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网络可重构的多机器人仿真系统

http://www.b2b.hc360.com 中国金属加工网 信息来源:互联网发布时间:2020年05月13日浏览:6

0 引言

当前多个机器人分布式作业已经成为一个趋势[1],通过多机器人的协作,可以完成单机器人难以完成的复杂作业,提高机器人系统再作业过程中的效率[2]。它们在协作完成一项任务时,需要相互的信息融合和共享。所以,由各个个体机器人组成的群体系统,通信是必不可少的[3]。近年来,多机器人系统的理论研究受到各国研究机构的普遍关注,现在国际上已经研究出一些成功的实验系统,如ACTRESS、CEBOT、SWARM和MRCAS等[3,4]。

机器人一般较为昂贵,直接在实体上进行控制算法、协助策略和通信测试的实验投资较大。算法的合理性、有效性可以通过计算机仿真进行初步验证,然后再通过实际的多机器人系统进行实验验证,因此有必要建立多机器人仿真系统用来对相关的算法进行计算机仿真验证。目前的多机器人仿真系统,着重研究的是觅食、多目标探测、未知环境探测、地图构建、路径规划、机器人足球和群体搬运等问题[5],对于多个机器人之间通信网络的仿真则相对较少[6]。本文提出的多移动机器人通信网络仿真系统,侧重于反映多个移动机器人之间的通信机制以及拓扑变化情况,并以一个可重构的多机器人通信方式实现了该系统原型。

1 多机器人通信网络仿真系统

多机器人团队通常在一个未知区域内执行任务,首先需要探索未知区域。进入该区域后,开始进行漫游行走,相互之间通过通信网络进行信息的传递和共享。根据机器人环境下的通信网络的需求,通信网络仿真系统应由以下几个模块组成,即机器人行为模型的建立、环境模型绘制、运动仿真控制和通信网络模块。如图1所示,各个模块相互独立,其中的虚线框是该系统预留的接口,可以添加其他机器人控制算法以及和实体机器人的通信接口。

可靠性是机器人通信网络的重要指标之一。机器人由于移动特性或主机死机,它们之间的通信网络随时有可能断开链接,错误的数据传递将会导致机器人作出错误的判断与决策,从而导致整个机器人团队的失败;另外机器人管理策略的好坏也决定了整个通信网络的通信效率。为了提高通信网络的可靠性,在该系统中添加可重构功能,故通信模块还包括机器人通信、簇结构的构建等。

1.1 机器人行为模型的建立

机器人行为模型主要包括机器人的分布、运动速率、运动规律以及与其他机器人的相关性,主要用于描述机器人的运动情况。采用合适的行为模型对于分析机器人通信性能和运动规律具有重要意义。

随机停留运动模型(random waypoint)由Johnson等人提出,最大速率vmax和停顿时间tpause是模型的两个关键参数,使用该模型的网络链路存活时间较长,易于形成稳定的拓扑,是较常用的一种运动模型[7]。

考虑一个由N个随机部署的移动机器节点形成的Adhoc网络,用ri表示第i个移动机器人,相应的移动机器人节点集合为R={r1,r2,⋯,rn},|R|=N(N<100)作如下假设:

a)各个移动机器人位于一个方形观察区域A内;

b)每个节点都具有一个惟一的标志(ID)。

开始时,机器人节点ri在仿真区域内A随机选择一个目的地,然后机器人ri选择以满足在[0,vmax]内均匀分布的某个速度vi匀速移动。到达目的地后,停留tis(用ti表示机器人移动的剧烈程度;ti=0表示机器人是连续移动的)。机器人ri的移动速率vi和移动方向θi的选择与机器人rj(i≠j)不相关。停留时间结束后,机器人ri又选择另一个随机目的地并向其运动。

