【学术论文】异构多机器人协作系统研究进展

第4卷第5期 智能系统学报 Vol.4 No.5 2009年10月 CAAI Transactions on Intelligent Systems 0ct.2009 doi:10.3969/i.isgn.1673-4785.2009.05.001 异构多机器人协作系统研究进展 石志国，王志良，刘冀伟 (北京科技大学信息工程学院，北京100083) 摘要：异构多机器人系统可以发挥单一结构机器人在某个领域的优点而达到整体的最优配置，机器人的功能和接 口协议对协作系统影响很大.IGS协议是我国在信息设备协作领域中惟一的国际标准，为异构多机器人协作提供了 有效的支持.对国内外相关研究进行系统地归纳和总结，找出需要解决的问题，并在课题组研制的多种机器人平台 上，从3个方面阐述了基于IGS协议的异构多机器人协作系统：异构机器人的定位、通信以及感知方案；异构机器 人协商策略和分组方案；机器人的功能分类和规划，提出了细粒度可控的任务委托分配方案. 关键词：多机器人；异构；IGRS协议；协作 中图分类号：TP12文献标识码：A文章编号：16734785(2009)050377-15 Developments in heterogeneous multi-robot cooperation systems SHI Zhi-guo,WANG Zhi-liang,LIU Ji-wei (School of Information Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China) Abstract:Heterogeneous multi-robot cooperation systems can create globally optimal configurations by taking full advantage of single-structure robots in some areas.The capabilities and protocols available for robot interaction have significant effects on their ability to act cooperatively.The integrated GPS radio system (IGRS)protocol is an inter- national standard used for positional data in China.It provides effective communication for heterogeneous multi-ro- bot cooperation systems.The current research and development situation was systematically reviewed and summa- rized,allowing problems remaining to be solved to be outlined.On the basis of several robot platforms made by our research group,the advantages of heterogeneous multi-robot cooperation systems based on the IGRS protocol were elaborated.This shows up in three areas:locating robots through an IGRS communication and spatial perception scheme;dynamic grouping and negotiation strategies;functional classification and planning.A scheme for grain control of the tasks of a principal-agent was then developed. Keywords:multi-robot;heterogeneous;IGRS protocol;cooperation 多机器人研究始于20世纪80年代末，之前的 协作是多机器人系统的一个重要特征，也是评 研究主要集中在单机器人系统或者分布式多任务系 价多机器人系统的一个关键指标4.多机器人系统 统，内容主要包括3个方面：1)可装配机器人系 通过协作，可以完成单个机器人无法实现的功能；并 统；2)多机器人运动规划；3)多机器人协作框架.近 且不再是物理意义上的单机器人作用的线性求和， 年来，多机器人系统研究取得了很大进展，在很多领 还包括一个“线性和”之外的基于个体交互的增 域取得了不错的研究成果21.例如：多机器人的体 量5]，从而提高了系统的整体性能。 系结构、感知与多传感器的信息融合、通信与协商、 本文对国内外相关研究进行系统地归纳和总 学习、运动规划、任务分配、冲突消解、碰撞规划以及 结，找出需要解决的问题，并在课题组研制的多种机 系统实现3]等等。 器人平台上，从3个方面对基于IGRS协议的异构 多机器人协作系统进行阐述.第1节介绍IGRS协 收稿日期：2009-0403. 基金项目：国家自然科学基金资助项目(60903067)：国家“863”计划 议；第2节从总体上分析面临的困难与挑战；第3节 资助项目(2007AA01Z160,2007AA04Z218). 对国内外相关研究进行归类与比较：第4节从3方 通信作者：石志国.E-mail:5g@is.usth.edu.cm. 面提出一些研究方案；第5节归纳总结全文

