多機(jī)器人系統(tǒng)及其路徑規(guī)劃方法綜述

付夢(mèng)家+游曉明

摘要摘要：隨著科技的不斷進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)也飛速發(fā)展。伴隨著移動(dòng)機(jī)器人性能越來(lái)越強(qiáng)大，其應(yīng)用范圍和領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展。特別是多機(jī)器人系統(tǒng)研究無(wú)論是在理論上還是在實(shí)踐中都取得了突破性進(jìn)展。對(duì)多機(jī)器人系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，重點(diǎn)對(duì)多機(jī)器人路徑規(guī)劃所需的關(guān)鍵技術(shù)包括環(huán)境建模、規(guī)劃方法、協(xié)調(diào)避碰策略等問題作了分析和介紹，最后展望了多機(jī)器系統(tǒng)的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：多機(jī)器人；路徑規(guī)劃；智能算法

DOIDOI：10.11907/rjdk.161914

中圖分類號(hào)：TP301文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2017）001017703

引言

自20世紀(jì)80年代末以來(lái)，多機(jī)器人系統(tǒng)開始引起廣大學(xué)者關(guān)注，并且得到了迅速發(fā)展。相較于傳統(tǒng)的多個(gè)單機(jī)器人系統(tǒng)而言，多機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢(shì)。比如，多機(jī)器人系統(tǒng)在時(shí)間和空間分布性上更加具有優(yōu)越性。具有分布性的多機(jī)器人系統(tǒng)中單個(gè)機(jī)器人的傳感器信息可以有效互補(bǔ)，因此整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)具備較高的數(shù)據(jù)冗余度和更強(qiáng)的自適應(yīng)性、魯棒性；在多機(jī)器人系統(tǒng)中，由于單個(gè)機(jī)器人可以不必具有極強(qiáng)的功能和極高的性能，因此多機(jī)器人系統(tǒng)本質(zhì)上具備低成本、強(qiáng)魯棒性的優(yōu)勢(shì)；尤其是在完成復(fù)雜任務(wù)時(shí)，多機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)更加突出，通常多機(jī)器人系統(tǒng)能夠借助先進(jìn)的協(xié)作架構(gòu)和協(xié)同策略，完成多個(gè)單臺(tái)機(jī)器人難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)等。

多機(jī)器人系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：由于高科技快速發(fā)展，機(jī)器人的研究和開發(fā)更加容易、自適應(yīng)性更好。隨著多機(jī)器人協(xié)作策略的不斷進(jìn)步，其完成復(fù)雜任務(wù)的成本更低、效率更高、可擴(kuò)展性更好。近年來(lái)，由于材料科學(xué)等邊緣科學(xué)及交叉科學(xué)的發(fā)展，機(jī)器人的研發(fā)成本逐年降低，同時(shí)多機(jī)器人的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域更加廣泛。因此，越來(lái)越多的學(xué)者們重視多機(jī)器人系統(tǒng)及其應(yīng)用研究，多機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)成為機(jī)器人學(xué)研究中一個(gè)飛速發(fā)展、具有良好應(yīng)用前景的研究方向。

近年來(lái)，隨著科技不斷進(jìn)步，多機(jī)器人系統(tǒng)相關(guān)研究得到快速發(fā)展，多機(jī)器人系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)技術(shù)也取得較大突破[12]。目前，多機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括任務(wù)規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、協(xié)調(diào)控制等[35]。

1多機(jī)器人系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，多機(jī)器人系統(tǒng)的研究無(wú)論在理論中還是在實(shí)踐上都取得了很大進(jìn)展，建立了許多仿真系統(tǒng)和硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為進(jìn)一步研究機(jī)器人系統(tǒng)夯實(shí)了基礎(chǔ)。日本屬于較早開展多機(jī)器人系統(tǒng)研究與實(shí)踐的國(guó)家之一，1989年設(shè)計(jì)出了著名的ACTRESS系統(tǒng)和CEBOT系統(tǒng)。圖1為日本名古屋大學(xué)Fukuda等研制的CEBOT（Cellular Robotics System） 系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將多機(jī)器人系統(tǒng)中功能簡(jiǎn)單的自主機(jī)器人視為“細(xì)胞元”（Cells），研究“細(xì)胞元”機(jī)器人自組織地構(gòu)成功能強(qiáng)大的多機(jī)器人系統(tǒng)。特別是通過傳感器感知環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，“細(xì)胞元”間相互耦合并自組織重構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)化的體系結(jié)構(gòu)。

