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ROBO-MAS多智能体自主协同技术实验室建设方案

作者: bjrobot 时间:2020-08-03 来源:未知
摘要:本实验室通过采用ROBO-MAS桌面型群体智能机器人,在小型实验场地内通过光电投影定位技术实现机器人位置感知和数据通讯,实现“多智能体自主协同”研究目标。

  
一、 实验室建设目的 
二、 技术背景 
三、 实验室概况 
四、 应用领域 
五、 支撑的研究方向 
六、 国外基于群体智能发表核心期刊 
七、 项目效益 
八、 群体智能协同系统总体方案 
8.1. ROBO-MAS机器人 
8.2. 高频投影仪系统 
8.3. 无线通讯控制系统 
8.4. 群体智能决策软件系统 
九、 群体智能实验场景 
十、 配置方案及报价 
十一、 多智能体实验室效果图 
11.1 小群体大智慧实验平台效果图
11.2 小群体大智慧实验平台三视图
11.3 实验室整体效果图
11.4 群体智能实验室刨面图
11.5 群体智能协同效果图(动态捕捉系统
11.6 多智能体协同效果图


一、 实验室建设目的

近些年来,由于仿生学、计算机科学、人工智能、控制科学、社会学等多个学科交叉和渗透发展,多智能体协同控制技术越来越受到众多学校的广泛关注,已成为当前控制学科以及人工智能领域的研究热点。构建一套前沿技术和应用前景广泛的群体智能实验平台,对编队控制、一致性控制、聚散控制等多智能体协同控制算法进行验证,促进理论研究,加强理论与实际的联系,支撑研究团队持续发展。
 

二、 技术背景

多智能体协同控制的发展从集中、集散式控制、现场中心控制、智能控制,日益复杂化、智能化,且具备智能体的基本特征,控制方式日益走向多智能控制单元协同工作的模式,整个控制系统已经具备了多智能体系统(Multi-Agent System, MAS)的雏形,基于多智能体的分布式协同系统是现代智能控制技术发展的方向。

三、 实验室概况

本实验室通过采用ROBO-MAS桌面型群体智能机器人,在小型实验场地内通过光电投影定位技术实现机器人位置感知和数据通讯,实现“小群体大智慧”研究目标。该套实验平台能够为群体智能理论研究提供较为充足的实验条件,可以实现涵盖单体智能控制、多智能体协同控制、网络通讯、协同算法等领域的相关技术内容,以及验证多智能体协同控制理论和关键技术,为现实生活中大规模活动与个体之间关系提供实验模型和理论验证。
 

四、 应用领域

群体智能机器人是一种国际前沿的人工智能研究项目,由多个小型机器人组成的集群式解决系统。群体智能机器人的灵感源于蚂蚁、蜜蜂、鱼群体等生物,在没有统一领导的情况下,也能合作执行大量复杂的任务。每一个小机器人都具有自身的运动能力和有限的智能水平,通过个体之间或个体与环境之间交互行为形成高度的有组织性活动,虽然这些交互行为看上去非常简单,但他们聚在一起却能解决一些难题,完成很多单体无法完成的工作。群体智能机器人的运用前景非常广泛,包括智慧城市、智慧医疗、智能制造等方面,在军事战略中也发挥巨大作用。
 

五、 支撑的研究方向

在动态不可预测多智能体环境中,重点可以研究以下课题:
Ø 智能机器人自主感知、组网算法的研究;
Ø 多机器人目标协同定位算法的研究;
Ø 多机器人自主动态决策与路径规划算法的研究;
Ø 多机器人区域覆盖算法的研究;


六、 国外基于群体智能发表核心期刊

序号 论文出处 课题
1 IEEE Persistent and Robust Execution of MAPF Schedules in Warehouses
在仓库中连续稳定地里执行MAPF计划
2 IEEE Finding Consensus Without Computation
无算法条件下自主聚集行为
3 Natural Robotics Lab Occlusion-Based Cooperative Transport with a Swarm of Miniature Mobile Robots
多耦合系统下的微型轮式移动器群体协同传输
4 Natural Robotics Lab Self-organized aggregation without computation
无算法条件下的自组织群集行为
5 Natural Robotics Lab Clustering Objects with Robots That Do Not Compute
无算法条件下多机器人聚集行为


