多机器人系统发展应用研究.docx
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多机器人系统发展应用研究
密级公开学号201120513115
衡水学院
毕业论文
多机器人系统发展应用研究
论文作者
：
马也
指导教师
：
李艳乐
系别
：
：
物理与电子信息系
专业
电子信息工程
年级
：
2011级
提交日期
：
2013年5月19日
答辩日期
：
2013年6月03日
毕业论文（设计）学术承诺
本人郑重承诺：
所呈交的毕业论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
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日期：
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即：
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作者签名：
指导教师签名：
日期：
日期：
论文题目：
多机器人系统发展应用研究
摘要：
对未来多机器人系统的发展进行准确的分析和预测，并对此进行更深一步的研究。
从多机器人的研究现状出发，对多机器人系统的发展进行综述。
分析研究多机器人系统的众多优势及应用领域，涉及工业，医学，军事，航天，农业，远地作业，震后搜救等。
并对此进行展望，预示多机器人系统的八个发展方向。
根据目前的技术及其发展趋势，阐明发展道路上所涉及的问题与难关，并根据近年来学者的研究状况，分析研究未来多机器人系统的两个主流发展方向和其他六个弱势发展方向。
关键词：
多机器人系统；应用领域；发展趋势
TITLE：
DEVELOPMENTANDAPPLICATIONOFMULTI-ROBOTSYSTRMS
Abstract:
Onthefuturedevelopmentofmulti-robotsystemsforaccurateanalysisandprediction,andthisindeeperresearch.Fromthepresentsituationofmulti-robotresearchonthedevelopmentofmulti-robotsystemsarereviewed.Analysisofthemanyadvantagesofmulti-robotsystemsandapplicationsinvolvingindustrial,medical,military,aerospace,agriculture,remoteoperations,searchandrescueaftertheearthquake.Andthisinprospect,indicatingtheeightmulti-robotsystemsdevelopment.Accordingtothecurrenttechnologyanditsdevelopmenttrends,toclarifythepathofdevelopmentproblemsanddifficultiesinvolved,andaccordingtorecentacademicresearchstatus,analysisoffuturemulti-robotsystemstwomainstreamdevelopmentdirectionsandsixothervulnerabledevelopment.
Keywords:
Multi-robotsystems;Applications;Trends
1绪论
1.1选题的目的及意义
人类是最聪明的生物，具有很高的智能性，而且可以延续和发展。
但人类由于客观身体的限制，并不适用于所有的工作和环境。
在很多有毒、有害、危险的作业环境中，如军事应用的战场侦察、探雷排雷，还有危险品检测、核环境作业、登陆月球和深潜海底等，都不适宜人类长期作业。
因此我们希望能有其他的智能替代者将人类从恶劣的工作环境中解放出来。
于是机器人就应运而生了。
机器人的发展经历了三个阶段：
从可编程、示教再现型机器人到具有视觉、听觉、触觉，具有一定适应能力的机器人，再到配备多种先进传感器，具有自适应、自学习功能的智能机器人。
随着机器人相关技术的发展，机器人可实现的功能越来越多，具有的能力也越来越大。
但同时机器人的结构复杂性也迅速增加，并且导致生产成本的剧增，这是非常不利的。
另外，单个机器人在信息获取、处理和控制等方面的能力都是有限的，对于重量大、复杂性大的任务和多变的工作环境，仅仅依靠单个机器人一般无法实现。
于是，人们开始考虑用多机器人系统来代替单个机器人。
多机器人系统的研究始于20世纪70年代。
随着机器人应用领域的不断拓展，机器人工作环境复杂度、任务的加重对机器人的要求不再局限于单个机器人，多机器人的研究己经成为机器人学研究的一个热点。
多机器人系统不是多个单机器人的简单堆砌，这样不仅不能发挥多机器人系统的优势，而且机器人之间的冲突和对抗会大大降低多机器人系统的作业效率，使单个机器人的性能也受到影响。
多机器人系统是多个机器人的有机组合，它有效的避免了单机器人的不足，充分发挥了群体机器人的优势，顺承了时代的发展，广泛应用于各个领域[1]。
随着时代的快速发展，尤其是到了今天的数字时代，人们对于用现代科技解决复杂任务的需求日益高涨。
随着机器人技术的发展，机器人的能力不断提高，机器人应用的领域和范围也在不断扩展，对于一些复杂的任务，单个机器人早已不再是最好的解决方案，多个机器人组成的多机器人系统慢慢登上了历史舞台，成为主角，逐渐成为人们解决复杂任务及需求的最佳选择。
1.2国内外研究现状
正是因为多机器人系统有许多优点和应用领域，它才日益引起国内外学术界的兴趣与关注。