·378 智能系统学报 第4卷 1 IGRS协议 落后于世界的发展水平，大多采用由国外制定的协 议和标准.如果实行规模化商业应用，要花费高额的 在多机器人研究领域，异构机器人协作技术特 专利使用费，从而影响了民族自主产业的发展.闪联 别受关注「6.从实际应用的角度来讲，构成一个机 (intelligent grouping and resource sharing,IGRS) 器人团队的单个机器人往往存在设计上、结构上、传 议[的诞生填补了我国在协同领域的标准空白， 感器配置上乃至智能上的差异，因此多机器人系统 2003年7月17日，由原信息产业部科技司批准， 不可能是同构系统，工业生产线上的机器人更是如 “信息设备资源共享协同服务(IGRS)”工作组正式 此·异构机器人可以发挥单一结构机器人在某个领 成立，并制定相应的标准规范.2005年6月，IGRS 域的优点而达到整体的最优配置].对于异构机器 标准正式获得批准成为国家推荐性行业标准，成为 人，目前的研究主要包括8]：个体机器人测度的差 我国第一个3C协同技术标准.2008年7月《信息设 异性、个体机器人对异构体的兼容程度、异构机器人 备资源共享协同服务测试验证》(IS0/IEC14543-5- 之间的通讯问题、异构机器人硬件系统的快速配置、 4)通过IS0/EC JTC1SC25的FDIS阶段投票，正式 个体机器人的定位等。 成为国际标准.2008年10月，IGRS基础协议 机电一体化领域和控制领域已经开发了一些通 (IS0/EC14543-5-1)和应用框架协议(IS0/EC 用的接口设备作为机器人的控制器和执行机构，但 14543-5-22)通过了IS0/EC草案阶段的投票 是仍然缺乏一种更柔性、更方便的开放接口设备.目 IGRS体系是未来信息产业发展的一项基础和关键 前绝大部分的机器人伺服系统还使用专用的伺服控 性标准，也是我国自主研发的并具有自主知识产权 制器和伺服接口板)，在设计制造这种封闭式结构 的技术标准体系，也是我国在协同技术领域惟一的 系统时，一般不会考虑系统的柔性和开放性，也不会 国际标准 考虑多机器人的集成协作问题，因此要进行多机器 IGRS协议的目的是实现各种信息设备在办公 人协作将会非常复杂.随着对高质量的集成机电系 室、家庭和公共区域环境中的自动组网、资源共享及 统的需求不断增加，目前已经出现许多柔性非常好、 协同服务中的应用.通过定义一系列的协议标准，支 性能也非常高的机电一体化设备，如数据采集和信 持多种异构智能信息设备、家用电器和通讯设备之 号处理板、伺服控制器、多轴控制器和位置控制器等 间的自动发现、动态组网、资源共享和协同服务；从 设备，这些设备以及它们所提供的设备驱动程序，使 而提高设备的互操作性和易用性，发挥不同设备的 得在使用这些设备时非常直接和简单.但是，不同的 功能特点并创造新的应用模式.IGRS协议为异构多 控制器由于缺少统一的接口协议，协作系统的可扩 机器人协作提供了有效的途径，同时还支持机器人、 展性受到了很大的限制9 电子设备和通信设备之间协作，如图1所示。 在协作系统接口协议以及标准方面，我国一直 机器人A 电子 电子 设备 机器人A 设备 机器人B 机器人B 富 品 3 IGRS协议 机器人C 通信 机器人C 通信 设备 设备 图1 基于IGRS协议的协作系统 Fig.1 Cooperation system based on IGRS protocol IGRS协议可以为异构多机器人系统提供一致 众多问题，尤其是异构机器人的协作问题.例如：如 的通信规范，提高了资源和计算能力在异构系统中 何对多机器人进行有效地组织、对不同功能的机器 的可扩展性.在IGRS协议基础上研究异构多机器 人进行区分、按照异构机器人的特长进行相应的资 人系统，有利于促进异构多机器人协作系统的发展 源和任务分配.系统需要解决如下问题：系统的可扩 展性]、通信协议异构性问题、功能异构性问题、异 2面临的问题与挑战 构多机器人协作问题、空间感知和任务分配问题] 经历了20多年的研究，多机器人协作依然面临 等等