在该种模型中,如果vmax小而ti长,则通信网络的拓扑相对稳定;如果vmax大而ti短,通信网络的拓扑则有较高动态性。算法流程如图2所示。

编程实现该运动模型,由于生成的机器人运动信息量较大,故将信息存入仿真文件moving-scen.dat中,以供之后动态过程模拟时读取,这样不会影响模拟运行的速度。

1.2 环境模型的绘制

本文设计的多移动机器人通信网络仿真系统,支持自定义机器人数(系统支持最多100个机器人的仿真)、机器人运动速度、仿真时间长短、机器人最大通信半径以及机器人的运动范围。根据已经生成了的机器人运动模型文件,接下来绘制环境模型,包括机器人的绘制和障碍物的绘制。

1)构造机器人模型在图形窗口中绘制机器人的形状,可以调整机器人大小以及视图的缩放,确定机器人的初始位置,每个机器人都有惟一的标志(ID)。由于机器人在运动过程中会移动出屏幕视野,添加了视图移动的功能,方便用户实时观察节点的运行状态。

2)障碍物的绘制本系统可以对环境中的障碍物进行编辑、修改,如增加障碍物、改变其大小等,这样可以应用到可添加模块,即机器人避障和路径规划等。

1.3 机器人运动仿真

环境模型建立之后,接下来就是机器人动态过程的模拟。由于仿真系统是模拟机器人分布式的运行,每个机器人都是相互独立的,只有采用多线程技术,才能最大程度地体现出这种特点[8]。

另外设两个全局的运动状态结构存储各个机器人的运动状态以及环境信息。如图3所示,运动仿真模块主要有两个线程。其中,draRoboThread是根据机器人当前的坐标绘制新机器人线程;nodeMoveFunctionThread是不断改变机器人运动轨迹的线程,包括机器人运动速度vi以及移动方向θi,它将改变了的机器人坐标存入robotState数据结构。由于两个线程会同时访问一段相同的数据区域robotState,应加互斥锁pRobot-StateLock。

系统设定了一个步进时间变量simulation-time,用于控制仿真速度;鉴于图形界面的广泛使用,采用进度条组件,使用者可以实时了解仿真进度;另外采用了时钟暂停模式,可以使仿真暂时停止,观察机器人节点的链路状态。仿真系统的易用性、可视化程度高,为人机交互信息提供了最大的支持。

1.4 机器人通信模块

通信模块是系统的核心,在每个机器人需要发送信息时它可以立即发送,若要完成较远距离的通信,则可以通过中间机器人进行信息转发;在某个移动机器人脱离通信范围的情况下,其余机器人应该能够自适应地重新组成新的网络,而不影响整个团队的工作[9]。按照上述原则,本文提出了一种网络可重构的通信方式。

1.4.1 多机器人的分级管理

对于该系统,首先作如下说明:

a)由于机器人能量和信号发射功率的限制,每个机器人都有最大通信距离。本系统中均采用同构机器人,机器人参数相同。

b)定义每个机器人有三种状态,即簇头、成员和未定状态。机器人初始化时都是未定状态。

c)每个机器人如若属于不同的簇结构,那么该机器人就是网关机器人(图5中的2号机器人,它可向其他簇结构进行转发消息)。

d)网络重构包括簇结构重构和链路重构。

在大规模移动机器人组建的通信网络中,分级管理机器人的策略可以显著提高通信的效率。每个机器人周期性地广播自身识别信息,其他机器人收到非自身发送的识别消息后,记录在本机。通过这些邻居机器人的信息,构造簇结构。簇头机器人管理成员机器人,从而形成两级管理结构。

构建这种簇结构的示意图如图4所示。1号机器人可以收到2、3、5号机器人的识别消息,根据最小ID原则,被选举为簇头节点,然后四个机器人会组建成一个簇结构。同样,4、6、7组建成一个簇结构。在该图中,6同样也可能隶属于1号机器人管辖,取决于6号机器人收到1和4号机器人识别信息的先后顺序。

