生产管理知识生产能力于平衡极其软件实现.docx

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生产管理知识生产能力于平衡极其软件实现

指令集成系统和协作机器人系统控制

克拉克﹒克瑞斯妥斐尔，弗雷﹒易瑞克沃，琼斯﹒亨瑞利和罗克﹒史蒂芬姆斯坦福大学中的飞行驾驶员和宇航员的航天和航海航空与航天空间的机器人研究所部门网址：

{chrisc,ewf,hlj,rock}@sun-valley.stanford.edu}

摘要在使用移动式机器人时可以提高其自治的三个问题在这篇文章中用实验性调查显示出来。

即

（1）单一的使用者与复合式机器人之间的集合工序和目标追踪的机器人轨道线路。

在这次研究中，微型自主飞行器（MARS）发展成能为实验室性机器人的技术提供一种方案。

实验的结果是：

单一的使用者是可以命令包括任意碰撞运动和目标追踪在内的机器人的。

关键词移动式机器人飞行器MARS测试平台目标追踪监测轨迹

1.简介

目前，远程机器人系统需要人们去操作单一的机器人。

这些都是为了今后可以一人来控制多个机器人。

例如，为使将来有益于少数人控制多数机器人的空间结构的建立。

现在对一个远程机器人的控制技术已经达到了一个非常的高水平，但我们任然需要在对多组机器人的远程技术上狠下工夫。

特别地，我们必须在提高机器人自制性方向上努力。

那么这就需要提高以下几方面的功能：

（1）为能够让人们从足够的信息作业决策和命令机器人去执行提供界面；

（2）为能够让所有机器人的自由碰撞路线提供自主的、实时的构造；

（3）为能够提供能追踪运动物体的机器人轨道路线。

在先前的来工作中，我们提出了以下的方案：

琼斯提出一人控制多机的界面；

克拉克设计了一个复合式机器人运动；

弗雷能对物体运动估计最优方案设计了轨道线路。

图1：

MARS测试平台的飞行器

在这幅图当中，展示出了对这些技术的综合性的阐明。

第二部分对三个研究工程作出了扼要的描述。

第三部分描述的是关于MARS平台及相关设备。

第四部分详细地总结了作为一个集体系统目前的研究方向。

第五部分是推论。

2.技术性问题

2．1人类界面

为了操作一个复合性机器人的系统，这个人就必须要获得所有关于远程环境所涉及的信息，以便执行正确的指令，并且相应地获得对一个或几个机器人的执行指令性方案。

琼斯提出了逐渐形成一种基于操作复合型机器人的人类和机器人对话的基面论述。

特别是琼斯提出了以下相应的论点：

——建立结构及其对话领域；

——创建输送有效对话的一种机器人能力基础设施；

——创建为处理对话的社会惯例决策的相应程序；

——开发一种允许操作者去执行关于机器人系统的对话界面。

他的结论是一种在人群中普遍存在的工作定位对话的交流对话模型的实现。

这种假设就类似对话在人类和机器人组合中扮演了一个重要的角色。

为了提供给机器人环境的三维空间视觉，界面实现了使用GL。

比如如图2所示的屏幕镜头。

比起用声音还不如使用通过电子手段来进行界面的对话。

当运用鼠标来在屏幕上选中它们时候，对话开始。

运用界面来分析物体的特征，从而使机器人来判断物体。

界面一直等到机器人完成对物体进行分析的有任务的各个环节，再返回后作出反映。

任务完成的结果以对话形式搁置于紧挨物体的位置处。

使用的人可以从任务清单中进行选择，并且完成被派去的执行命令的的机器人、任务、或物体的命令。

图2：

人机界面的屏幕镜头

在图2中的屏幕镜头是使用界面的一个例子，两个机器人（用自己圆柱体表示）和3个在工作面上的测试性物体。

在屏幕左边，操作者命令机器人对物体进行处理。

相应的主菜单上出现了执行的结果菜单。

琼斯表示创造一个基础性对话能够控制大量的机器人，这是很有可能的。

这种在三维世界中完成的相互性作用，为决定一个机器人在恰当的境地中的能力提供了一个可靠的方法，与此同时，它也使操作者能够去参加资源的处理和对机器人的相应设计工作。

2.2运动平面

在特定的区域当中，当成组的机器人和变化移动的障碍物一起工作时，为了在竖直面上避免碰撞，但是在每个机器人之间进行不间断交流是不可能的，没有任何传感器系统可以提供全方位的信息。