第5期 石志国，等：异构多机器人协作系统研究进展 ·379· 2.1异构性问题 不够丰富，实现多机器人之间的数据校准比较困难， 传统的机器人通常根据封闭结构系统的原则来 随着网络技术的发展，无线传感器网络技术开 构建，根据需求或者机器人本身的基本功能配置来制 始在机器人系统中获得了较为广泛的应用.机器人 造机器人系统.通信协议异同和机器人功能异同使 可以比较容易地实现相互之间的数据校准，进而较 得异构机器人系统存在以下问题4：1)机器人系统 易实现多机器人的全局空间感知，并且无线传感器 柔性不足；2)机器人工作对象改变时需要太多的准备 网络节点组还可以用作机器人的空间定位.然 和系统时间的重新设置：3)机器人在复杂的制造系统 而，目前依然面临的挑战主要有：1)无线传感器数 中使用困难；4)非开放的系统与通信结构. 据通信带宽很窄；2)位精度与传感器节点个数选取 IGRS协议定义了设备协同服务的规范，适用于 问题，需要在精度、计算量与通信量之间寻找平衡； 在一定范围内通过有线或无线的方式进行协作，可 3)空间感知的协作模型等， 以解决传统异构机器人系统中的柔性不足和非开放 2.3任务规划问题 结构的问题.但是，协作系统依然面临新的挑战：1) 任务规划问题是异构多机器人协作系统研究的 如何设计IGRS协议的机器人接口模块；2)如何规 一个重要内容1)，根据机器人的不同功能，进行合 划异构多机器人的体系结构和协作模型；3)如何建 理的任务规划.它应考虑一些指标，例如：实时性、鲁 立验证与测试平台 棒性、可靠性、性能优化、通信需求、计算需求和规模 2.2 空间感知问题 能力等1.规划系统面临的挑战包括201：1)如何分 协作系统中的机器人应当能够根据空间的变 类定义异构机器人的功能；2)任务控制问题，例如： 化，应用某种策略做出相应的行为决策].若没有 在某机器人出现了故障、被障碍物阻挡或者电能不 空间感知能力，机器人的行为就会失去基础和依靠. 足的情况下，需要及时回收任务，如果超出了完成期 机器人的空间感知问题包括“感觉”和“知道与理 限，任务需要延迟或撤销；3)任务再分配问题，机器 解”2个方面.其中：与“感觉”对应的研究涉及灵 人接受的任务，如果不在能力范围之内，可以依据 敏、快速和可靠的传感器系统；与“知道与理解”对 定的规则进行再分配等等 应的研究是如何更有效融合、利用传感器信息以及 3 国内外研究现状与发展趋势 将传感器信息与控制系统相结合的问题.早期机器 人装备的传感器主要采用声呐仪、红外传感器、里程 文献[21]把多机器人系统前期的研究分成7 计和激光测距仪等，这些传感器获得的信息都比较 个方面，如图2所示。 单一，应用这些传感器信息建立的模型，其信息内容 多机器人系统研究内容 牛物学启示 通信 结构、任务 未知坏境 搬运和操作 分配与控制 物体 运彳协调 可装配 探索 图2多机器人系统研究内容 Fig.2 The research content of multi-robot system 同时指出了研究中存在的一些问题21：1)如何 位探索以及合作搬运等方面2].研究分为两大类： 识别和验证多机器人系统的优点和缺点：2)如何让 系统规划与调控制，层次如图3所示.然而还有很 人更容易地控制多机器人组；3)如何规划几十到上 多问题有待解决，主要包括2]：1)基于多机器人信 百个机器人；4)如何让多机器人在有严格实时性限 息融合的环境感知与任务规划；2)非完整运动约束 制的系统中工作；5)环境任务复杂性如何影响多机 对运动规划的影响；3)协调控制策略的选择；4)多 器人系统的设计. 机器人系统的远程操作控制；5)降低系统对通信速 近5年来，多机器人系统研究有了很大的进展， 度的依赖：6)基于实际系统的协调控制策略验证， 例如：任务规划、运行规划、规划策略、队形保持、定

380 智能系统学报 第4卷 多机器人系统研究层次 入 系统规划 协调控制 任务规划 运动规划 规划策略 队形保持 定位探索 合作搬运 图3研究的层次结构 Fig.3 The hierarchy of the research 3.1多机器人协作研究进展 机器人，在没有外部特定干预的情况下，通过个体的 通过多机器人协作可以提高系统的总体性能。 工作系统涌现出的合作行为或智能行为.在有意识 除了在性能方面的要求外，多机器人协作系统应当 协作的系统中，个体智能水平相对比较高，所掌握的 满足4个基本要求[m1:1)鲁棒性和容错性，出现局 环境、任务以及机器人的知识也比较全面，机器人的 部差错和失误时，系统性能不会剧烈降低，系统能够 行为更优，同时个体会有一个全局目标，并能根据目 辨别这些失误并做出补偿；2)可靠性，如果机器人 标规划自己的行为，因此，有意识协作也称为基于规 多次运行同一任务，能保证绝大多数情况下完成的 划的协作 效果接近；3)灵活性和适应性，根据外部环境的动 有意识协作研究方法包括2类5)：协商反应式 态变化，系统能够实时地调整自身的行为选择和协 方法和多智能体(muli-Agent system,MAS)方法.协 调模式；4)一致性，系统作为一个整体运作。 商反应式方法针对多机器人的协作问题，设计控制 根据协作机制不同，多机器人协作包括2 算法，并将算法在真实或模拟机器人系统上加以实 类5,21：无意识协作和有意识协作.无意识协作是 现.MAS方法源自分布式人工智能和多智能体系统 指一群同构机器人，通常是功能简单而数量众多的 理论.