專利名稱：一種多機器人系統(tǒng)的調(diào)度組織協(xié)作系統(tǒng)及方法
一種多機器人系統(tǒng)的調(diào)度組織協(xié)作系統(tǒng)及方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明設(shè)計機器人控制領(lǐng)域，特別涉及一種多機器人系統(tǒng)的調(diào)度組織協(xié)作系統(tǒng) 及方法。
背景技術(shù)：
隨著機器人功能和領(lǐng)域的不斷擴展，柔性智能機器人已取代傳統(tǒng)硬性、功能單一 的機器人，成為當(dāng)今主要研究方向。然而，多機器人系統(tǒng)中，處于動態(tài)、不確定環(huán)境中的各機 器人間，在任務(wù)執(zhí)行過程中需要有大量的信息交互和協(xié)商，然而隨著機器人數(shù)量的增加，機 器人間的通信壓力和協(xié)調(diào)難度也將大大增加。而傳統(tǒng)多機器人系統(tǒng)通信存在著信息擁塞等 大量問題；組織方式上所采用的集中式或分層式模式，在適應(yīng)主體能力及環(huán)境的動態(tài)變化 上，降低了整個系統(tǒng)的活躍性，而對管理者的高要求更是出現(xiàn)了瓶頸。此外，選擇任務(wù)執(zhí)行 者時還需要進行大量信息的重復(fù)處理和比較，不僅效率不高，而且還浪費了大量的系統(tǒng)資 源。
目前多機器人系統(tǒng)的研究已受到普遍的關(guān)注，比較經(jīng)典的實驗系統(tǒng)有 CEBOT(Cellular Robotic system)、ALLIANCE/L-ALLANCE 系統(tǒng)、SWARM 系統(tǒng)。這些研究 涉及到多機器人的群體體系結(jié)構(gòu)、感知與多傳感器融合、通信與協(xié)調(diào)機制、任務(wù)分配、學(xué) 習(xí)、運動規(guī)劃系統(tǒng)實現(xiàn)等許多方面，而對于多個機器人的協(xié)調(diào)與合作的研究是多機器人系 統(tǒng)研究的主要內(nèi)容。國外的最新研究主要有美國USC大學(xué)的學(xué)者建立soeiallyMObile 和TheNerdHerd實驗系統(tǒng)；加拿大Alberta大學(xué)的C. R. Kube等人研制的Collective Robotics (集體機器人系統(tǒng))以及美國Oak Ridge國家實驗室的LyrmeE. Parker博士在 多Agent協(xié)作、自主Agent體系結(jié)構(gòu)、多Agent通訊等方面做的許多工作。相對于國外，我 國對于多機器人系統(tǒng)的研究起步較晚，一般集中在多機器人協(xié)作與多機器人學(xué)習(xí)等方面， 而且多針對智能化制造系統(tǒng)和機器人足球的應(yīng)用基礎(chǔ)性研究。主要內(nèi)容有中國科學(xué)院沈 陽自動化所建立的MACAS系統(tǒng)；上海交通大學(xué)研制的多移動機器人系統(tǒng)平臺ActivMedia Robotics。然而這些研究在處理多機器人調(diào)度系統(tǒng)中任務(wù)分配及協(xié)作方面的問題時所采用 的諸多方法，在適應(yīng)主體能力及環(huán)境的動態(tài)變化、降低通信量、提高整個系統(tǒng)的問題求解能 力和活躍性的全局性能優(yōu)化等方面仍然存在著諸多問題。本設(shè)計在積累已有的研究成果的 基礎(chǔ)上，并結(jié)合新的應(yīng)用背景和技術(shù)，設(shè)計了新的適用于多機器人調(diào)度的柔性組織模型和 智能協(xié)作方案，此方案將有廣闊的應(yīng)用前景。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對當(dāng)前多機器人系統(tǒng)中存在的種種瓶頸，設(shè)計了一種新的適 合于柔性機器人的調(diào)度組織模型，并基于模型提出了一種智能協(xié)作機制，以降低調(diào)度過程 中的通信量、減少系統(tǒng)開銷、提高問題求解能力，提高系統(tǒng)整體性能。