并且在移动性障碍物的活跃性环境，所以这个系统必须反应迅速。

对于这种复合式机器人系统类型当中，对一个运动制作不需要综合的知识或者高效的带宽通信，以上这些仍旧要求实时部署。

由克拉克开发出的一个运动系统达到了上面所述这种需求，哈苏和肯多开发出了基于设计者的规则系统。

他们的工作阐明了一种方案：

即一个动态显象管随机化运动设计者对周围存在动态障碍物和静态障碍物的单一机器人的操作。

对于处置更多的机器人而言，那对动态显象管随机化运动设计就被延伸了。

在这种情况下，当机器人检测到彼此使用的传感器，以便进行彼此的交流沟通。

机器人使用一个优化的系统，来对他们运动设计的协调化来避免相互的碰撞。

每个机器人必须要创建一个关于对少数障碍物的知识性设计。

在机器人的区域中对那些物体的设计，其中的运动设计问题是十分地简单的导致降低了设计的时间。

当有新的事物进入机器的视线领域的时候，我们就必须要求进行一个重复性的设计以此来确保机器人轨迹不会发生自由的碰撞。

一个涉及10个飞行器的模拟例子，如图3所示的5种静态障碍物。

如图上所示的较小的圆代表微型飞行器。

而十字叉代表目的地，较大的圆代表障碍物，用通向目的地的线条来表示机器人的轨迹。

在一个特定的工作空间中对大量的机器人而言，运动设计是十分有效的。

而且它获得巨大的成功，甚至在涉及5到15个机器人的杂乱的环境中。

其中还包括动态、静态障碍物，对环境变化作出迅速反应和实时重复设计的允许机器人有0.1S间隔的设计时间。

虽然运动设计采用的是2维平面工作空间，但必须延伸到3维工作空间中。

图3：

运动设计对10个机器人和5个障碍物的模拟举例

图（a）论述了飞行器，他们的目标和模拟前的障碍物。

在（b）中，模拟实验刚开始的时候，所有的飞行器都进行了相应的设计，图（c）和（d）是实时计划在飞行中的典型例子（可以看出这充分地显示了通过障碍物的最初的轨迹线，但是因为机器人必须要跟得很近以便于去检测它们，而这些障碍物它们重新进行设计来逃逸飞行器。

