物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下群體機(jī)器人協(xié)同演化機(jī)制研究

【摘 要】在自然界中存在各種各樣復(fù)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(jī)制和規(guī)律對于理解生物界和人類社會中復(fù)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(shù)、新應(yīng)用提供了不可或缺的理論基礎(chǔ)。各種復(fù)雜的生物界群集行為給群體機(jī)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(lǐng)域——群體機(jī)器人學(xué)。與單個機(jī)器人相比，群體機(jī)器人系統(tǒng)在復(fù)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(kuò)張性以及在成本上更加經(jīng)濟(jì)。從而使得群體機(jī)器人具有更加廣泛的應(yīng)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(xué)家做了大量的研究，積累了大量的數(shù)據(jù)，再通過計算機(jī)的模擬實驗，最后通過數(shù)學(xué)建模，使得生物界的群體行為能夠仿生應(yīng)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(jī)器人，軍事無人偵察機(jī)。

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(dāng)大的困難。Vicsek等人在1995年從統(tǒng)計力學(xué)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(xué)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(yīng)的時刻的鄰居，則可以表示為：

用來表示個體在對應(yīng)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(jìn)行更新的：

式中的表示個體對應(yīng)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(jī)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(gòu)

無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)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(gòu)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(guān)軟件組成。（3）通信部分。（4）電源部分。還可以根據(jù)實際的應(yīng)用選擇單獨(dú)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(luò)結(jié)構(gòu)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的靈活性，可以為各種具有通信功能的終端提供服務(wù)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以通過各種形式布置，如：飛機(jī)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(luò)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(luò)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(luò)體系結(jié)構(gòu)

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

3.4“虛擬體”的產(chǎn)生和誘導(dǎo)模型

由前面群體方向建模的仿真分析可知，當(dāng)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(shè)備、射頻識別（RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)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(shù)來獲取群體行為的狀態(tài)信息和目標(biāo)任務(wù)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(luò)與群體間交互的一種機(jī)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(biāo)任務(wù)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(qiáng)大的全面感知能力和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的靈活性，對群體機(jī)器人之間和機(jī)器人與環(huán)境之間的一種交互，聯(lián)系和演化研究。利用機(jī)器人的狀態(tài)信息和機(jī)器人之間的相互作用和影響，適時的在無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上產(chǎn)生“虛擬體”，并且通過“虛擬體”來誘導(dǎo)機(jī)器人群體的運(yùn)動狀態(tài)，使得在初始狀態(tài)不連通的機(jī)器人能夠有效的連通，最后讓它們向著所期望的目標(biāo)進(jìn)行演化。針對群體機(jī)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(biāo)做出了進(jìn)一步地貢獻(xiàn)。

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