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種多機器人系統(tǒng)的調(diào)度組織協(xié)作方法，包括以 下步驟第一步，任務(wù)發(fā)布過程第一機器人Robotl的調(diào)度管理單元發(fā)現(xiàn)新任務(wù)到達(dá)后，任務(wù) 管理單元、資源管理單元及調(diào)度管理單元聯(lián)合做出自我評價，給出評價結(jié)果，第一機器人 Robotl成為決策者，調(diào)度管理單元將任務(wù)信息連同評價結(jié)果一同發(fā)布到公告欄Bulletin。
第二步，執(zhí)行者選擇過程在選擇任務(wù)執(zhí)行者截至?xí)r間到達(dá)之前，有空閑資源的機 器人查看公告欄Bulletin的任務(wù)信息，進行自我評價，調(diào)度管理單元的評價結(jié)果比較模塊 將評價結(jié)果與當(dāng)前決策者的評價結(jié)果進行比較，如果此次評價結(jié)果優(yōu)于當(dāng)前決策者的評價 結(jié)果，則修改當(dāng)前任務(wù)信息中的評價結(jié)果為新的評價結(jié)果，并且取代當(dāng)前決策者成為新的 決策者，并通知原決策者放棄對該任務(wù)的決策權(quán)；否則，放棄該任務(wù)。
第三步，執(zhí)行者確定過程若任務(wù)執(zhí)行者的選擇過程已結(jié)束，且此時決策者仍為 任務(wù)的發(fā)現(xiàn)者第一機器人Robotl，調(diào)度管理單元的任務(wù)能力判斷模塊判斷第一機器人 Robotl具備完成該任務(wù)的能力，則當(dāng)前決策者成為任務(wù)執(zhí)行者，開始任務(wù)的執(zhí)行，并就任務(wù) 的完成情況更新自身能力信息。
其中，所述第三步進一步包括若任務(wù)執(zhí)行者的選擇過程已結(jié)束，且此時決策者仍 為任務(wù)的發(fā)現(xiàn)者第一機器人Robotl，并且第一機器人Robotl不具備完成該任務(wù)的能力，則 由第一機器人Robotl的調(diào)度管理單元的任務(wù)分解模塊對該任務(wù)進行分解，承擔(dān)其中的部 分任務(wù)，并將剩余任務(wù)再次發(fā)布公告，重復(fù)第一步至第三步。
其中，所述自我評價的步驟包括首先，當(dāng)調(diào)度管理單元發(fā)現(xiàn)新任務(wù)后，調(diào)度管理單元與任務(wù)管理單元及資源管理模塊 進行協(xié)商若該任務(wù)是從現(xiàn)實世界中直接獲得的，則由其調(diào)度管理單元根據(jù)任務(wù)管理單元 計算的當(dāng)前任務(wù)負(fù)載信息及資源管理單元計算的資源負(fù)載信息進行評價，然后將評價結(jié)果 連同任務(wù)信息一起進行發(fā)布；以使其他機器人獲知新消息，該機器人并成為當(dāng)前決策者，并 開始實時監(jiān)控該消息的狀態(tài)。若接到其他機器人發(fā)出的通知，則放棄對該任務(wù)的決策權(quán)。
其次，任務(wù)管理單元及資源管理模塊對當(dāng)前任務(wù)進行預(yù)處理及處理能力的計算。
其中，預(yù)處理過程為任務(wù)管理單元中的任務(wù)信息收集模塊收集監(jiān)控和跟蹤的所 有任務(wù)信息，包括優(yōu)先級Ui、開始時限Si、處理時間Ti、與其它任務(wù)的通信量總和Ci、當(dāng)前 所在節(jié)點Ni、任務(wù)執(zhí)行所需的資源Ri等；資源管理模塊中的資源信息監(jiān)控模塊動態(tài)收集實 時監(jiān)控與處理能力相關(guān)的資源信息，包括控制器利用率Pi、指令就緒隊列長度Li、存儲空 間Mi、各接口的流量Ii和利用率Ei等。
