而,如今阅读一本有意思的有关近代机器人学的文章,晚间新闻时观看火星表面探索,或者甚至在工作场所遇到一个机器人仍然是不普遍的。随着机器人逐渐进入我们的日常生活中,它们在有益于社会的作用中越来越明显。尤为明显的是在一些危险环境中一个或多个机器人能够代替人类进行工作。已经引起了机器人社团的兴趣的研究领域是在机器人的搜救过程中的操作。在一个危险的环境中搜救机器人的操作需要搜救人员的巨大努力才能完成。建筑物的倒塌和不稳定,煤气的泄漏和火灾对人类搜救队仅仅是一小部分的威胁。相对于人类发展自主式机器人的能力对于搜救存活者提供会很大的便利。用机器人取代人类所需要解决的潜在问题有:哪种机器人能够在一种未知的和变化着的环境中高速移动?7在一次搜救操作过程中要想大面积的覆盖搜救区域大概需要多少机器人?这些机器人怎样控制?机器人是一个极其宽广的领域它包括各种各样的应用及研究兴趣。从过去的工厂装配线上的机器人到火星探索和国家宇航局,机器人的视觉和用途看起来无穷无尽。机器人这个词的定义本身就是依赖于谁给它下的定义和他所预期达到的结果。为达到我们的目的,一个智能机器人就被定义为:一个机器能够以一种有意义有目的的方式进行安全的移动并从它所在的环境中提取正确的信息。大部分的研究者把控制自动化机器人的方法分为三大类:协商,反应以及混合系统。协商方法是智能任务能够在一个内部模拟世界中通过推理的方法得以完成。这种控制人工智能社群多年的方法导致了由美国政府在 1980 年代开发的一种标准建筑学的发展,它体现了一种协商的模型。美国麻省理工学院实验室的主任罗德尼布鲁克斯指出协商模型可以作为一个感官-模型-计划-指令的框架。机器人社区开始对反应系统感兴趣的时候是在 1980 年代的中期,出现最多的问题是移动机器人的协商控制变得更加明显了。具体地说,协商控制系统出现许多明显的不足之处,比如脆性,屈服性以及在操作复杂不断变化的环境中响应慢。响应速度在协商系统中是一个极为关键的一点。南加州大学的马瑞克指出主要划分为反应和协商系统之间能够在计算量和类型的基础上进行描绘。反应体系结构和行为建筑经常被认为是一样的。然而,极端存在被认为是基本后者是多么复杂的一种系统虽然仍旧被认为是8无用的,玛瑞克认为反应体系结构和行为建筑有着根本的区别。她提出说虽然行为基础系统包含一种特征甚至是一种纯粹的反应系统的元素,但它们的计算并不需要限制。通过这种方式,行为系统可以储存不同的形态以及实现不同的表述。此外,她指出行为系统要比一个反应系统更加需要时间的延长。随着对反应系统兴趣的增长,研究人员试图通过使用机械和计算系统来模仿生物系统以达到完成预期任务的目的。艾瑞克描述了神经学是“为理解和建模生物行为潜在的电路提供一个基础。”他指出一些心理学派已经影响机器人的研究好多年了。实际上这些行为的研究对机器人学的研究打下了一个坚实的基础。这个研究的方法是在观察的基础上考虑任何的刺激以及作出的反应。最近,生物行为的研究已经扩大到世界的多智能体系结构,社会生物学的研究专家已经使用了几组移动式机器人进行研究和模拟。堪萨斯大学的艾瑞克研在机器人代理好恶的程度下使用研究个人和集体机器人的学习能力。在这方面领域的一些工作还依赖坠蚂蚁和蜜蜂繁殖地的观察,以及仅有限的个人代理体系信息中完成完成全球任务。最近十年,研究人员开始关注由多个不同性质机器人组成的多机器人系统来完成一个或多个任务。使用这些分布式机器人的好处是,高强度,高韧性,分布自然而且更加精简。4模拟器的执行4.1世界情况在每一次仿真的开始,规定的户外运动是“画”9的矩阵。所有的墙和跳线都是放在阵列的开始位置,接下来将机器人放在现有的数组阵列中。在大多数情况下,机器人是放置在含有零值数值中运行的。然而,如果一个跳线首先占据了这个位置,在第六个和第八个值之间插入机器人值就表明这个位置包含了一根跳线。4.2机器人传感用于机器人传感的方法类似于碰撞检测的应用。感应的是通过检测机器人周围八个方向的数值来完成的。随着每个单位时间的流逝,模拟器从机器人中心开始向前的方向每 角来检查数组元素。例如,感应范围是个单元,模拟器检查每一数组单位都是沿着机器人中心., 以及 线(如果延伸方向恰好是 线) 。感应从机器人中心开始每单位1,并沿着感应线继续下去直到触碰到墙壁或达到机器人的感应范围极限。如果一个单位被检测到,距离单位和相关的实体价值被放置在一个数组中的数据中,直到检测到一个试题或达到了机器人感应的范围。机器人感官沿着传输线传到下一个感应器。这样一直继续下去直到所有的感应线都被检测完成,一旦完成,接收到的数组数据就表明了机器人的感官世界,然后就形成一个确定的规则来指导机器人的行为。4.3 匹配规则一个机器人的行为是在他的规律集中完成感官数组数据和其10中的一个特定规律的匹配之后进行选择的。这种变化类似于经典的儿童游戏。机器人接收到的数据可以被认为是一个操作者对运动轨迹最初的猜测。这些猜测被放置在对手的场地中进行试验一来获得得分。这么做是为了规则集中的每一点都能涉及到。这个规则用的最多的地方就是决定一个比赛的规则。