1996年第一屆機(jī)器人足球世界杯在韓國(guó)隆重舉行，來(lái)自7個(gè)國(guó)家的23支參賽隊(duì)參與了競(jìng)賽，如圖2所示。1997年經(jīng)過多方共同努力，成立了國(guó)際機(jī)器人足球聯(lián)合會(huì)，聯(lián)合會(huì)總部設(shè)在韓國(guó)，其任務(wù)包括：每年組織一次機(jī)器人足球世界杯大賽；同時(shí)還要舉辦相關(guān)學(xué)術(shù)會(huì)議，給參賽者提供充分交流的學(xué)習(xí)平臺(tái)，探討機(jī)器人足球研究方面的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，從而有效地促進(jìn)該學(xué)科方向的不斷發(fā)展。

圖3為美國(guó)南加州大學(xué)Mataric等人研制的The Nerd Herd 系統(tǒng)。該系統(tǒng)由20個(gè)機(jī)器人組成，每個(gè)機(jī)器人上裝有碰撞傳感器、定位系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)游弋（Safe Wandering）、跟隨（Following）、聚集（Aggregation）、分散（Dispersion）和回家（Homing）等行為。研究人員主要將該系統(tǒng)應(yīng)用于多機(jī)器人學(xué)習(xí)、群體行為、協(xié)調(diào)與協(xié)作等方面的試驗(yàn)研究與探討，圖4為利用該系統(tǒng)進(jìn)行的推箱子實(shí)驗(yàn)裝置。

圖2機(jī)器人世界杯圖3The Nerd Herd系統(tǒng) C.R.Kube等人研制的Collective Robotics 系統(tǒng)如圖5所示。該系統(tǒng)從自然界里昆蟲的社會(huì)行為得到啟發(fā)，利用多個(gè)功能簡(jiǎn)單的機(jī)器人組成功能強(qiáng)大的合作機(jī)器人群體。該系統(tǒng)在無(wú)顯式通信的條件下，能夠充分利用分布式控制策略實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人之間的協(xié)作。因此，單個(gè)簡(jiǎn)單智能的機(jī)器人通過交互作用實(shí)現(xiàn)了多機(jī)器人系統(tǒng)復(fù)雜的群體智能行為。

圖6為美國(guó)MIT的計(jì)算科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）研制開發(fā)的多機(jī)器人系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)室在多機(jī)器人系統(tǒng)上開展了協(xié)調(diào)多個(gè)機(jī)器人行為的算法設(shè)計(jì)、多機(jī)器人協(xié)調(diào)算法性能預(yù)測(cè)等問題的研究。這些關(guān)鍵問題及其研究成果形成多機(jī)器人控制算法的重要基礎(chǔ)。

我國(guó)在多機(jī)器系統(tǒng)的研究方面也開展了卓有成效的工作，雖然起步相對(duì)較晚，但到目前為止也取得了豐碩的研究成果。沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所以制造環(huán)境中多機(jī)器人的裝配為研究背景，建立了多機(jī)器人協(xié)作裝配系統(tǒng)MRCAS（Multi-Robots Cooperative Assembly System）。通過采用集中和分散相結(jié)合的分層體系結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)可以完成自主編隊(duì)行進(jìn)、隊(duì)形變換、自主避障等功能，進(jìn)一步通過多機(jī)器人間協(xié)調(diào)與合作，完成裝配工件任務(wù)。南京理工大學(xué)在早期開展的地面微小型機(jī)器人研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行了移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作編隊(duì)、自主定位、智能導(dǎo)航等關(guān)鍵技術(shù)研究，并取得一定成果。目前，由清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、浙江大學(xué)和南京理工大學(xué)等著名高校聯(lián)合研制的第四代無(wú)人駕駛車輛實(shí)現(xiàn)了多車無(wú)人干預(yù)下的編隊(duì)行駛、超車行駛等核心技術(shù)。此外，上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)等知名高校紛紛開展多機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，也取得了一系列突破性研究成果，為我國(guó)機(jī)器人系統(tǒng)研究與發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