其中，處理能力計算過程為任務(wù)管理單元中的任務(wù)信息計算模塊根據(jù)收集到 的所有任務(wù)信息，并將它們綜合起來計算當(dāng)前的任務(wù)負(fù)載情況T_load= μ IUi + y2Si + μ3Τ + y4Ci + μ5Ν + μ 6Ri +……；資源管理單元中的資源信息計算模塊根據(jù) 動態(tài)實時監(jiān)控和收集的信息，并將它們綜合起來計算當(dāng)前的資源負(fù)載情況R_load= β IPi + i3 2Li + β3Μ + β4Ι + β5Ε +……；其中，μ i，β i分別為其中各個信息的權(quán)值， 興=， 為=1，根據(jù)不同需求可具體設(shè)定。iai-L
最后，調(diào)度管理單元根據(jù)協(xié)商結(jié)果，并結(jié)合其他因素，包括反應(yīng)力和通信能力，任 務(wù)的發(fā)現(xiàn)與接受的能力，以及任務(wù)的發(fā)布能力；通過與其他單元的通信協(xié)商完成能力的整 體評價工作，并給出最終自身評價結(jié)果F=f (T_ load, R_load,…)，評價結(jié)果F為各個因 素的函數(shù)。
另提供一種多機器人系統(tǒng)的調(diào)度組織協(xié)作系統(tǒng)，所述調(diào)度組織協(xié)作系統(tǒng)包括 任務(wù)管理單元，用于監(jiān)控和跟蹤所有任務(wù)信息，所述任務(wù)信息包括優(yōu)先級、開始時限、處理時間、與其它任務(wù)的通信量總和、當(dāng)前所在節(jié)點、任務(wù)執(zhí)行所需的資源，并將任務(wù)信息 綜合起來計算當(dāng)前的任務(wù)負(fù)載情況，根據(jù)任務(wù)要求，申請資源，執(zhí)行其任務(wù)。
資源管理單元，用于管理所有與處理能力相關(guān)的資源，動態(tài)實時的監(jiān)控和收集資 源信息，并將資源信息綜合起來計算當(dāng)前的資源負(fù)載情況；所述資源包括控制器利用率、 指令就緒隊列長度、存儲空間、各接口的流量和利用率等。
調(diào)度管理單元用于實現(xiàn)任務(wù)的發(fā)現(xiàn)與接受，以及任務(wù)的發(fā)布；與其任務(wù)管理單 元、資源管理單元進行協(xié)商，完成能力的整體評價工作，并給出評價結(jié)果；實現(xiàn)與其他機器 人之間的通信；在接受任務(wù)后可進行任務(wù)調(diào)度，根據(jù)任務(wù)發(fā)布情況完成大規(guī)模任務(wù)的分解。
所述任務(wù)管理單元、資源管理單元及調(diào)度管理單元通過通信接口相互連接。
其中，所述調(diào)度管理單元包括評價結(jié)果比較模塊，用于將自身評價結(jié)果與當(dāng)前決策者的評價結(jié)果進行比較若評價 結(jié)果優(yōu)于原決策者，則修改公告欄中評價結(jié)果為新的評價結(jié)果，取代原決策者成為新的決 策者，向原決策者發(fā)出通知，以便于原決策者放棄對該任務(wù)的決策權(quán)，否則不參與競爭。
任務(wù)能力判斷模塊，用于判斷第一機器人Robotl是否具備完成該任務(wù)的能力當(dāng) 消息的有效時間到了無競爭者，任務(wù)能力判斷模塊根據(jù)其能力進行決策，能力足夠，則執(zhí)行 其任務(wù)，否則對任務(wù)進行分解。
任務(wù)的發(fā)布模塊，將評價結(jié)果連同任務(wù)信息一起進行發(fā)布，以使其他機器人獲知 新消息。
其中，所述調(diào)度管理單元進一步包括任務(wù)分解模塊，用于將大規(guī)模任務(wù)進行分解當(dāng)消息的有效時間到了無競爭者，第一機 器人Robotl又不具備完成該任務(wù)的能力，則對任務(wù)進行分解，執(zhí)行分解后的部分任務(wù)，并 將剩余任務(wù)再次按該調(diào)度協(xié)作機制進行處理。
其中，所述任務(wù)管理單元包括任務(wù)信息收集模塊，用于監(jiān)控和跟蹤的所有任務(wù)信息，包括優(yōu)先級、開始時限、處理時 間、與其它任務(wù)的通信量總和、當(dāng)前所在節(jié)點、任務(wù)執(zhí)行所需的資源等。
