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灾难救援中应用多智能机器人群体编队研究

作者:2016-06-26 20:43阅读:文章来源:论文代写
  0引言 
  近些年,突发事件越来越多,严重威胁人们的生命和财产安全。现实生活中灾难的多样性和复杂性正以指数级形式增长,多智能体编队为实现灾难损失和伤害的最小化研究提供了借鉴和启发。自然界中存在着一些生物,它们个体不具有智能性,而是通过合作表现出的智能行为,如捕食、筑巢、抵御外界入侵等。我们把这种生物的集合体统称为多智能体群[1]。而编队往往是动物群体采取的一种有效行为方式,它们之间通过保持某种特定的几何图形,或者在群体中保持固定的位置,以此完成捕食、筑巢、抵御外界入侵等工作[2]。实际生活中,把单个机器人看成多智能体的个体,各个智能体之间是通过直接或间接通信方式进行联系的。 
  1多智能体特点 
  ①多智能体中控制方式是分布式控制方式; 
  ②多智能体间的各个智能体通过直接或间接通讯方式进行联系; 
  ③多智能体系统必须容易扩充和缩减,不能因为系统中某个智能体出现故障而影响到整个系统; 
  ④多智能体中的各个智能体必须保持一定的队形,而图形必须满足最小无刚性; 
  ⑤多智能体中个体要完成的功能必须简单可行,执行速度必须达到一定的要求。 
  2多智能机器人群体优势 
  ①利用简单的机器人个体,通过合作、相互协调来完成较复杂的工作,这比设计复杂单个机器人要简单得多; 
  ②在突发事件中,多变和复杂的工作环境下,多智能机器人群体比单个机器人更容易适应环境; 
  ③多智能机器人群体采用分布式控制方式,系统搜索效率很高,可以取得最好结果; 
  ④多智能机器人群体不但要具有并行性和冗余性,而且要具有很好的适应环境变化的能力、灵活性、鲁棒性和容错性。 
  多智能体编队在众多领域得到了广泛应用,如工业、农业、航空航天、危险物品搬运、灾难救援等。本文主要对空难救援搜索进行了研究。 
  3机器人设计过程 
  为实现系统要求,必须从单个机器人设计、机器人策略、机器人编队策略等方面设计[35]。 
  3.1单个机器人设计 
  由于空难环境的多样性和复杂性,单个机器人设计必须具备以下几个基本特点:①具有飞行能力;②具有通信能力:这里指的是操作人员和机器人之间的通信;③能源供给设计:最好可通过无线充电技术给其提供能量。目前无线充电技术有4种方式:电磁感应式、磁场共振式、无线电波式、电场耦合式。上述4种方式中,最好的无线充电方式是磁场共振技术,麻省理工学院(MIT)物理教授Marin Soljacic带领的研究团队利用该技术点亮了2m外的一盏60w灯泡,并将其取名为WiTricity。虽然这项技术目前还无法实现商业化,但它给我们一个启示,给救援机器人实现巡航半径的无限扩大提供了实践基础;④机器人材料的质量要尽量轻,能携带的物品要尽量多,材料要具有防水、防辐射、防腐蚀特性;⑤机器人必须具有一定的感知能力,可通过感觉阈值差别,对救援者的位置进行自动定位和导航。感觉阈值通过韦伯定律来确定: 
  K=ΔII(1) 
  其中:I表示原来刺激物强度,ΔI表示差别的感觉阈值,K是韦伯系数。一般规定:质量感觉的韦伯系数K为1/30,听觉的韦伯系数K为1/10,视觉的韦伯系数K为1/100。 
  3.2机器人策略设计 
  机器人策略设计主要从环境和通信两个方面入手。 
  (1)环境方面:由于空难事件的突发性,我们对于事发现场环境并不了解,这就要求设计机器人时注意:①救援机器人必须有一定的记忆功能;②机器人必须要具有视觉功能;③机器人能把空难的环境模拟成一个离散的数据模型。可以通过互连式学习自动机和增强式学习机相结合,把空难的环境模拟成马尔可夫决策问题的标准模型。 
  (2)通信方面:设计的机器人可以通过自身的传感器进行协同操作、协同决策、协同优化。通信方面采用非对称分布式结构,引入蚁群算法,使微型机器人具有较好的协调策略、行为策略。通信过程中关于平衡负载问题,可以通过运动协调和模拟信息素沉积来解决。 
  4机器人编队策略 
  (1)机器人编队队形。有些动物飞行时总保持一个特定的队形,例如:大雁飞行时,常常排成“人”字或斜“一”字形,这是利用了生物学中的尾涡原理。鸟类飞行时,翅膀尖端会产生一股向前流动的气流,我们称之为尾涡,后面的鸟利用前面的鸟产生的尾涡,飞行时要省力得多。同时,保持统一队形对防御敌害、避免掉队、躲避障碍等都起到很好的作用。在多智能机器人群体中,为了尽量增大救援半径,可以借鉴仿生学这一特点,使机器人群体保持一定队形。 
  编队一般包括以下几种基本队形:行编队(Line)、竖编队(Column)、三角形(Triangle)编队、菱形(diamond)编队、圆形(Cycle)和楔形(Wedge)编队等[2]。
  (2)机器人编队原则:在机器人编队过程中,机器人群体之间协调合作原则有:分离原则、内聚原则、排列原则。 
  (3)机器人控制策略:为了使机器人群体能完成统一任务,它们要有共同的策略。随着机器人群体数量的增加,信息量的增长方式会呈现一个趋势,这要求我们采用分布式控制方式。机器人群体中的个体不需要获得全部信息,只需要为数很少的几个机器人即可,这样会明显降低系统对通讯能力的要求,提高系统灵活性、可靠性。为了保证机器人群体保持一个固定队形,需要通过传感器测试出相对距离、相对速度或相对角度等局部信息,实现对非对称分布式编队的控制。 硕士代写论文网文章地址:/jxlw/1542.html

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