最后在（e）当中，飞行器构造出了它们的最后轨迹，并且前方已经是它们的目的地了。

图（f）显示几乎所有的飞行器都已经都达它们的目的地。

2.3物体状态的轨迹设计

物体的运动评估是自治性机器人的核心化能力。

通过收集用摄相机监测获得的单个特殊的追踪数据来解决这一类问题。

这一系统利用了安置在人来引导机器人的传感器（应用在航海技术的运动传感器和提供情景式状态的摄相机）上，所以不需要添加附加的负载。

此外，摄相机的合并扫描激光装置或贮存环境模式的系统，即用单个摄相机来解决使用大量摄相机给系统带来的附加很长和错误容许间隙是非常有必要的。

物体的运动估计使用应变式传感器，例如研究深入的单眼式。

问题的关键特征是物体的位移和速度不可能随时都可观测到，而统计量在摄相机的轨迹中起到重要作用。

我们为了充分利用这种附属性的状况，弗雷逐渐形成了一种新的轨迹设计方案，这种方案可以最大限度地将背景信息提供给估量过滤器。

根据这种新方案提出的三种主要问题是：

视线的局限性，最佳轨迹的速度发展，以及对于不确定物体状况的最优解决方法的独立性——参数的估计。

新的轨道设计方法使用了金字塔式。

在特定时间内获得最低限度的时间的限制，这样的目的是在最少时间获得不确定性估计，或产生了对不确定性的波动。

由于一系列的连续性运行，恒定速度的操控，机器人的轨迹被参数化。

为了平衡几种设计参数的差异，包括操作者的数目，发展空间的尺寸辨别和重复的数据，这种新的方法设计出的轨道在大幅度降低设计成本和时间上获得了近乎完美的程度。

另外，这种设计方案不断更新轨迹原来的数据从而作为新的数据，这一点是很容易在对物体的估计方面上达成一致性的。

以上是一个模拟性例子，它使用新的设计方法去估测一个以0.0——0.015m/s的匀速运动物体，这种方法被称之为使用定时最低限度的不确定型费用。

机器人有5——6s的操作时间，运行空间有5个间隔，金字塔式重复四次。

如图4（a）中显示的结果为观察者的路径，它是真实目标路径和程序运行的目标估计。

图4（b）显示了时间影响位移出现的错误，正如预料的那样，当错误出现在X轴坐标时，在Y坐标轴中这种错误持续性很小，这对物体排列的一致性需要花费更多的时间。

图（a）演示了最终的机器人轨道，图（b）显示由于时间的影响产生目标位移的错误。

3.微型自主性测试平台

微型自主性测试平台提供了一个二维空间来研究自主性飞行器。

这个平台由一个12*9的花岗石桌面构成，有6个自主型机器人在表面运行。

每个机器人都拥有置于空间外的自己的设计者。

控制信号进程也是在外空间进行处理，由一个机器人通过无限RC信号将控制信号传递出去。

一个可视性体系为三个摄相机提供给位置传感器去测试安装在机器人顶部表面的显示器装置。

所有的在从MARS平台的交流信息都是通过实时实新的网络软件服务器进行的数据传输完成的。

它的作用在公开发表或订阅的结构中。

所以每个网点都能够接收到不同类型的数据。

数据传输如图5所示。

图5：

在微型自主性测试平台上的数字显示

图5：

左边表示的是硬件，右边表示的是图片使用者界面。

在图片使用者界面中，用白色的圆柱体来表示机器人，在屏幕右上角位置的地方用黄色的线条来代表轨迹线路，通过运动设计者构成的机器人轨迹线路用红色的曲线来表示，用两条紫色的线条来表示跟踪机器人的监视范围。

为了扩大视眼范围，将无线摄相机安装在微型自治式飞行器顶部测试平台来监测地面。

这些单元具有商业性，并由2.4GHZ的无线立体发射机组合起来。

用发光二极管（LED）通过跟踪轨迹来组装物体。

4.集成系统

为了将三种设计综合于一个体系当中，用如下更改系统来解决几种对应的技术性问题：

用图片使用者界面来添加新的对话能力，使用者享用新的职能。

图片使用者界面为提供给使用者增加的功能相应必要信息添加新的显示符号体系。

为了采取动态方案，安装在摄象头上的追踪性机器人拥有很高的优越性。

从而使所有的机器人都能够构建围绕它的轨迹，从而建立所有要素间最广泛的协议通过机器人的时间同步性建立中央计时器

下面的实验显示了三个研究效果的整体性，图片使用者界面进行的操控来逃避碰撞锁定定位目标的复合型机器人。

图5操控复合型机器人

实验初期，在图片底部的机器人首先要被命令去跟随在左边有摄象机的机器人。

（如图5a）。

它必须与摄象机机器人保持30厘米的距离。

紧接着，摄象机机器人用于监测目标，在这种情况下机器人在顶部（如图5b）必须要求它减少位移估计的不确定值。

执行任务的最后一个机器人要横穿这个工作面。

（如图5c）。

红色曲线代表设计者的轨道。

让它与摄象机型机器人形成对立面。

在图5d中，这个最后的机器人能感应到图5c的状况，这就使得它必须重新调整自己的路径。

而产生的这一实时路径，在机器人的运动中并没有明显间断。

最终地，图片使用者界面运用于命令三个机器人去完成有用的工作过程当中。

它们在工作环境中正确地锁定目标，这个工作被第一个机器人成功地监控，与此同时，而第三个机器人能够达到它的位置目标，而它同时又操纵着在环境中的周围的另外物体。

5.结论

对于复合型机器人系统的可行性而言要三项基本工作是十分重要的。

特别地，这个类型的工作可以由一个使用者和多个机器人的界面去完成，其中还包括目标追踪的轨迹线路。

以上这些也证明了可以将它们合并在一种实验性质的说明中，这种实验性质的说明说明它们作为更大更复杂的体系中的成分。

工作合并实验性例证突显这三种基本工作的有效性。

为此，我们可以得到以下结论：

即这三项基本工作为协作性复合机器人系统显示了单一的使用者可以控制一组机器人去执行独立的工作，而这其中又包括了自由碰撞运动和目标追踪。

AnIntegratedSystemforCommandand

ControlofCooperativeRoboticSystems

ChristopherM.Clark,EricW.Frew,HenryL.Jones,&StephenM.RockAerospaceRoboticsLabDepartmentofAeronautics&AstronauticsStanfordUniversity{chrisc,ewf,hlj,rock}@sun-valley.stanford.edu

Abstract:

Presentedisanexperimentalinvestigationintothreeissuesthatenableincreasedautonomousfunctionalitywhenusingmobilerobots.Theseissuesare

（1）interfacingasingleuserwithmultiplerobots,

（2）motionplanningformultiplerobots,and（3）robottrajectorygenerationfortargettracking.Forthisresearch,theMicroAutonomousRoverS（MARS）testplatformwasdevelopedthatprovidesameansforimplementingthistechnologyonlaboratoryrobotstocarryouttasksincludingcollision-freewhichasingleuserisabletocommandagroupofrobots.Experimentalresultsarepresentedinmotionandtargettracking.