2多機(jī)器人路徑規(guī)劃問題研究

多機(jī)器人路徑規(guī)劃問題是多機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)也是多機(jī)器人協(xié)作完成任務(wù)的根本保障。多機(jī)器人路徑規(guī)劃問題定義為：利用已知的靜態(tài)環(huán)境信息或者依靠傳感器獲得的動(dòng)態(tài)環(huán)境信息，多機(jī)器人系統(tǒng)各個(gè)機(jī)器人自主規(guī)劃一條從已知起點(diǎn)到目標(biāo)終點(diǎn)的無(wú)碰撞最優(yōu)路徑，該最優(yōu)路徑不僅要求單個(gè)機(jī)器人與所有障礙物之間避障，而且還需滿足多個(gè)機(jī)器人之間也無(wú)碰撞要求。

由單個(gè)機(jī)器人路徑規(guī)劃問題發(fā)展而來(lái)的多機(jī)器人路徑規(guī)劃問題，首先需要解決單個(gè)機(jī)器人路徑規(guī)劃問題，其次還要求解決多機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和多個(gè)機(jī)器人之間的協(xié)作問題，重點(diǎn)就是避免機(jī)器人之間的碰撞和避免出現(xiàn)機(jī)器人之間的路徑死鎖等問題。其中，環(huán)境建模方法、路徑規(guī)劃算法、協(xié)調(diào)避碰算法等都是關(guān)鍵技術(shù)問題[6]。

2.1環(huán)境建模

最有效的環(huán)境建模方法是建立環(huán)境地圖，柵格地圖、拓?fù)涞貓D、特征地圖等是目前常用的環(huán)境地圖。

為了方便機(jī)器人的定位，柵格法將整個(gè)環(huán)境劃分為許多大小相同的正方形單元格，并給予每個(gè)單元格唯一的整數(shù)標(biāo)示。柵格地圖模型最大的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是柵格地圖的粒度不好控制，若粒度較小，計(jì)算復(fù)雜度增加，若粒度較大，真實(shí)環(huán)境無(wú)法準(zhǔn)確表示。

拓?fù)涞貓D是利用節(jié)點(diǎn)間相關(guān)聯(lián)的邊所構(gòu)成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)標(biāo)示環(huán)境，拓?fù)涞貓D模型將環(huán)境中的重要位置視為節(jié)點(diǎn)（如障礙物的棱角），將節(jié)點(diǎn)間存在的直接連接的路徑視為地圖中的邊。拓?fù)涞貓D雖然適用于環(huán)境比較簡(jiǎn)單的情況，也不需要機(jī)器人準(zhǔn)確的位置信息。但拓?fù)涞貓D通常難以直接獲取，且對(duì)于相似環(huán)境的識(shí)別也比較困難。

特征地圖模型不同于以上兩種方法，本文利用抽象的幾何特征（如點(diǎn)、直線、曲線等）表示機(jī)器人感知的外部環(huán)境。此模型便于位置估計(jì)和目標(biāo)識(shí)別，但抽象的幾何特征需要對(duì)感知的環(huán)境信息作進(jìn)一步處理才能獲取，一般適用于特定的環(huán)境。

2.2規(guī)劃方法

按照多機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的控制方式，多機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法可以分為以下4種類型：①完全集中的規(guī)劃：需要一個(gè)集中控制器來(lái)規(guī)劃所有機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；②不完全集中的規(guī)劃：每個(gè)機(jī)器人規(guī)劃好自己的路徑，但是有一個(gè)集中控制器來(lái)管理多機(jī)器人系統(tǒng)中單個(gè)機(jī)器人如何走自己的路徑以保證機(jī)器人間不發(fā)生沖突；③不完全分散的規(guī)劃：多機(jī)器人系統(tǒng)中單個(gè)機(jī)器人規(guī)劃各自的路徑以及如何走好自己規(guī)劃的路徑，在不安全情況下才由集中控制器進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃；④完全分散的規(guī)劃：?jiǎn)蝹€(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)完全自主規(guī)劃，不存在集中控制器。

