[科普中國(guó)]-協(xié)同避障

名詞解釋

生物的群體運(yùn)動(dòng)是指大量生物個(gè)體一起運(yùn)動(dòng)，它們通過個(gè)體自組織的行為實(shí)現(xiàn)群體的協(xié)作優(yōu)勢(shì)，如躲避天敵、尋找食物等。群體運(yùn)動(dòng)的一個(gè)突出特點(diǎn)，就是通過個(gè)體簡(jiǎn)單的局部規(guī)則，實(shí)現(xiàn)全局整體協(xié)同運(yùn)動(dòng)，它具有分布式、自組織和協(xié)調(diào)性。這種群體大于個(gè)體之和的特性，吸引了許多研究人員關(guān)注多智能體的群體協(xié)同控制問題。

群體協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制首先要假設(shè)個(gè)體的運(yùn)動(dòng)模型，然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)模型設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略，在控制策略中，每個(gè)智能體的行為都是依據(jù)它相鄰的其它智能體而做出反應(yīng)，智能體個(gè)體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不是預(yù)先設(shè)定好的，但是群體將會(huì)涌現(xiàn)出協(xié)同運(yùn)動(dòng)的智能行為。這種協(xié)同的智能行為也會(huì)所在環(huán)境等條件的約束而受到干擾，例如在有障礙物環(huán)境中實(shí)現(xiàn)群體協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制，原有的控制策略有可能性能不再穩(wěn)定，必須根據(jù)障礙物的狀況重新設(shè)計(jì)。假如個(gè)體能夠充分運(yùn)用群體的協(xié)作性，那么當(dāng)只有部分智能體擁有障礙物環(huán)境探測(cè)能力時(shí)，功能簡(jiǎn)單的個(gè)體也能夠通過群體協(xié)同實(shí)現(xiàn)障礙物避碰。群體協(xié)調(diào)避障運(yùn)動(dòng)控制問題越來越受到關(guān)注。

研究難點(diǎn)群體運(yùn)動(dòng)智能具有魯棒性、自組織性、適應(yīng)性和分布式特性，由于分布的個(gè)體之間具有一定的相鄰關(guān)系，整個(gè)群體構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，因此往往需要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來分析群體運(yùn)動(dòng)智能算法。其主要的研究難點(diǎn)在于：

1.群體運(yùn)動(dòng)控制算法的研究大多未考慮環(huán)境障礙物的影響，在有障礙物環(huán)境中的群體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)避障控制是非常值得探討的，尤其是凹形障礙物的躲避。

2.群體運(yùn)動(dòng)智能算法總是盡可能地減小單個(gè)智能體的“能力”，個(gè)體僅具有簡(jiǎn)單行為的情況下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的群體效應(yīng)。對(duì)于避障問題來說，不一定所有智能體需要獲取障礙物信息。假如只有部分智能體能夠獲取障礙物信息，是否能夠?qū)崿F(xiàn)群體協(xié)同的智能避障控制。

3.環(huán)境中的障礙物可能是靜止的，也可能是運(yùn)動(dòng)的。當(dāng)環(huán)境障礙物變速或者變加速度時(shí)，多智能體是否還能實(shí)現(xiàn)協(xié)同避障控制。

4.當(dāng)群體運(yùn)動(dòng)遇到障礙物，或者經(jīng)過障礙物時(shí)，往往為了躲避障礙物而不得不暫時(shí)分散?，F(xiàn)有的控制思想是盡可能引導(dǎo)分散的智能體重新聚集，在全部智能體都能獲取導(dǎo)航信息時(shí)，系統(tǒng)的控制性能是能夠得到保障的。而在僅有部分智能體具有全局信息的情況下，一旦智能體分散就可能會(huì)導(dǎo)致隊(duì)伍丟失。如何才能保證智能體遇到障礙物時(shí)不分散地避開障礙物1。

控制策略1.群體一致性協(xié)同避開光滑凸障礙物

群體中僅有少部分智能體具有障礙物全局信息感知能力，另一部分智能體僅具有障礙物局部信息感知能力。通過為具有全局感知能力的智能體增加虛擬導(dǎo)航反饋項(xiàng)，使受障礙物擾動(dòng)而分散的智能體能夠在導(dǎo)航反饋的作用下逐漸聚集，與具有全局感知能力的智能體保持連通的其它智能體，也能夠聚集到目標(biāo)位置。

2. 群體蜂擁協(xié)同避開非凸障礙物

部分感知能力是指群體中僅有一部分智能體具有障礙物全局信息感知能力。該控制策略主要根據(jù)晶體的結(jié)構(gòu)模型生成大量虛擬的具有排斥作用的智能體，來引導(dǎo)實(shí)際智能體避開障礙物。對(duì)于非凸的障礙物，具有障礙物全局信息感知能力的智能體能夠根據(jù)幾何關(guān)系判斷并填充非凸區(qū)域，從而保證不陷入勢(shì)能函數(shù)的局部最優(yōu)。而與它們保持連通的無障礙物全局信息感知能力的智能體，也能夠離開障礙物非凸區(qū)域并聚集到目標(biāo)位置。

3. 群體一致協(xié)同繞行通過單個(gè)障礙物

群體中僅有少部分智能體具有障礙物感知能力，另一部分智能體則完全不需要障礙物探測(cè)裝置。該控制策略主要采用反對(duì)稱矩陣構(gòu)造導(dǎo)航反饋方向，使得具有障礙物感知能力的智能體個(gè)體具有圍繞障礙物旋轉(zhuǎn)的功能。

4．群體協(xié)同繞行通過不規(guī)則形狀障礙物

相鄰多智能體之間采用回差切換法則和勢(shì)能函數(shù)上限的設(shè)置而保持拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連通性，智能體與障礙物之間的拓?fù)潢P(guān)系也通過勢(shì)能函數(shù)設(shè)計(jì)保持連通。在該控制策略中，僅使一個(gè)智能體具有障礙物感知能力，將該智能體與障礙物表面上與其距離最近的點(diǎn)作為繞行運(yùn)動(dòng)參考點(diǎn)。

應(yīng)用1.無人機(jī)蜂群自主避障無人機(jī)蜂群自主避障功能實(shí)現(xiàn)蜂群整體對(duì)各類動(dòng)靜態(tài)障礙的規(guī)避，蜂群在該指令控制下實(shí)現(xiàn)蜂群整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的改變，如控制蜂群按指定航路點(diǎn)飛低目的地，并在飛行過程蜂群能夠規(guī)避障礙區(qū)域或敵方單位。無人機(jī)蜂群自主避障基于勢(shì)函數(shù)方法設(shè)計(jì)，蜂群不進(jìn)行顯式的航路規(guī)劃，而是將障礙區(qū)域/敵方單位設(shè)置為斥力源，當(dāng)蜂群靠近斥力源時(shí)將生成偏離指令，制導(dǎo)蜂群避障2。

2.船舶編隊(duì)自主避障多船舶協(xié)作機(jī)制的核心思想就是讓多個(gè)具有簡(jiǎn)單功能的船舶有機(jī)地組成一個(gè)整體，并通過一定的協(xié)作策略，使團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)成員各司其職,進(jìn)而能充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神來相互協(xié)調(diào)與合作，從而順利地、高效地完成給定的任務(wù)。多船舶協(xié)作可能會(huì)需要避障，有時(shí)側(cè)需要變換形狀來完成復(fù)雜的任務(wù),如通過狹窄的河流。針對(duì)多船舶之間的協(xié)作，不同的學(xué)者提出了不同控制方法，如基于領(lǐng)航者法的分層式編隊(duì)自主避障控制技術(shù)等3。