自从20世纪70年代，多智能体的研究在分布式人工智能领域得到重视，一些机器人学的研究者开始将分布式人工智能（DAI）理论应用到多机器人系统的研究中。
国外在这方面的研究起步较早且发展很快。
早在80年代初，欧美、日本一些研究人员就开始研究移动多机器人系统，起初的项目有ACTRESSDEBOTGOFERSwARM等。
经过二十几年的发展，多机器人系统的研究已在理论和实践方面取得很大进展，并建立了一些多机器人的仿真系统和实验系统。
早期的研究主要以仿真为主，但近来的研究更强调实际的物理实现。
如欧盟设立专门进行多机器人系统研究的MARTHA课题——“用于搬运的多自主机器人系统[2]（MuitipieAutonomousRobotsforTransportandHandiingAppiication）”。
美国海军研究部和能源部也对多机器人系统的研究进行了资助。
国内在该领域的研究工作起步较晚，在该领域的研究工作很少，但目前研究也在逐渐增多，不过大部分的研究工作仍然停留在仿真和实验室阶段。
但从总体上讲，目前多机器人系统的研究还处于发展的初期阶段，离实用化还有很远的距离。
1.3多机器人系统的优势
多机器人系统不是物理意义上的单个机器人的简单代数相加，其作用效果也不是单个机器人作用的线性求和，它应该还包括一个“线性和”之外的基于个体之间相互作用的增量。
这种个体之间的相互作用包含两个因素：
“协调”与“合作”。
正是基于这样的协调与合作，使得多机器人系统与单个机器人相比具有许多优势：
（1）广泛的任务领域。
单个机器人不能完成的某些任务，必须依靠多个机器人才能完成。
多机器人通过合作，呈现高级智能行为，完成一些单个复杂机器人无法完成的任务。
这些任务我们一般称它们为内在合作任务，需要几个机器人同时配合操作才能完成。
（2）更高的效率。
对于可以分解的任务来说，多个机器入可以分别并行地完成不同的子任务，这比单个机器入完成所有的子任务要快得多，可以极大的提高工作效率。
（3）更低的经济成本。
设计若干简单的机器人比为具体任务设计功能强大的单个机器人更容易、更经济。
（4）更高的容错性、更强的鲁棒性。
多机器人系统中的成员相互协作可以增加冗余度，消除失效点，增加解决方案的鲁棒性。
（5）更高的系统可靠性。
采用多机器人系统可以将其中的各个成员设计成完成某项任务的“专家”，而不是设计成为完成所有任务的“通才”，这大大降低了单个机器人设计的复杂度，提高了单个机器人的可靠性，同时也使得机器人的设计有更大的灵活性，完善性。
机器人数量上的冗余，也能提高整个系统的可靠性，不会因为个别机器人的故障导致整个系统的瘫痪。
（6）内在的并行性。
多机器人系统的各个成员之间可以交换信息，共享所得信息，可以更有效和更精确地解决各种复杂问题。
正是由于多机器人系统具有诸多优点，使得其在工业，医学，军事，航天，农业，远地作业，震后搜救等领域具有良好的应用前景并已经得到了一定的实际应用。
例如在行星探测、煤矿、火山口等高危环境下作业以及在水下培育作物等需要远程操作的场合；在需要短时间内完成灾难搜索、营救以及危险物品清除的场合等，多机器人系统都具有广泛的应用潜力。
可以预见，多机器人系统的应用将会对社会带来巨大的变革，能极大地提高人们的生活质量，以及工农业与国防建设的现代化程度。
1.4多机器人系统的应用领域
多机器人系统的应用领域是很广阔的，具有潜在的巨大的技术市场，如：
（1）工业领域：
工厂实现自动化是今后的发展趋势。
为了增加产量、减少劳动成本，提高效率、安全性及总体质量，越来越多的产业在寻求生产自动化设备。
这就大量需求具有高效、高鲁棒性的异构多机器人系统。
（2）医学领域：
大量的微机器人进入肠道、胃或血管等人体内狭窄部位进行校查、发现和修补病变。
（3）军事领域：
现代战争中使用机器人代替士兵执行危险的任务能最大限度地减少地面部队和非参战人员的伤亡。
使用机器人群体进行侦察、巡逻、排雷放哨、搜索、追踪及架设通信设施等协助军事行动。
（4）航天领域：
利用机器人群体进行卫星和空间站的内外维护以及星球探索等。
（5）远地作业：
某些应用要求群体自主机器人系统能够自动完成复杂的工作，而人类可以不时地从远处进行干预，以改变操作过程，弥补机器人的能力不足，与机器人协作共同完成复杂的任务。
这类应用领域如行星科学探险，在煤矿、火山口等高危环境下作业以及在水下培育作物等。
（6）协助震后搜索与营救：
城市搜寻和营救人员只有48小时在倒塌的建筑物中寻找被困的幸存者。
否则，他们存活的可能性几乎为零。
近来发生在一些地区的地震，造成的城市环境的破坏程度超过了现有的营救资源（搜寻和营救专家、狗和探测器等）的能力。
由于难以知道大型建筑物破坏的程度，影响了营救人员对该建筑物进行安全、有效的搜索。
有时由于人和狗的体积太大，不能到达要搜索的空间。
如果能使机器人协助进行这方面的工作，那么必将会对灾后营救产生很大的影响。
（7）农业机器人：
在艰苦条件下的重体力劳动、单调重复的工作，如喷洒农药、收割及分选作物等有望由多农业机器人系统完成，以解放出大量的人力资源。
2多机器人系统的发展方向
由于多机器人学是一个高度交叉的学科，其它相关学科的发展对它的影响很大，研究多机器人系统需要借鉴这些学科或解决某些问题的理论和方法，这是研究多机器人系统的发展方向和趋势。
具体来说，多机器人系统不但有着多学科的理论基础、多方面的研究内容，还有广泛的发展趋势。
研究多机器人系统的应用与发展，顺应了时代发展的需求，将现代科技解决复杂任务的能力推向了更高的层次。
通过对大量资料的阅读分析和总结前人的研究成果，归纳出未来多机器人系统的发展有大致八个方向，分别是定位、地图构建和探索，体系结构、任务分配和控制，运
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