2.3協(xié)調(diào)避碰策略

協(xié)調(diào)避障是多機(jī)器人系統(tǒng)路徑規(guī)劃問題的重要技術(shù)之一，也是多機(jī)器人系統(tǒng)路徑規(guī)劃和多個(gè)單機(jī)器人路徑規(guī)劃的本質(zhì)區(qū)別體現(xiàn)。多機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)調(diào)避障問題除了要解決單個(gè)機(jī)器人自身路徑規(guī)劃問題，還必須解決多個(gè)機(jī)器人之間的碰撞、堵塞及死鎖問題。目前，學(xué)者們提出的協(xié)調(diào)策略主要有速率調(diào)整法、交通規(guī)則法、優(yōu)先級(jí)法、幾何修正法以及基于行為的避碰方法等。隨著“智能制造2025”的深入推進(jìn)，服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)展，多機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)調(diào)避碰策略亟需進(jìn)一步探討。

3多機(jī)器人系統(tǒng)展望

多機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)多學(xué)科高度交叉的前沿學(xué)科，多機(jī)器人系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展也必定會(huì)受到相關(guān)學(xué)科發(fā)展的限制。研究多機(jī)器人系統(tǒng)需要借鑒這些學(xué)科或?qū)W科中解決某些問題的理論和方法，才能產(chǎn)生突破性進(jìn)展，這是未來(lái)研究多機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展方向和重要趨勢(shì)，具體而言，這些學(xué)科有：分布式系統(tǒng)、生物學(xué)、傳感器技術(shù)、機(jī)械工程等?？蓮囊韵聨讉€(gè)方面探討多機(jī)器人路徑規(guī)劃問題：

（1）先進(jìn)的傳感技術(shù)。移動(dòng)機(jī)器人中傳感器設(shè)備被視為人類的五官，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的視覺、聽覺、嗅覺等功能。在環(huán)境建模中依靠先進(jìn)的傳感技術(shù)，機(jī)器人能完成高效實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息的任務(wù)。

（2）多傳感器的信息融合技術(shù)。移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航方式正在向多傳感器發(fā)展，使用多個(gè)傳感器可以同時(shí)采集和處理信息，從而提高機(jī)器人系統(tǒng)的速度和性能。通過合理支配并充分利用傳感器及其采集信息，并采用信息融合技術(shù)以獲得環(huán)境的一致性解釋及描述形式，可以提高機(jī)器人路徑規(guī)劃的精準(zhǔn)度和魯棒性。

（3）智能優(yōu)化算法的發(fā)展。隨著復(fù)雜問題規(guī)模呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，智能優(yōu)化方法迅速成為多機(jī)器人系統(tǒng)路徑規(guī)劃研究新的發(fā)展方向。但由于算法實(shí)時(shí)性、自適應(yīng)性、魯棒性還不夠好，智能優(yōu)化算法在實(shí)際應(yīng)用中必然存在一定的局限性。因此，多機(jī)器人系統(tǒng)路徑規(guī)劃問題研究中，智能優(yōu)化算法還有很大的發(fā)展空間。

4結(jié)語(yǔ)

多機(jī)器人系統(tǒng)的研究與應(yīng)用已經(jīng)對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深刻影響，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，其還將會(huì)對(duì)人類生活和社會(huì)進(jìn)步帶來(lái)巨大變革。不久的將來(lái)，人們的生活質(zhì)量和工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國(guó)防現(xiàn)代化水平都將得到極大提高。但目前對(duì)于多機(jī)器人系統(tǒng)的研究還處于初級(jí)階段，多機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究還亟需深入探討，特別是多機(jī)器人系統(tǒng)路徑規(guī)劃算法還有待進(jìn)一步改進(jìn)，多機(jī)器人系統(tǒng)無(wú)論在理論研究上還是技術(shù)實(shí)現(xiàn)上都需要更多學(xué)者進(jìn)行不懈努力和積極探索。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫娟）

第1期 卿勇：智能家居發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)綜述軟 件 導(dǎo) 刊2017年標(biāo)題