七、 项目效益

Ø 通过实物的实验,帮助验证群体智能算法。群体智能是一个复杂的学科,涉及到很多细节,通过实际的实验,可以促进验证群体智能算法的可行性。
Ø 群体机器人平台可以实现深度学习、机器学习、人工智能、协同定位、区域覆盖、任务规划、资源分配、通信方式等算法的验证,保证实验平台的多样化,可进行大部分学科的实验。
Ø 每一个人都做着不同类型的工作,通过群体机器人平台可以把所有人的工作进行整合,帮助发现问题,促进群体智能算法的实现。
 

八、 群体智能协同系统总体方案

群体智能协同实验平台分为机器人系统、高频投影仪系统、无线通讯控制系统、群体智能决策软件系统四大部分。
机器人是实验控制对象,是算法实现的载体;高频投影仪系统是机器人位置感知与定位的主要系统,通过高频光谱采集机器人位置、朝向、速度等数据信息;无线通讯控制系统负责上位机和机器人之间的通讯,连接数据的采集和数据的发送,使整个系统成为一个闭环。群体智能决策软件系统相当于整个系统的大脑,综合收集到的信息控制机器人之间的运动关系,经过决策后发出机器人执行的指令。




8.1. ROBO-MAS机器人

 
ROBO-MAS是一款桌面微型移动机器人,它搭载可以灵活组网的射频通信芯片,最高传输速率可达2Mbps,并提供机器人的速度控制接口、机器人角度控制接口、局域网网络配置文档。可以在有限的空间内进行大数量智能机器人群体协作实验,其在实用性、稳定性、拓展性、接口开放性等方面有极大的优势。可在已知环境下的任务动态分配研究,任务预测与任务分解研究,以及异构大规模多耦合任务研究等方面具有领先优势。
技术参数
1. 处理器:STM32F0C8T6;
2. 传感器:2个光电接收传感器;6个红外线传感器;
3. 3个LED三色灯;
4. 通讯:2.4GHZ射频模块;
5. 运动速度:约10~25cm/秒;
6. 尺寸:直径50mm,高度46mm;
7. 重量:72g;
8. 电池:4.2V,锂电池700mAh;
9. 续航约:30分钟;
 

8.2. 高频投影仪系统

高频投影仪系统包含两个子系统,光引擎系统和驱动系统,以及散热器和风扇等设备。高频投影仪系统可用于三维重建、三维测量、平面定位等。三维重建和测量主要是通过高频投影仪将结构光投影至被测物体上,并通过摄像机进行拍摄,并根据三维坐标和二维坐标的转换得到其深度。平面定位是一套定位毫米级的定位系统。
技术参数:
1. 光引擎包括:红色、绿色和蓝色光谱;以及912×1140钻石像素0.45英寸结构光超分辨显微镜。
2. 驱动系统含LED驱动电路,数字控制器,电源管理电路,DVI TO RGB转换等设备。
3. 含高频播放的格雷码编制的黑白条纹图片序列。
4. 含播放格雷码编制图片序列的配置文件。
5. 标准投影面积为长 1500mm 宽960mm,横坐标像素点定位精度为1.67mm 纵坐标像素点定位精度为1.69mm。
6. 提供高频投影实现平面定位的操作说明手册。
 

8.3. 无线通讯控制系统

群体智能无线通讯控制系统含单体智能无线接收模块和USB中继接收模块。它们的通信芯片均采用Nordic公司的NRF24L01+芯片,它具有多点通信、调频通信,且功耗低等诸多优点。
单体智能无线接收模块是一款自主定位和通信组网模块,它主要通过串口通讯方式加装在ROBO-MAS微型移动机器人上,来实现微型机器人的定位和通信组网。它内含光电接收传感器、STM32F0C8T6处理器、NRF24L01+通信芯片、板载2.4GHZ天线、电源管理芯片等。
USB中继接收模块是一款通信中间件模块,它与PC端采用USB接口连接方式,PC端软件通过该模块能够查询或设置ROBO-MAS机器人,中继接收模块能够实时管理查询多个微型移动机器人。
 

8.4. 群体智能决策软件系统

群体智能决策软件系统是一套多智能体自主协作仿真以及实物验证的软件平台系统。它可用于多机器人群体行为决策的仿真、机器人路径规划、机器人状态显示等。当该软件通过PC端的USB口接入中继接收模块,实现对多个微型移动机器人间通讯管理和信息交互。
群体智能决策软件系统分为应用层、仿真层、服务层、通信层四部分。应用层提供二种协作案例(图形模式、手绘模式)和底层二次开发模式,仿真层含机器人节点的新增、删除,机器人的路径规划,机器人目标点设置等。服务层包含软件系统获取机器人本体的位置和状态。通讯层包含软件系统与中继接收模块之间的通信。
 