它们的优缺点比较如表1所示 表1无意识协作和有意识协作的优缺点比较 Table 1 The comparison of intentional and unintentional cooperation system 异构机制 方法 优点 缺点 配置简单，多机器人之间不需要只能做简单重复的工作，不能适 无意识协作 通信，机器人设计简单， 应复杂的工作环境， 有意识协作协商反应式方法 对通信量要求相对较高，只适用 控制器简单分明，设计简单。 简单任务 MAS方法 理论比较成熟，体系统结构、组受到传统多Agent理论约束，发 织方式和策略的理论基础好. 展受限。 协商反应式方法包括基于协商的方法和基于行。 联系，多机器人系统与MAS系统有非常类似的拓扑 为的方法.基于协商的方法借鉴传统人工智能的理 结构、组织方式和运行机制，两者只是在行为方式和 论模型]，将机器人控制器划分为感知、世界建模、 生存环境上不一样[8]，用多智能体系统理论进行多 规划和动作4个模块，例如最早的分布式多机器人 机器人协作研究，特点是把系统中的每个机器人看 系统ACTRESS2a],另外还有大量文献[247都进行 成独立的智能体，这样的多机器人系统就成为多智 了相关研究.基于行为的多机器人协作代表性架构 能体机器人系统，可以借鉴多智能体的体系结构、组 是ALLIANCE2],它通过协调不同激励行为的输 织方式和协商策略等方面的研究成果，并将它们应 出，实现对多机器人系统的容错控制以及顺序任务 用到多机器人系统中5]. 分配.基于行为的方法对环境变化有快速的反应能 3.2异构多机器人系统研究进展 力，但只适合比较简单的任务 针对异构多机器人的代表性研究是L.E.Par MAS方法理论比较成熟，体系结构、组织方式 ker的工作.1994年她在MT的博士论文[2]中对异 和策略的理论基础好；但受到传统多Agent理论约 构多机器人协作做了深入的研究，随后Parker一直 束，发展受限.MAS系统与多机器人系统之间虽然 在University of Tennessee从事异构多机器人系统的 在研究对象上存在一定的差别，但两者有着本质的 研究工作，并继续她博士期间对ALLIANCE异构多

第5期 石志国，等：异构多机器人协作系统研究进展 ·381· 机器人协作的研究 持异构机器人组在紧密的协作任务中共享传感器信 近几年来，Parker设计的异构多机器人协作系 息，它基于图式理论(schema theory),拥有不同能力 统包括SDR[]、ASyMTRet3o3I)和ASyMTRe-D[32]. 的机器人组可以产生不同的策略来完成同样的任 SDR(software for distributed robotics)DARPA/IP- 务[3].ASyMTRe--D2在ASyMTRe2机制上增加了分 T0的异构多机器人项目2，实现了100+的异构机 布式系统的支持.它们的优缺点如表2所示 器人组执行室内可控制的任务.ASyMTRe(系统支 表2几种异构机制的优缺点比较 Table 2 The comparison of heterogeneous mechanisms 异构机制 优点 缺点 使用机器人小组提高执行任务的效率，并由缺少形式化验证，而且SDR是一个软件项 SDR异构协作机制 小组领导控制成员机器人.小组领导的功能 目，对其在实际环境系统中的性能评估，并 较强，例如有“看”的功能. 没有过多的涉及. 有形式化模型、融合了各类传感器信息，有 SyMTRe异构协作机制 没有运动限制，工作环境在室内 良好的可靠性和快速解决问题的能力 SyMTRe-D异构协作机制 运算复杂度低，鲁棒性高，需要维护少 只作了局部的优化处理，对全局优化不够： Parker在异构多机器人定位探索领域也做了大 态定位 量的研究工作.例如，她的课题组设计了80个异构 3.3空间感知研究进展 机器人[31，在600m2的室内环境中进行实验，机器 支持多机器人空间感知的协作环境研究包括定 人能够发现和追踪入侵者，并能够将信息传递给远 位技术、数据融合、空间信息建模和时空事件订阅与 方的操作者；对于室外未知环境，她设计了一组自主 发布等6] 移动异构机器人[4]，通过差分GPS进行机器人组定 1)定位技术的研究.由于应用领域、系统环境 位，使用产生的地图信息来规划多机器人的路径并 和精度需求不同，这就需要研究不同类型的定位技 完成任务. 术以便满足不同的需求.根据定位的位置划分， 此外，针对异构多机器人的研究，还有大量的工 分为室外定位（基于GPS和雷达2]等）与室内定位 作成果.文献[35]提出了一种基于知识模型的方法构 (基于WLAN、传感器和声音[]等)；根据定位的方 建异构多机器人系统，这种方法作为自主机器人系统 式划分，分为绝对定位和相对定位，目前大部分定位 的一个原型，能够使用人类的特点对异构机器人进行 系统都采用绝对定位技术.为了提高定位精度，还需 知识建模.文献[36]提出异构多机器人系统高效通信 要研究各种误差补偿技术[]，常用的定位方法比较 动态任务分配算法，为了实现不同机器人组的可伸缩 如表3所示. 