一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的多機(jī)器人任務(wù)分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多機(jī)器人協(xié)作控制技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種基于多目標(biāo)優(yōu)化 的多機(jī)器人任務(wù)分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用多機(jī)器人協(xié)作完成環(huán)境探索、救援和搬運(yùn)等多種應(yīng)用問(wèn)題與單機(jī)器人相比具 有很多優(yōu)點(diǎn)：多機(jī)器人系統(tǒng)的容錯(cuò)性可有效防止單個(gè)機(jī)器人失效引起的任務(wù)失??；多機(jī)器 人系統(tǒng)的并行處理能力可在短時(shí)間內(nèi)完成特定任務(wù)；多機(jī)器人之間的功能可互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)單個(gè) 機(jī)器人無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能等等。因此，現(xiàn)階段通過(guò)多機(jī)器人協(xié)調(diào)合作完成預(yù)定任務(wù)已經(jīng)成為 該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，任務(wù)分配是多機(jī)器人系統(tǒng)研究中的核心問(wèn)題之一。
[0003] 現(xiàn)階段研究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了使得多機(jī)器人能快速完成特定任務(wù)，在構(gòu)建機(jī)器人 相對(duì)于任務(wù)的效用函數(shù)時(shí)，只考慮到多機(jī)器人在完成任務(wù)過(guò)程中的時(shí)間因素，即多機(jī)器人 完成任務(wù)所需的時(shí)間越短則相應(yīng)的效用函數(shù)值就越大。但是，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，多機(jī)器人在合 作完成目標(biāo)任務(wù)的過(guò)程中，系統(tǒng)除了要考慮多機(jī)器人完成任務(wù)所需的時(shí)間代價(jià)以外，往往 多機(jī)器人在完成任務(wù)過(guò)程中的能量耗費(fèi)也顯得尤為重要，即通常認(rèn)為能耗越少則任務(wù)完成 的效果也就越好。
[0004] 然而，時(shí)耗代價(jià)和能耗代價(jià)通常是多機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中的兩個(gè)不可比而又 相互沖突（抵觸）的方面，即很難同時(shí)兼顧時(shí)耗與能耗開(kāi)銷(xiāo)，也即多機(jī)器人完成某一任務(wù)過(guò) 程中若花費(fèi)的時(shí)間代價(jià)比較少，則可能會(huì)引起能耗代價(jià)的增大。因此，為了更全面、更系統(tǒng) 化的討論多機(jī)器人系統(tǒng)中的任務(wù)分配問(wèn)題，有必要建立一種多機(jī)器人完成任務(wù)過(guò)程中能夠 有效體現(xiàn)能量耗費(fèi)因素的評(píng)價(jià)機(jī)制（如機(jī)器人能量效用函數(shù)），從而增加一個(gè)基于該機(jī)制 的任務(wù)分配結(jié)果優(yōu)劣的量化評(píng)估指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)提高任務(wù)分配結(jié)果的科學(xué)性與合理性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的多 機(jī)器人任務(wù)分配方法，該方法在多機(jī)器人完成任務(wù)過(guò)程中能夠有效體現(xiàn)時(shí)間耗費(fèi)和能量耗 