任務(wù)信息計算模塊，用于根據(jù)收集到的所有任務(wù)信息，將它們綜合起來計算當(dāng)前 的任務(wù)負(fù)載情MT_load= μ IUi + μ 2Si + μ 3Ti + μ 4Ci + μ 5Ni + μ 6Ri + ……；其中，μ i為權(quán)值，
權(quán)利要求
1.一種多機器人系統(tǒng)的調(diào)度組織協(xié)作方法，包括以下步驟步驟A，任務(wù)發(fā)布過程第一機器人Robotl的調(diào)度管理單元(300)發(fā)現(xiàn)新任務(wù)到達(dá)后， 任務(wù)管理單元(100)、資源管理單元(200)及調(diào)度管理單元(300)聯(lián)合做出自我評價，給出 評價結(jié)果，第一機器人Robotl成為決策者，調(diào)度管理單元(300)將任務(wù)信息連同評價結(jié)果 一同發(fā)布到公告欄Bulletin;步驟B，執(zhí)行者選擇過程在選擇任務(wù)執(zhí)行者截至?xí)r間到達(dá)之前，有空閑資源的機器人 查看公告欄Bulletin的任務(wù)信息，進行自我評價，調(diào)度管理單元(300)的評價結(jié)果比較模 塊(310)將評價結(jié)果與當(dāng)前決策者的評價結(jié)果進行比較，如果此次評價結(jié)果優(yōu)于當(dāng)前決策 者的評價結(jié)果，則修改當(dāng)前任務(wù)信息中的評價結(jié)果為新的評價結(jié)果，并且取代當(dāng)前決策者 成為新的決策者，并通知原決策者放棄對該任務(wù)的決策權(quán)；否則，放棄該任務(wù)；步驟C，執(zhí)行者確定過程若任務(wù)執(zhí)行者的選擇過程已結(jié)束，且此時決策者仍為任務(wù)的 發(fā)現(xiàn)者第一機器人Robotl，調(diào)度管理單元(300)的任務(wù)能力判斷模塊(320)判斷第一機器 人Robotl具備完成該任務(wù)的能力，則當(dāng)前決策者成為任務(wù)執(zhí)行者，開始任務(wù)的執(zhí)行，并就 任務(wù)的完成情況更新自身能力信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多機器人系統(tǒng)的調(diào)度組織協(xié)作方法，所述步驟C進一步包括 若任務(wù)執(zhí)行者的選擇過程已結(jié)束，且此時決策者仍為任務(wù)的發(fā)現(xiàn)者第一機器人Robotl，并 且第一機器人Robotl不具備完成該任務(wù)的能力，則由第一機器人Robotl的調(diào)度管理單元 (300)的任務(wù)分解模塊(330)對該任務(wù)進行分解，承擔(dān)其中的部分任務(wù)，并將剩余任務(wù)再次 發(fā)布公告，重復(fù)步驟A至步驟C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多機器人系統(tǒng)的調(diào)度組織協(xié)作方法，所述自我評價的步驟包括首先，當(dāng)調(diào)度管理單元(300)發(fā)現(xiàn)新任務(wù)后，調(diào)度管理單元(300)與任務(wù)管理單元 (100)及資源管理模塊(200)進行協(xié)商若該任務(wù)是從現(xiàn)實世界中直接獲得的，則由其調(diào)度 管理單元(300)根據(jù)任務(wù)管理單元(100)計算的當(dāng)前任務(wù)負(fù)載信息及資源管理單元(200) 計算的資源負(fù)載信息進行評價，然后將評價結(jié)果連同任務(wù)信息一起進行發(fā)布；以使其他機 器人獲知新消息，該機器人并成為當(dāng)前決策者，并開始實時監(jiān)控該消息的狀態(tài)；若接到其他機器人發(fā)出的通知，則放棄對該任務(wù)的決策權(quán)；其次，任務(wù)管理單元(100)及資源管理模塊(200)對當(dāng)前任務(wù)進行預(yù)處理及處理能力 的計算；其中，預(yù)處理過程為任務(wù)管理單元(100)中的任務(wù)信息收集模塊(110)收集監(jiān)控和跟 蹤的所有任務(wù)信息，包括優(yōu)先級Ui、開始時限Si、處理時間Ti、與其它任務(wù)的通信量總和 