性，设计了分布式“共享全局单元”的通信机制.文献 2)多数据源融合研究6].从多种定位设备获取 [37]针对轮子滑行机器人、四足机器人等软硬件不同 的对某个目标的定位数据进行综合处理，以便得到 的异构机器人设计方案，使机器人系统能够在未知环 更高精度的定位信息， 境下针对自身的特性进行导航协作.文献[38]提出一 3)空间信息建模彻].主要研究如何表示和计 种基于“层”架构的多机器人运动协调系统，设计了集 算空间信息，即如何提供一个与定位技术无关的统 中控制系统框架，该系统由一名领导机器人规划其他 一的空间信息模型，使得应用不用关心具体的定位 机器人的运动，并使它们同步。 技术 针对异构机器人的三维空间定位的研究相对较 4)事件的订阅发布[50.在支持空间位置感知的 少，文献[3940]提出了异构多机器人组的三维定位 协作环境中，协作者之间空间位置的变化会产生一 策略，对地上移动机器人和爬墙机器人安装各种传 些时空事件，时空事件对协作的进行有重要影响，这 感器，核心目标是让包含4个机器人的小组在一个 就需要让用户能够订阅时空事件，系统能够分析、计 三维环境中协同工作，例如：在地上移动、爬墙或者 算和发布时空事件给用户。 粘在屋顶上，机器人之间通过协作视觉技术进行动

382 智能系统学报 第4卷 表3机器人定位方法比较 Table 3 The comparison of the robot location 定位方法 优点 缺点 不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不需要运动，依赖加速度，得到的是瞬时速度 惯性导航 易受到干扰。 和瞬时位置、 测程法 定位稳定，红外激光技术成熟： 外部环境要求高，成本高， 标识匹配定位) 容易安装，维护成本低： 障碍物影响较大 GPS定位 适用范围广，服务免费。 到达地面时较弱，不能穿透建筑物，定位器 终端的成本较高 需要大范围布置网络节点，初期的成本相对 无线传感器定位 通信效率高，低功耗 较高。 容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，仅能 红外线室内定位 较高的室内定位精度 视距传播。 多径效应和非视距传播影响很大，成本太 超声波定位 定位精度较高，结构简单 高. 蓝牙 设备体积小，不受视距的影响. 稳定性差，受噪声信号干扰大. 射频识别 体积比较小，造价比较低。 作用距离短 穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高 无线超宽带(UWB) 和定位精度高。 适用于局部环境，实现大范围定位，成本高。 WiFi 易于安装，需要很少基站 易受信号干扰，定位器能耗高。 3.4任务规划问题研究进展 种具有聚集特征的多机器人搜集任务中.文献[57] 多机器人系统的任务规划(multi-robot task allo- 提出了基于VC(vacancy chains)方法的任务分配方 cation,MRTA)问题2]主要包括任务分解和任务分 法.文献[58]依据系统论和非线性科学理论，在分 配2个方面.早期的任务分配方法主要集中在基于 析了现有协同进化模型的局限性及其成因的基础 经验或者专家知识的多机器人系统任务分配思路和 上，基于局部交互的协同进化适应性机制，构造了群 框架上，主要采用基于分布式人工智能和多智能体 体复杂协作行为方案.文献[59]提出了一种动态任 中的任务分配方法[51s2) 务分配方法，有效地实现了机器人之间的合作，在减 基于市场经济]的任务分配方法来源于早期 少总体任务完成时间的基础上有效降低了系统的通 的合同网[](contract net protocol.,CNP)方法，也是 信量，并解决了运行过程中发生的任务死锁现象.文 近年来多机器人系统任务分配问题研究中的一个热 献[60]提出了一种无竞争多机器人系统的任务分 点.根据规划策略的不同，多机器人系统可以分为以 配方法，多个机器人的竞价顺序是由一个同步伪随 下4种类型21：1)弱任务规划弱运动规划；2)弱任 机数生成器产生，获得竞价顺序第一位的机器人选 务规划强运动规划；3)强任务规划弱运动规划；4) 择自己的最优任务并告知其他的机器人，然后竞价 强任务规划强运动规划.对任务分配进行形式化理 顺序排在其后的机器人再根据自己的代价函数在剩 论分析的代表人物是Gerkey[],他将任务分配问题 下的任务中选择最优任务，依此类推，一直到所有任 描述成一个最优化问题，目标是使机器人的分配任 务分配完成.2008年MT的McLurkin']总结了4 务效用函数之和为最大. 种给机器人分配任务的算法：随机、顺序、同时和基 此外还有很多对任务分配问题的研究工作.文 于树分配算法，比较如表4所示. 献[56]提出了一种基于排斥信息素型蚁群算法的 -些研究工作还针对个性机器人[6]和家用服务 多机器人自主任务分配方法，并将该方法应用在一 机器人[]的规划问题展开了研究，虽然目前这方面