費(fèi)兩個(gè)因素的評(píng)價(jià)機(jī)制，使得計(jì)算時(shí)間少，并可實(shí)現(xiàn)快速得到多機(jī)器人的最優(yōu)任務(wù)分配方 案集，從而大大降低任務(wù)分配時(shí)間，提高任務(wù)的完成效率；同時(shí)，本發(fā)明在多機(jī)器人系統(tǒng)的 任務(wù)分配問(wèn)題中同時(shí)兼顧到機(jī)器人在完成任務(wù)過(guò)程中所獲得的時(shí)間效用和能量效用的因 素，可更全面、更系統(tǒng)化的解決多機(jī)器人系統(tǒng)中的任務(wù)分配問(wèn)題，從而增加一個(gè)基于該機(jī)制 的任務(wù)分配結(jié)果優(yōu)劣的量化評(píng)估指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)提高任務(wù)分配結(jié)果的科學(xué)性與合理性。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過(guò)提出一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的多機(jī)器人任務(wù)分配方 法予以實(shí)現(xiàn)，其特征在于：采用加權(quán)求和的方式對(duì)時(shí)間效用目標(biāo)和能量效用目標(biāo)進(jìn)行建模， 得到多機(jī)器人時(shí)間一能量加權(quán)效用函數(shù)；再通過(guò)分別設(shè)定時(shí)間效用目標(biāo)和能量效用目標(biāo)的 權(quán)重來(lái)優(yōu)化時(shí)間效用目標(biāo)和能量效用目標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人任務(wù)分配；其中，能量效用是 用于評(píng)價(jià)機(jī)器人在完成任務(wù)過(guò)程中的能量耗費(fèi)；時(shí)間效用是用于評(píng)價(jià)機(jī)器人在完成任務(wù)過(guò) 程中的時(shí)間耗費(fèi)。
[0007] 在實(shí)際應(yīng)用中，多機(jī)器人系統(tǒng)（尤其是實(shí)體多機(jī)器人系統(tǒng)）各機(jī)器人在完成系統(tǒng) 交給的各項(xiàng)任務(wù)時(shí)，時(shí)耗和能耗往往是評(píng)價(jià)任務(wù)完成效果的兩項(xiàng)重要指標(biāo)。因此，若在多機(jī) 器人系統(tǒng)的任務(wù)分配問(wèn)題中同時(shí)考慮時(shí)耗和能耗兩個(gè)性能指標(biāo)，則好的任務(wù)分配方案追求 的是機(jī)器人完成相應(yīng)任務(wù)的時(shí)耗盡量的短、能耗盡量的低。由于這兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)（時(shí)耗、能 耗）的改善可能會(huì)相互抵觸，因此，本發(fā)明的方法同時(shí)將時(shí)耗和能耗兩個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu) 化，在多機(jī)器人系統(tǒng)的任務(wù)分配問(wèn)題中同時(shí)兼顧到機(jī)器人在完成任務(wù)過(guò)程中所獲得的時(shí)間 效用和能量效用的因素，不僅能快速得到多機(jī)器人的最優(yōu)任務(wù)分配方案集、大大降低任務(wù) 分配時(shí)間、提高任務(wù)完成效率，而且還增加了一個(gè)基于該機(jī)制的任務(wù)分配結(jié)果優(yōu)劣的量化 評(píng)估指標(biāo)，進(jìn)而提高任務(wù)分配結(jié)果的科學(xué)性與合理性。
[0008] 所述采用加權(quán)求和的方式對(duì)時(shí)間效用目標(biāo)和能量效用目標(biāo)進(jìn)行建模，得到多機(jī)器 人時(shí)間一能量加權(quán)效用函數(shù)；再通過(guò)分別設(shè)定時(shí)間效用目標(biāo)和能量效用目標(biāo)的權(quán)重來(lái)優(yōu)化 時(shí)間效用目標(biāo)和能量效用目標(biāo)是指：包括以下步驟：