规则分数是保存在一个单独得分阵列中。对于每一个单位和得到的感官数组数据的完整实体,确定匹配功能是当:距离属于在规则中指定的相关的传感器的距离范围。在感官数组数据中的实体价值与规则中的实体价值相匹配。如果满足上述条件,规则值就会增加一,否则规则值就会减少一。下面的例子就显示了最初的得分:.从前面的传感器所得到的数据可以得到距离 20 和四个实体值。.规则 X 前面的距离值是 10 到 30 以及规则值是 4.规则 X 的评分规则是逐一增加,这是因为 20 位于 10 和 30 之间同时要求实体数据匹配。4.4. 偏差和本能如果一个规则收到相同的分数作为最后的赢家,一个行动的偏差就决定了机器人最后的行为功能。如果规则和当前的获胜者具有相同的行为价值,那么就没有必要利用偏差;然而,如果这两个有把不同的动作值偏差,那么,这个偏差就用来确定最后的行为动作。偏差是机器人采取最终行动所需要的一个整数变量保存价值。如果一个规则与之有关的分数不同于当前的赢家,那么11规则的行为就与偏差有所区别。如果两值相等,那么这个规则就会被采用,否则就保持当前的赢家不变。对待打成平局的方法是机器人重复当前的动作。这个现象的原因是在机器人行为的基础上强加了一些限定的连续性。贯穿仿真的整个过程中机器人可能报废的一些原因有:*无休止的来回切换两个活动;*多次阻碍前进;*无期限的重复同样的动作。4.5 评价一个机器人队的性能评估是在一次仿真中用户自定义时间限制中实现的。这个表现是在一定的平台中按机器人进入房间百分比测量的。此外机器人完全进入这个平台时就完成了总覆盖率的考虑。这些值是用来确定机器人搜救队的性能的,同时也被当做遗传算法的最合适的规则集。这个模拟器记住了机器人进入的每一个房间的列表,这些数据也只是用于团评价并不能协助机器人进行仿真实验。一旦时间到了,得到的有关房间的数据就用来测量机器人所达到的覆盖率。如果两个或更多的机器人进入了同一个房间,模拟器中就会出现一系列的房间列表,然而重复的努力并不影响对机器人性能的评价。5 仿真实验 在一系列的仿真实验中,遗传算法通常用于搜救机器人队的规则设置。遗传算法包括复制,交叉和变异这三个步骤。繁殖的过程中染色体的字12符串代表个人复制并根据他们的健康水平创建一种新的生物字串。拥有更好健康价值的人则更可能被用来创造下一代。交叉的过程包括两个字符串的选择,以及两者之间字符串短的交换。遗传算法的最后步骤是突变,提出了一种价值随着字符串位置改变而随机变化的理论。在留有记录的实验中,规则集被转换为二进制的字符串,以及在最短的时间里条件合适的机器人就被计算为规则集机器人以达到对周围环境最大的报道覆盖率。6 总结 本文所提出的仿真程序已经被用于超过 300 次的仿真实验中。该模拟器为测试不同机器人的行为和众多机器人调查小组提供了充分的工具。最初的实验结果表明机器人团队的成绩可以改变对机器人的规模。然而刚开始的时候团队尺寸一度达到 12-14.一些小的机器人团队,在有限的时间里分配到的区域范围对进入的团队人数有一个明显的限制。此外,团队规模的扩大,团队成员的增加互动增多所产生的结果将会影响大中型团队。从交叉测试的结果显示使用不同规模大小的团队进化为一个特定的团队就显示了所有的情况,在机器人规则下转变来的不同大小的队伍从来都不如团队规模更适合进行演化。但这并不意味着使用规则集演化而来的团队是完全无效的。规则集大小对机器人团队成绩的影响就目前而言还需要进行更深的调查。有关模拟方案规划的未来工作是提高机器人的数量从而来提高机器人演化和测试的工作环境,未来的研究应该包括不同环境13平台的尺寸和大小。此外,尚在研究过程的机器人团队和他们的规则集可以从一个环境迁移到另一个环境中,甚至可以为新一代的机器人随机选取一个环境平台。仿真系统的最终目标是作为一个工具便于更好的设计,开发和部署搜救机器人以协助搜救任务的完成。7.出处这项工作是国家科学基金会的一部分。8.参考文献1阿加贝克发表的人机交互机器人系统,出自自动化机器人2美国机械工程师协会合作机器人3阿金鲍尔的机器人合作系统4行为机器人 麻萨诸塞州,麻省理工学院出版社 1998 年出版。5布鲁克斯, 非理性智能 ,人工智能实验室6布鲁克斯,移动式机器人一个强大的分层控制系统,人工智能实验室。7如何使用c+编程 作者,带特尔普。1998 年新泽西出版社出版。8硕士学位论文机器人搜索队的大脑行为进化 ,作者 多拉希德,堪萨斯大学电气工程与计算机科学系,2000 年发表9领土的多机器人划分 1998 年发表于机器人自动化杂志1410戈德伯格搜索,优化,机械学习方面的遗传算法,1998 年 高等教育出版社出版11梅斯 位置代理目标 出自机器人技术系统12马塔里奇行为控制,导航,学习和群体行为的实例霍斯威尔,科尔堂冈,编辑 ,出自人工智能实验室软件架构专题13麦卢金利用合作机器人排爆 人工智能实验室。- 配套讲稿:
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