第5期 石志国，等：异构多机器人协作系统研究进展 ·383 的研究还不多，但可能是未来的一个重要研究方向 分别如图4和图5所示.针对无线泛在网络环境，目前 表4几种任务分配算法比较 正在制定的IGRS2.0协议体系包括：基础协议、网络设 Table 4 The comparison of task allocation algorithms 备基础协议、网关协同协议（设备注册、发现和穿越）和 分配方式通信量故障率运行时间规模数量网络结构 低速网络设备基础协议. 随机分配 非常少 季 很短 中小规模依赖性弱 服务访问机制 顺序分配 名 中等 比较长 中等依赖性弱 会话管理机制 同时分配非常大中等 很短 中等依赖性弱 服务发现机制 基于树分配中等 中等 中等中大规模依赖性强 设备组管理机制 3.5IGRS协议研究进展 设备管道创建机制 随着各种信息设备功能越来越强大以及网络技 术特别是无线网络技术的飞速发展，设备间如何更 设备发现机制 加方便、智能地互联以及更好地协同工作逐步成为 图5基础协议结构 人们关注的焦点.2002年11月25日，原信息产业 Fig.5 Structure of basic protocol 部科技司召集国内各界权威专家在北京召开了智能 IGRS核心协议的基本功能包括：1)设备的注 互联标准研讨会，会上对“智能互联标准，资源共 册、发现和连接；2)服务的注册、发现和调用；3)事 享，协同服务协议”的科学性和必要性进行研讨.与 件的订阅；4)设备和服务状态的动态更新和监控； 会专家一致认为，该协议已基本具备了立项的条件 5)设备和服务描述方法；6)资源组织管理结构；7) 2003年7月17日，IGRS工作组正式成立，并制定相 安全接入方法.IGRS是我国自主研发的、具有自主 应的标准规范.2005年6月，IGRS标准正式获得批 知识产权的技术标准体系，其核心发明专利已经在 准成为国家推荐性行业标准，并成为我国第一个3C 美国、日本和欧洲注册.预计在2009年将有6个协 协同技术标准o 议升级为国家标准，并有希望通过投票成为国际标 2006年2月，IGRS研究列入国家中长期科技 准，如表5所示，预计在2010年至少有2个协议有 发展规划，并于2006年7月正式获得国际IS0/EC 望升级为国家标准，如表6所示 组织立项；2006年10月，IGRS在国家质量监督检 表5现有的行标升级为国标 验检疫总局、国家标准化管理委员会首次设立的 Table 5 Upgrading to national standards “中国标准创新贡献奖”评选中，获得信息产业领域 一等奖；2007年IGRS标准被列为我国八大重大科 标准草案名称 完成时间 技创新事件；2008年7月在IS0/EC最终标准草案 《信息设备资源共享协同服务(IGRS)基础协议》 2009 的投票中，IGRS验证规范顺利通过，正式成为国际 《信息设备资源共享协同服务(IGRS)应用框架》 2009 标准，同年10月，基础协议和应用框架协议也通 《信息设备资源共享协同服务(IGRS)基础应用 2009 过了ISO/EC草案阶段的投票。 《信息设备资源共享协同服务(IGRS)测试验证 2009 基本应用及扩张应州 IGRS应用 《信息设备资源共享协同服务(ICRS)设备类型》 2009 设备协问服务平台 IGRS应用框架 《信息设备资源共享协同服务(IGRS)服务类型心 2009 设各发现与资源共享平台 IGRS基础协议 表6新申请的行标和国标 设备交互消息框架 HTTP/1.1 Table 6 New idustrial and national standards 传输与网络协议 TCP/IP协议族 标准草案名称 完成时间 设备连接 8022.3.802.3u 802.11a/b/g.Bluetooth 《信息设备资源共享协同服务(IGRS)服务质量协议》 2010 图4IGRS的层次结构 《信息设备资源共享协同服务(1C讯S)离线互联接口协议 2010 Fig.4 Hierarchy of IGRS 在IGRS协议基础上研究异构多机器人协作理 IGRS协议体系的内涵是智能互联、资源共享和协 论，利用IGRS智能互联、资源共享的标准以及IGRS 同服务.IGRS基础协议定义了交互协议、应用框架、设 的自动发现、动态组网、资源共享和协同服务的机 备交互模式、消息结构、设备服务描述、设备组网、资源 制，可以解决机器人通信协议异构的问题，同时可以 共享以及互操作等内容.层次结构与基础协议结构 扩展IGRS协议的应用范围，并推进IGRS协议体系