Ci、當(dāng)前所在節(jié)點Ni、任務(wù)執(zhí)行所需的資源Ri ；資源管理模塊(200)中的資源信息監(jiān)控模塊 (210)動態(tài)收集實時監(jiān)控與處理能力相關(guān)的資源信息，包括控制器利用率Pi、指令就緒隊 列長度Li、存儲空間Mi、各接口的流量Ii和利用率Ei ；其中，處理能力計算過程為任務(wù)管理單元(100)中的任務(wù)信息計算模塊(120)根據(jù)收 集到的所有任務(wù)信息，并將它們綜合起來計算當(dāng)前的任務(wù)負(fù)載情況T_load= μ IUi + y2Si + μ3Τ + y4Ci + μ5Ν + μ 6Ri +……；資源管理單元(200)中的資源信息計算模塊 (220)根據(jù)動態(tài)實時監(jiān)控和收集的信息，并將它們綜合起來計算當(dāng)前的資源負(fù)載情況R_ load= β IPi + ^2Li + β3Μ + β4Ι + β 5Ei +……；其中，μ i，β i分別為其中各個信息的權(quán)值，Σ/ -=，Σ/ =ι,具體值 Μ α根據(jù)不同需求可具體設(shè)定；最后，調(diào)度管理單元(300)根據(jù)協(xié)商結(jié)果，并結(jié)合其他因素，包括反應(yīng)力和通信能力， 任務(wù)的發(fā)現(xiàn)與接受的能力，以及任務(wù)的發(fā)布能力；通過與其他單元的通信協(xié)商完成能力的 整體評價工作，并給出最終自身評價結(jié)果F=f (T_ load, R_load,…)，評價結(jié)果？是乙 load, R_load等因素的函數(shù)。
4.一種多機器人系統(tǒng)的調(diào)度組織協(xié)作系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)度組織協(xié)作系統(tǒng)包括任務(wù)管理單元(100)，用于監(jiān)控和跟蹤所有任務(wù)信息，所述任務(wù)信息包括優(yōu)先級、開始 時限、處理時間、與其它任務(wù)的通信量總和、當(dāng)前所在節(jié)點、任務(wù)執(zhí)行所需的資源，并將任務(wù) 信息綜合起來計算當(dāng)前的任務(wù)負(fù)載情況，根據(jù)任務(wù)要求，申請資源，執(zhí)行其任務(wù)；資源管理單元(200)，用于管理所有與處理能力相關(guān)的資源，動態(tài)實時的監(jiān)控和收集資 源信息，并將資源信息綜合起來計算當(dāng)前的資源負(fù)載情況；所述資源包括控制器利用率、 指令就緒隊列長度、存儲空間、各接口的流量和利用率；調(diào)度管理單元(300)用于實現(xiàn)任務(wù)的發(fā)現(xiàn)與接受，以及任務(wù)的發(fā)布；與其任務(wù)管理單 元(100)、資源管理單元(200)進行協(xié)商，完成能力的整體評價工作，并給出評價結(jié)果；實現(xiàn) 與其他機器人之間的通信；在接受任務(wù)后可進行任務(wù)調(diào)度，根據(jù)任務(wù)發(fā)布情況完成大規(guī)模 任務(wù)的分解；所述任務(wù)管理單元(100 )、資源管理單元(200 )及調(diào)度管理單元(300 )通過通信接口相 互連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多機器人系統(tǒng)的調(diào)度組織協(xié)作系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)度 管理單元(300)包括評價結(jié)果比較模塊(310)，用于將自身評價結(jié)果與當(dāng)前決策者的評價結(jié)果進行比較 若評價結(jié)果優(yōu)于原決策者，則修改公告欄中評價結(jié)果為新的評價結(jié)果，取代原決策者成為 新的決策者，向原決策者發(fā)出通知，以便于原決策者放棄對該任務(wù)的決策權(quán)，否則不參與競 爭；任務(wù)能力判斷模塊(320)，用于判斷第一機器人Robotl是否具備完成該任務(wù)的能力 當(dāng)消息的有效時間到了無競爭者，任務(wù)能力判斷模塊(320)根據(jù)其能力進行決策，能力足 夠，則執(zhí)行其任務(wù)，否則對任務(wù)進行分解；任務(wù)的發(fā)布模塊(340)，將評價結(jié)果連同任務(wù)信息一起進行發(fā)布，以使其他機器人獲知 新消息。