Keyword:

multi-robotsroverMARStestplatformtargettrackingtrajectorymonitor

1.Introduction

Currently,remoteroboticsystemsrequiremanyhumanstooperateasinglerobot.Thegoalforfuturesystemsistorequireonlyoneoperatorformanyrobots.Forexample,futurespacestructureconstructionwouldbenefitfromtheavailabilityofalargegroupofrobotsthatcanbeoperatedbyaFigure1:

RoversfromtheMARStestplatform.Smallgroupsofhumans.Whiletherehasbeenasignificantamountofresearchtowardstheoperationofsingleremoterobots,moreworkisstillrequiredtowardstheoperationofgroupsofrobots.Inparticular,anincreaseddegreeofautonomymustbegiventotherobots.Torealizethisautonomy,avarietyoffundamentalcapabilitiesmustbeenabledthatinclude:

（1）Providinganinterfacefromwhichadequateinformationfordecision-makingisavailabletothehuman,andcommandstooneorseveraloftherobotscanbeexecuted.

（2）Providingautonomous,real-timeconstructionofcollision-freetrajectoriesforallrobotsinthegroup.

（3）Providingrobottrajectorygenerationthatenablestrackingofmovingobjects.

Inpreviouswork,weaddressedeachoftheseissues:

Jones[6]developedaninterfacethatallowsasinglehumantooperatemanyrobots;Clark[2]designedamulti-robotmotionplanner;andFrew[4]designedatrajectorygeneratorthatprovidesnear-optimalsolutionsforobjectmotionestimation.

Figure1:

RoversfromtheMARStestplantform

Inthispaper,wepresentanintegratedsystemdemonstrationofthesetechnologies.

Thepaperisorganizedasfollows.Section2providesabriefdescriptionofeachofthethreeresearchprojects.InSection3,theMicroAutonomousRoverS（MARS）testplatformanditsapplicationtothisresearchisdescribed.Section4detailsafinaldemonstrationthatsummarizesthepreviousresearchasanintegratedsystem.ConclusionsarepresentedinSection5.

2.TechnologicalIssues

2.1.HumanInterface

Forasinglehumantooperateamulti-robotsystem,thehumanmusthaveaccesstoallrelevantinformationabouttheremoteenvironmentsothatappropriatecommandscanbeexecuted.Also,thehumanmustbeprovidedwithameansofexecutingthesecommandstooneorseveraloftherobots.In[6],Jonesdevelopedaninterfacebasedondialoguesbetweenthehumanandtherobotsasaneffectivemethodforoperatingmultiplerobots.Inparticular,Jonesaddressedthefollowingissues:

-Establishingthestructureandscopeofthedialogue

-Creatingarobotinfrastructurecapableofconductinganeffectivedialogue

-Determiningmethodsfordealingwiththesocialconventionsofdialogues

-Developinganinterfacethatallowstheoperatortocarryoutthedialoguewiththeroboticsystem.

Hisresultisanimplementationofadialogueinteractionpatternedafterthetask-orientedDialoguescommoninhumanteams.Thehypothesisisthatsimilardialoguescanplayausefulrolewithinhuman-robotteams.

TheinterfacewasimplementedusingOpenGLtoprovideathree-dimensionalviewoftherobotenvironment.Anexamplescreen-shotisshowninFigure2.Dialoguethroughtheinterfacetakesplaceelectronicallyratherthanthroughvoice.Thedialoguebeginswhenobjectsareselectedbyclickingonthemonthescreen.Theinterfacethenresolvestheidentityoftheobjectandtherobotthatsensedtheobject.Theinterfacewaitsuntilaresponsefromthecorrectrobothasbeenreturnedintheformofalistoftasksthattherobotcanaccomplishonthatobject.Thislististhendisplayedinadialogthatpopsupnexttotheobject.Theusercanselectfromthislistoftasks,andthecompletecommandofrobot/task/objectissenttotherobotforexecution.

Thescreen-shotinFigure2providesanexampleoftheinterfaceinuse.Tworobots（denotedbywhitecylinders）and3objectsarelocatedonthetestbedworkspace.Theoperatorhasqueriedtherobotagentstodeterminewhattaskscanbeperformedontheobjectattheleftsideofthescreen.Apop-upmenuhasappearedwithalistofthequeryresults.

Figure2:

Screenshotofthehuman-robotinterface.