·384 智能系统学报 第4卷 的发展 节点之间、机器人与UWB网络节点可以通信，如图 3.6小结 6所示 从上面的论述可以看出，多机器人协作系统的 0.0 研究主要集中在任务规划、运动规划、规划策略、队 x,0 形保持、定位探索以及合作搬运等方面.针对异构多 机器人协作的研究主要集中在软件应用层面、室内 的无线传感器定位、室外的GPS定位以及信息融合 等方面，同时IGRS协议的研究还处于起步阶段. 数R 虽然目前已经取得了一些研究成果，但是在异 构多机器人通用接口协议、异构多机器人的功能规 (0)异构机器人协作组 ……形● 划和空间感知建模等方面依然存在很多问题，具体 ●WB网络节点 -一定位信道 一数据信道 表现在3方面： 首双足机器人 柔陪护机器人盏解说机器人 1)空间感知问题.目前无论是基于GS还是基 念玩伴机器人 于无线传感器网络的空间定位方法，大多将定位与 图6异构多机器人协作简图 通信分开.用无线传感器网络进行定位相对较好，但 Fig.6 Cooperation of heterogeneous multi-robot system 是数据通信带宽很窄，在通信量比较大的场合，例如 对于三维空间的定位需求，可以在两侧空间区 视频信号的传输，需要借助其他的通信方式.使用新 域部署网络节点，如图7所示.通过增加网络节点的 兴的无线超宽带技术UWB(ultra wideband)可以实 个数，可以扩大覆盖面积，从而增加协作区域的范 现定位与通信的一体化，可提供空间15cm的定位 围.UWB网络节点可以通过相邻的节点与其他节点 精度和300Mbps以上的通信带宽.使用IGRS作为 通信，当2个机器人距离超出直接通信范围时，可以 定位和通信的接口协议，可以解决接口协议的异构 通过网络节点与目标机器人通信， 性问题.但是UWB网络节点组的部署以及异构机 器人集成还缺乏有效的理论模型的支持和实际系统 的指导 2)动态分组问题.由于异构机器人的功能不 同，为了达到特定的目标，可以在一段时间内联合附 近的部分机器人形成协作小组.除了功能上的不同， ● ● 每个机器人的活动范围和感知范围不同，动态分组 可以发挥团队中各个机器人的优势，分组机制提高 了异构机器人的能力、活动范围和感知范围，从而提 图7另一种部署方法 高了整体的协作效率.但是目前还没有有效的机器 Fig.7 Another method of deployment 人动态分组理论模型作为实际系统的指导， 采用IGRS作为基础协议对设备信息、空间位 3)任务分配问题.异构机器人的功能不同，任 置以及机器人功能等信息进行编码，根据可互操作 务分配时需要考虑机器人具备的功能.由于任务分 的机器人功能，决定协作的内容和方式.基于IGRS 配者的活动范围以及感知范围有限，不可能与每个 协议的UWB网络节点组不仅能够保证空间定位的 机器人直接通信，因此如果允许接受任务的机器人 可靠性，还解决了异构通信的问题.在此基础上研究 对任务进行再分配，将可以提高任务的执行成功率. 3个解决方案：1)异构多机器人空间感知方案；2)异 然而这样将增加系统的复杂性，对于任务的分配、回 构多机器人动态分组方案；3)基于能力列表的任务 收、撤销和确认都需要有力的理论支持. 委托分配方案。 4.1异构多机器人空间感知方案 4异构多机器人协作系统研究方案 定位算法使用到达时间差的定位技术TDOA 本课题组研制的陪护机器人、双足机器人、解说 (time difference of arrival),该方法基于UWB无线信 机器人和玩伴机器人等异构机器人平台，在区域范 号传输的时间差来求解机器人与基站之间的距离， 围内，部署16个固定的UWB网络节点，每个机器 进而算出机器人的位置， 人都配置有UWB通信模块，机器人之间、UWB网络 在机器人系统中设立定位测量处理单元，测距 单元的位置与时钟为系统已知量.机器人与UWB

第5期 石志国，等：异构多机器人协作系统研究进展 ·385· 发射点的距离基于5个变量值算出.1)T:测距单 spec"targetNamespace ="http://www.igrs.org 元接收发射点信号的时间，以测距单元的时钟为准； 8pecl.0”> 2)Tt:机器人接收发射点信号的时间，以机器人的 钟之差；4)Lab:机器人与发射点的地理间距；5) L:测距单元与发射点的地理间距.则机器人与发 射基站之间距离La满足以下公式： Lami-La=V(Tma-Tiot +Te). 测量出与2个以上发射点的距离就可以计算出机器 人位置.机器人的位置是分别以发射点为圆心，距离 </S0AP-ENV:Body 加权误差为半径的同心圆的重叠区域，这个区域也 对于所有遵守IGRS协议的设备，无论是机器 称为置信椭圆，如图8所示。 人还是普通的电子设备，都可以通信和协作，因此异 构概念的外延可以进一步扩大.根据定位系统得到 的位置信息称为实际位置，实际位置集合用L表 定位 吴 示.使用逻辑位置域定义机器人的逻辑空间边界，逻 辑位置域组成的集合表示为L1om·位置映射函数为 置信 f:Le→Lm,表示给定一个真实位置Lp,返回相应 椭圆 的逻辑位置域.机器人空间角色s,=（r,lam)∈ R×Lm,其中r表示机器人名称，Lom表示机器人的 逻辑位置域.由空间角色组成的集合称为空间角色 图8机器人定位以及误差 集，记为S用T、U、R、SR、Op、O、S、Lie和Lhm分别 Fig.8 Error and robot location 表示协作系统的时间、机器人、角色、空间角色、操 由于无线信号的传输特性，测量的距离存在一 作、对象、会话、物理位置和逻辑位置域.具备空间感 定的误差.