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多機器人系統(tǒng)的調(diào)度組織協(xié)作系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)度 管理單元(300)進一步包括任務(wù)分解模塊(330)，用于將大規(guī)模任務(wù)進行分解當(dāng)消息的有效時間到了無競爭者， 第一機器人Robotl又不具備完成該任務(wù)的能力，則對任務(wù)進行分解，執(zhí)行分解后的部分任 務(wù)，并將剩余任務(wù)再次按該調(diào)度協(xié)作機制進行處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多機器人系統(tǒng)的調(diào)度組織協(xié)作系統(tǒng)，其特征在于，所述任務(wù) 管理單元(100)包括任務(wù)信息收集模塊(110)，用于監(jiān)控和跟蹤的所有任務(wù)信息，包括優(yōu)先級、開始時限、 處理時間、與其它任務(wù)的通信量總和、當(dāng)前所在節(jié)點、任務(wù)執(zhí)行所需的資源；任務(wù)信息計算模塊(120)，用于根據(jù)收集到的所有任務(wù)信息，將它們綜合起來計算當(dāng)前 的任務(wù)負(fù)載情MT_load= μ IUi + μ 2Si + μ 3Ti + μ 4Ci + μ 5Ni + μ 6Ri + ……；其中，μ i為權(quán)值，
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多機器人系統(tǒng)的調(diào)度組織協(xié)作系統(tǒng)，其特征在于，所述資源 管理單元(200)包括資源信息監(jiān)控模塊(210)，用于管理所有與處理能力相關(guān)的資源，包括控制器利用 率、指令就緒隊列長度、存儲空間、各接口的流量和利用率；資源信息計算模塊(220)，用于根據(jù)動態(tài)實時監(jiān)控和收集的信息，并將它們綜合起來計 算當(dāng)前的資源負(fù)載情況R_load=i3 IPi + i3 2Li + β 3Mi + β4Ι + β 5Ei +……；其中，β i為權(quán)值，
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多機器人系統(tǒng)的調(diào)度組織協(xié)作系統(tǒng)及方法，采用分布式的模式架構(gòu)，減少信息交互，充分利用系統(tǒng)資源，提高整個系統(tǒng)的活躍性和問題求解水平，加強了多個機器人間的智能協(xié)調(diào)與柔性合作的能力。本發(fā)明采用動態(tài)決策者方案，即每一個機器人都可能成為任務(wù)的決策者，智能的進行調(diào)度與協(xié)作，降低通信量，減少系統(tǒng)消耗，并能更好的適應(yīng)動態(tài)環(huán)境和復(fù)雜動態(tài)任務(wù)，提高了問題的求解能力。本發(fā)明引用了公告欄，采用讓機器人在有資源空閑(能力)時主動查看公告欄來獲得任務(wù)信息的方法，同時，查看的過程即可完成對于最優(yōu)者的選擇，從而減少信息交互，簡化了信息處理比較過程，大大降低了通信量，有效解決信息阻塞和系統(tǒng)資源的浪費問題。
文檔編號G05B19/418GK102033536SQ20101059972
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者王占杰 申請人:大連理工大學(xué)