1.4.2 信息传输

信息传输是一个机器人S获得一个到D的传输路线然后传输信息到终点D的机制。由于S和D可能相距较远,需要中间机器人进行信息转发。

图5为利用簇机制进行信息传输的过程。S将信息发送给簇头A,簇头A查找D是否在本簇范围内,如果在,直接将消息发送给D;否则就通过网关机器人2发送给相邻簇头B。B收到2发来的信息,它查找自己的邻居表,发现终点D在本簇内,直接将信息转发给D。这样S的信息发送请求并不用在簇A范围内向不相关的机器人洪泛广播,节省了参与传输信息的机器人数量。

1.4.3 簇结构重构

簇的构建包括以下几方面:

a)如果一个未定状态机器人从一个簇头收到识别信息,则该机器人会加入此簇头,并设置自身的状态为簇成员。

b)如果在规定时间内,机器人成员节点没收到任何簇头的消息,则它重新进入未定状态。等待加入下一个簇结构。

c)如果长时间无簇头机器人靠近,则自动变为簇头状态。按照上述原则,会带来簇结构过多的问题,簇结构重构就是为了解决该问题。当两个簇结构移动到能互相收到对方的识别消息时,局部进行簇头机器人的选举,则两个簇融合成一个簇结构。通过这种机制,可以自适应地调整机器人团队中的簇结构规模。

1.4.4 链路重构

机器人的通信网络随时有可能断开链接,当信息传输过程中链路突然断开,会严重影响信息传输的延迟。链路的重构就是在链路断开的地方,对链路进行局部修复。

举例说明该机制的工作原理。每个机器人在收到其他机器人发送来的识别消息时,都可以组建本机的一个邻居机器人信息列表,如表1第二列所示。在第二次广播识别消息时,将本机的邻居信息表也发送出去。这样每个机器人可以获取邻居的邻居信息,如表1第三列所示。

如图6所示,信息的传输路径3→4段发生了链路破损,此时通过表1所示的链路重构信息库来修复破损的链路。3发现到4的链路不通时,通过查阅自己的链路重构信息库,发现机器人4仍然是本机邻居的邻居。进而询问自己的邻居,得知2的邻居就是4,则路线更改为3→2→4。这样就实现了通信链路的重构。

2 仿真系统的实现

该系统用VC++6.0进行了相应的实现,系统的通信模块采用网络可重构的通信方式。图7为该系统的前端界面。在图7中,用户可以自定义仿真机器人数、最小速度和最大速度、仿真时间等数据。定义好这些参数之后,产生随机运动场景文件,机器人位置分布如图8所示。由于确定了机器人最大通信距离是4倍机器人半径,从图中可以看出,每个机器人可达的最大距离以及相邻机器人有哪些。

启动通信网络之后,即开始进行簇结构的构建。如图9所示,在初始状态时的簇结构构造情况。虚线框表示一个簇结构,簇头机器人和成员机器人节点见图中标记。选择开始仿真,机器人节点开始做随机运动。由于有簇结构的重组,运动过程中簇结构也是不断变化着的。

机器人节点会移出视图范围,可以用视图调整按钮移动屏幕视野,并可以调整仿真速度。图10显示的是机器人开始仿真时的运行效果。另外对于链路重构,是通信网络隐式的优化机制,在仿真界面上并没有显示。

3 结束语

在多移动机器人相互协作完成任务的过程中,机器人所采用的通信方式的优劣是任务完成的保障之一。

本文通过分析现有多机器人仿真平台对通信网络的仿真不足,提出了一种通信网络仿真平台的系统设计方案,并以网络可重构的机器人通信方式为例,对该系统进行了相应的实现。随机停留运动模型、环境模型的建立以及可自定义仿真参数和为其他控制算法预留了接口,使该系统具有良好的人机交互功能。通过进一步编程,用户可以在仿真系统中嵌入自己的控制算法和分析日志函数,使该仿真平台可以方便地对通信网络进行仿真和性能分析。在与实体机器人进行可通信编程之后,也可以实时地演示机器人的运动状态和通信链路变化。

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