[0009] 第一步，構(gòu)建p個(gè)機(jī)器人相對(duì)于n個(gè)任務(wù)的機(jī)器人能量效用函數(shù)vlj:
[0011] 通過(guò)逐一計(jì)算各個(gè)機(jī)器人相對(duì)于各個(gè)任務(wù)的能量效用函數(shù)值Vl](Vl]G[0, 1]且 1彡i彡p、1彡j彡n)，則得到機(jī)器人能量效用值矩陣V:
[0013] 其中，為表征機(jī)器人移動(dòng)能力的機(jī)器人能量效用函數(shù)；IT2(CLCJ2)為 表征機(jī)器人處理能力的機(jī)器人能量效用函數(shù)；Cf表示第i個(gè)機(jī)器人的移動(dòng)能力；C；2i表示 第i個(gè)機(jī)器人的處理能力；表示第j個(gè)任務(wù)所要求的機(jī)器人的移動(dòng)能力；表示第j 個(gè)任務(wù)所要求的機(jī)器人的處理能力=W1/表示第i個(gè)機(jī)器人在執(zhí)行第j個(gè)任務(wù)過(guò)程中所付 出的移動(dòng)能量;W3lj表示第i個(gè)機(jī)器人在執(zhí)行第j個(gè)任務(wù)過(guò)程中所付出的處理能量;Wnil為機(jī) 器人在其所處的環(huán)境中移動(dòng)最長(zhǎng)距離時(shí)的能耗；Wni2為機(jī)器人在其所處的環(huán)境中轉(zhuǎn)動(dòng)最大 角度時(shí)的能耗;Wni3為機(jī)器人將重物舉到最高位置時(shí)的能耗；ApA2分別表示機(jī)器人移動(dòng)能 力和處理能力的效用權(quán)重，〇、A2彡〇,且其和為1 ;
[0014] 第二步，構(gòu)建p個(gè)機(jī)器人相對(duì)于n個(gè)任務(wù)的機(jī)器人時(shí)間效用函數(shù)ulj:
[0016]通過(guò)計(jì)算每個(gè)機(jī)器人相對(duì)于每個(gè)任務(wù)的時(shí)間效用函數(shù)值Ulj (0彡Ulj彡1，1彡i彡p，1彡j彡n)，則可得到機(jī)器人時(shí)間效用值矩陣U:
[0018]其中，為表征機(jī)器人移動(dòng)能力的機(jī)器人時(shí)間效用函數(shù)；Z2(Q5Cj2)為表 征機(jī)器人處理能力的機(jī)器人時(shí)間效用函數(shù)；Q1表示第i個(gè)機(jī)器人的移動(dòng)能力；（I表示第i 個(gè)機(jī)器人的處理能力；Cfr表示第j個(gè)任務(wù)所要求的機(jī)器人的移動(dòng)能力表示第j個(gè)任 務(wù)所要求的機(jī)器人的處理能力；Tnil為機(jī)器人在所處的場(chǎng)地中移動(dòng)最長(zhǎng)距離所需的最長(zhǎng)時(shí) 間；1"2為機(jī)器人將重物舉到最高高度所需的時(shí)間；T11,為第i個(gè)機(jī)器人在執(zhí)行第j個(gè)任務(wù)過(guò) 程中整個(gè)移動(dòng)階段所需的時(shí)間；T2l]為第i個(gè)機(jī)器人在執(zhí)行第j個(gè)任務(wù)過(guò)程中舉起重物所需 的時(shí)間；ki、k2分別表示機(jī)器人移動(dòng)能力和處理能力的效用權(quán)重，k0、k2^ 0,且其和為 1 ;
[0019] 第三步，構(gòu)建基于時(shí)間效用和能量效用兩個(gè)目標(biāo)的p個(gè)機(jī)器人相對(duì)于n個(gè)任務(wù)的 機(jī)器人時(shí)間一能量加權(quán)效用函數(shù)Q1 j:
[0021]其中，Wl、《2分別表示時(shí)間效用目標(biāo)、能量效用目標(biāo)的機(jī)器人效用權(quán)重，且 Q^Q2= 1 ;
[0022] 第四步，通過(guò)第三步中機(jī)器人時(shí)間一能量加權(quán)效用函數(shù)進(jìn)行多機(jī)器人任務(wù)分配：
[0023] Stepl:判斷時(shí)間效用權(quán)重《JP能量效用權(quán)重《2的值是否已知；