对于实时性要求不高的场合，可以采用多 知的模型表示为元组(T,U,R,SR,Op,O,S,Le, 次计算取平均值的方法降低误差；如果实时性要求 Ldom）. 比较高，可以采用软件补偿的方法降低误差 4.2异构多机器人动态分组方案 使用IGRS协议封装基础数据TM、Tt和T。,例 2个以上的机器人可以组成一个协作小组，在 如：机器人R,要将数据发送给机器人R2,IGRS编 协作小组的存在期间，其他异构机器人可以通过 码的消息格式为 IGRS协议和组内的机器人进行协商，并提交加入请 HOST:R2 求，当前协作组的管理者，需要对机器人的能力进行 CharSet:utf-8 验证，检查其是否拥有完成目标任务的能力，并确定 Content-Length:128 是否让它加入.除此之外，管理者也可以通过传感器 MAN:“http:/www.igs.org/spec1.0” 获得感知范围内的机器人列表，并对具备任务能力 01-IGRSVersion:IGRS/1.0 的机器人进行邀请. 01-IGRSMessageType:IGRS_ROBOT_LOCATION 一个区域环境中，可能存在多个协作组，机器人 01-SourceDeviceld:R 可能同时在2个协作组中.除了机器人之间可以进 01-TargetDeviceld:ROBOT 行协商，协作组之间也可以组成新的组.基于这种机 01-ReturnCode:rtnOK 制组成的协作系统，具备很强的伸缩性和扩展性，分 01-AcknowledgeId:2 组框架如图9所示.图9中协作组1包括多个小组， MAN:"http://schema.xmlsoap.org/soap/envelop/" 协作组2是由3个机器人组成，协作组3由7个异构 02-SoapAction:LOT 机器人组成.机器人C正在与协作组3的管理者进 02-SoapAction:MOT 行协商，试图加入该组.组的动态创建、加入包括5 02-SoapAction:E 个步骤：1)创建者首先建立一个组的标识G:2)机 <SOAP-ENV:Body 器人C通过IGRS协议向创建者提供自己的能力列 schema xmlns:IGRS =http://www.igrs.org 表，并请求加人当前组；3)创建者对机器人C的能

.386 智能系统学报 第4卷 力进行验证，通过验证则颁发标识G;4)机器人C加 作，机器人可以请求另外一个机器人；5)机器人可 人后，组内机器人之间可以共享特定信息和进行协 以对其进行应答. !异构机器人组2 异构机器人组3 ④ D 协作机器入 组创建者 协作组 ④ 泛在 「协作组 组创建者 ⑤ 网络环境 协作组创 者/管理者 二二二二 协作机器人 【协作组 组管理者 ④ 异构机器人组1 ⑤ 图9异构多机器人动态分组框架 Fig.9 Dynamic grouping framework of robots 例如，一个具备能力ax、B和y机器人Rc请求 作.协商系统由6个部分组成：标识库、策略库、协商 管理者R,加人该组，IGRS交互协议的消息格式为： 机制、IGRS协议、信息封装机制以及通信载体.协商 HOST:RL 过程通常由2个机器人交互完成，一个协作请求方， CharSet:utf-8 称之为Requester(记为R),另一个是被请求方，称 Content-Length:128 之为Mediator（(记为M).如果有多个请求机器人， MAN:“http:/www.igrs.org/spec1.0” 使用下标进行区分，例如：R,R2,…,Rw如果有多 01-IGRSVersion:IGRS/1.0 个被请求机器人，使用下标进行区分，例如：M1,M2, 01-IGRSMessageType:IGRS_ROBOT_GROUP_JOIN …,Mw,这里的请求机器人R与被请求机器人M只 01-SourceDeviceld:Rc 针对1次协商过程，在不同的协商过程中，一个节点 01-TargetDeviceld:ROBOT 可以是请求方R,也可以是被请求方M. 01-ReturnCode:rtnOK 协商过程中的机器人主体由1个四元组构成，其中：K是机器人主体集，由惟一的 MAN:"http://schema.xmlsoap.org/soap/envelop/" 标识识别，使用下标来区分不同的机器人主体；？是 02-SoapAction:ROBOT_CAPABILITY 属性的有限集，每个属性用t表示，由属性主体与属 ” 协商系统由2个机器人R和M组成，通过IGRS通 ,其中： max0 ccurs=“3”> R和M分别是协商的2个机器人主体，R的组成为 ,M的组成为;S: e→+K是一个函数，S(e)∈K称为e是K的标识；T:B+ 2”是一个函数，每个T(e)是有限并且非空的. 假设机器人R和M的响应延迟均在一定的范 </complexType 围之内，协商的最终结果只能是是成功或者失败，不 </SOAP-ENV:Body 存在其他的妥协情况.在此基础上对各个元素的关 机器人通过协商系统实现动态加入并进行协 系进行形式化分析，创建异构多机器人的动态分组