九、 群体智能实验场景

为方便用户快速熟悉群体智能协作平台,直观展示群体智能的运用与开发内容,提供两种协作模式,以及复杂算法的二次开发底层代码。
l 图形模式:用户在上位机软件上选择如圆形、五角星形、正方形、数字等某种图形,机器人能够自动根据配置数量排列出对应形状;
l 手绘模式:用户在上位机显示窗口内画图或写字,系统会自动分析、识别图形,并且根据机器人的数量自动排列出对应图案;
l 二次开发:提供底层通讯协议和API接口,以及相关demo。
(1)提供机器人端与群体智能协作系统的通信协议。
(2)提供机器人模块目标速度控制接口。
(3)提供机器人模块目标角度控制接口。
(4)提供机器人单体避障算法。
(5)提供机器人群体队列保持算法demo。
(6)提供机器人跟随算法demo。
(7)提供高频定位系统平面坐标输出接口demo。




十、 配置方案


序号 产品名称 图片 介绍 数量
1 ROBO-MAS
机器人
ROBO-MAS是智能佳公司自主研发的一款桌面微型移动机器人,它搭载可以灵活组网的射频通信芯片,最高传输速率可达2Mbps,并提供机器人的速度控制接口、机器人角度控制接口、局域网网络配置文档。
技术参数
Ø 处理器:STM32F0C8T6;
Ø 传感器:
l 2个光电接收传感器;
l 6个红外线传感器;
Ø 3个LED三色灯;
Ø 通讯:2.4GHZ射频模块;
Ø 运动速度:约10~25cm/秒;
Ø 尺寸:直径50mm,高度46mm;
Ø 重量:72g;
Ø 电池:4.2V,锂电池700mAh;
Ø 续航约:30分钟;
6
2 高频定位及通讯系统 高频投影仪系统包含光引擎系统和驱动系统,可以实现3000Hz格雷码编制高精定位。并通过中继接收板实现不同机器人之间的相互通讯。
技术参数
Ø 光引擎包括:红色、绿色和蓝色光谱;以及912×1140钻石像素0.45英寸结构光超分辨显微镜。
Ø 驱动系统:含LED驱动电路,数字控制器,电源管理电路,DVI TO RGB转换与TFP401和一个32MB闪存。
Ø 发射频率:3000Hz
Ø 通讯模式:低功耗2.4GHZ无线射频节点组网;
Ø 定位精度:在投影面积1.5m*0.9m范围内的定位精度为2mm。
1
3 机器人测试场地 Ø 平台尺寸:2x2米;
Ø 摄像头支架:可调高度1.5-2米;
Ø 便携式补光灯:2个;
Ø 高密度板:4块1.9x1.9x0.015m;
Ø 主体材质:铝合金支撑骨架;
Ø 护板:8块PCB防护板;
Ø PVC背景板:4张(黑色/白色);
Ø 3M强力超薄双面胶带:1卷;
Ø 场地组装手册:1份;
Ø 安装工具:螺丝、螺丝刀等
1
4 群体智能协作软件系统
 
功能介绍:
Ø 机器人本体状态信息在仿真模拟器系统上的显示。
Ø 仿真模拟器上可创建虚拟机器人的动态目标轨迹的规划。
Ø 仿真模拟器上可现实机器人本体状态参数显示,含位置、方向、速度等。
Ø 多智能体移动目标位置路径规划策略设计,定位坐标输出的频率设置,机器人探测半径设置,路径目标间隔点长度设置,目标点角度与机器人当前角度阈值设置等。
Ø 多智能体轨迹保持算法的设计与开发。
1
5 技术培训   Ø 提供免费远程二次开发培训及相关技术资料
Ø 提供有偿上门技术培训。
1人



十一、 多智能体实验室效果图

11.1 小群体大智慧实验平台效果图

 
图2-产品效果图

11.2 小群体大智慧实验平台三视图

  
图3-产品三视图
 

11.3 实验室整体效果图

  
 
 
 

11.4 群体智能实验室刨面图

 
 

11.5 群体智能协同效果图(动态捕捉系统

 
 

11.6 多智能体协同效果图

 






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