[0024]step2 :若〇 :和〇2的值已知，則判斷wi+w2是否等于1 ;
[0025] 8七6口3:若〇1+〇2/=1，則修改〇 1、〇2的值，轉(zhuǎn)8七6口2;若〇1+〇2=1，則將機(jī)器 人時(shí)間效用值矩陣U和機(jī)器人能量效用值矩陣V代入式（3)中，得到固定權(quán)重下機(jī)器人時(shí) 間一能量效用值矩陣Q:
[0028] 再通過(guò)智能進(jìn)化算法求解系統(tǒng)最優(yōu)任務(wù)分配方案，轉(zhuǎn)step6 ;
[0029]step4:若〇JP〇 2的值未知，則根據(jù)具體需要設(shè)定〇p〇2的變化步長(zhǎng)（記為s)， 并且給％和《 2分別賦初值1和〇(即令《i= 1、《 2= 〇)，并進(jìn)行step5 ;
[0030] step5 ：D0
[0031] 將機(jī)器人時(shí)間效用值矩陣U和機(jī)器人能量效用值矩陣V代入式（3)中，得到可變 權(quán)重下機(jī)器人時(shí)間一能量效用值矩陣Q;
[0038]aiSG{〇, 1} ；1 ^i^n,I^j^n
[0039]i,j,kGN
[0040] 其中，au代表所求解的基于多目標(biāo)的多機(jī)器人任務(wù)分配結(jié)果矩陣；
[0041] 當(dāng)a1]= 1，則表示將任務(wù)t,分配給機(jī)器人r1;當(dāng)a1]= 0,則表示任務(wù)t,不分配 給機(jī)器人A;
[0042] 再通過(guò)智能進(jìn)化算法求解系統(tǒng)最優(yōu)任務(wù)分配方案集；
[0043] toJ= toj-s
[0044] O2= 〇2+s
[0045] Until 〇!<〇 ；
[0046] step6 :結(jié)束。
[0047] 所述第一步中，第i個(gè)機(jī)器人在執(zhí)行第j個(gè)任務(wù)過(guò)程中所付出的移動(dòng)能量Wlj'為：
[0049] 其中，W11,為第i個(gè)機(jī)器人在執(zhí)行第j個(gè)任務(wù)過(guò)程中從其所在的初始位置運(yùn)動(dòng)到目 標(biāo)位置所耗費(fèi)的能量;W2l]為第i個(gè)機(jī)器人在執(zhí)行第j個(gè)任務(wù)過(guò)程中從初始姿態(tài)轉(zhuǎn)向目標(biāo)姿 態(tài)的過(guò)程中所耗費(fèi)的能量；F11,代表第i個(gè)機(jī)器人執(zhí)行第j個(gè)任務(wù)過(guò)程中在加速運(yùn)動(dòng)階段的 驅(qū)動(dòng)力；Sll]代表第i個(gè)機(jī)器人執(zhí)行第j個(gè)任務(wù)過(guò)程中在加速運(yùn)動(dòng)階段所移動(dòng)的直線距離； F2lj代表第i個(gè)機(jī)器人執(zhí)行第j個(gè)任務(wù)過(guò)程中在勻速運(yùn)動(dòng)階段的驅(qū)動(dòng)力；s2lj代表第i個(gè)機(jī) 器人執(zhí)行第j個(gè)任務(wù)過(guò)程中在勻速運(yùn)動(dòng)階段所移動(dòng)的直線距離；F31,代表第i個(gè)機(jī)器人執(zhí)行 第j個(gè)任務(wù)過(guò)程中在減速運(yùn)動(dòng)階段的驅(qū)動(dòng)力；S3lj代表第i個(gè)機(jī)器人執(zhí)行第j個(gè)任務(wù)過(guò)程中 在減速運(yùn)動(dòng)階段所移動(dòng)的直線距離為機(jī)器人的平均角速度J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
[0050] 所述第一步中，第i個(gè)機(jī)器人在執(zhí)行第j個(gè)任務(wù)過(guò)程中所付出的處理能量W3l]是指 第i個(gè)機(jī)器人在執(zhí)行第j個(gè)任務(wù)時(shí)舉起重物的過(guò)程中所耗費(fèi)的能量，則W3l]=n^gh;其中， m。代表被舉物體的質(zhì)量，g代表重力加速度，h代表物體被機(jī)器人舉起的高度。
[0051] 所述第二步中，第i個(gè)機(jī)器人在執(zhí)行第j個(gè)任務(wù)過(guò)