1、基金项目: PHR201008242，KM201010011006收稿日期: 2011 05 16第 28 卷第 7 期计算机仿真2011 年 7 月文章编号: 1006 9348( 2011) 07 0037 03机器人和软件人协同智能仿真方法与技术研究徐益群1， 左敏1， 高彦平1， 涂序彦2( 1 北京工商大学计算机与信息工程学院， 北京 100048; 2 北京科技大学计算机与通信工程学院， 北京 100083)摘要: 面向新一代电力巡检机器人的发展需求， 研究开发了机器人和软件人协同智能仿真方法与技术。首先建立了协同智能仿真的广义逻辑表达式模型， 并设计了机器人和软件人协同智能仿真平
2、台。最后进行了机器人和软件人协同智能仿真实验以验证所得结果的有效性和合理性。关键词: 机器人; 软件人; 智能仿真; 协同智能仿真中图分类号: TP242文献标识码: BTechnology of Intelligent Cooperative Simulation of Soft Man and RobotXU Yi qun1， ZUO Min1， GAO Yan ping2， TU Xu yan2( 1 School of Computer and Information Engineering，Beijing Technology and Business University，Beij
3、ing 100048，China;2 School of Computer and Communication Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)ABSTRACT: For the purpose of development of the new patrol robot in unattended power station，this paper studiesand designs the intelligent cooperative simulation of s
4、oft man and robot First，the generalized logic model of coop-erative intelligent simulation is established， and then the platform of cooperative intelligent simulation is designed Fi-nally，some simulations have been completed to confirm the effectiveness of the obtained resultsKEYWORDS: Robot; Soft m
5、an; Intelligent simulation; Intelligent cooperative simulation1引言电力对国民经济的发展有着极其重要的基础支撑作用。随着科技的进步， 大机组、 大容量的变电站正逐步向无人值守的方向发展， 采用机器人对无人值守的环境下的设备进行自动巡检就显得极其重要。本论文中的机器人来源于北京市电力科技项目“无人变电站自动化系统主辅一体化监控”的项目中成功研制的电力巡检机器人。电力巡检机器人为保证北京供电系统正常运行、 保障电力设备的安全可靠提供了特种助手。但是当前巡检机器人的科技化与智能化水平仍然有限， 在巡视作业自动化、 虚拟仿真智能化、 人机交
6、互协同化等方面仍亟待提高。软件人是拟人的软件人工生命， 是人的自然生命在软件世界里的模拟、 延伸和扩展1， 2 ; 机器人是软硬件结合、 活动于三维物理空间的智能实体。两者在概念、 原理、 机制上相互区别、 各有所长; 而在理论、 技术与方法上又交融渗透、 互为借鉴3， 4 。把软件人所具备的更全面的拟人智能、 行为、 功能移植到机器人的控制系统当中， 将进一步提升电力巡检机器人的环境感知、 动态决策与规划能力， 使之真正成为能实现自动化作业、 智能化监控、 科学化决策的变电站智能巡视系统。本论文主要研究机器人和软件人协同智能仿真的方法与技术。系统仿真特别是计算机仿真在研究开发与工程应用方面，
7、 取得了显著进展和重大成就。在机器人的研究领域， 采用计算机仿真技术是开展机器人技术研究的基础和有效手段。为了提高计算机仿真系统的智能水平， 涂序彦教授提出智能仿真的概念5 。目前， 计算机仿真技术正从传统的、 离线的、 非实时的、 串行的系统仿真， 向现代的、 在线的、实时的、 并行的协同智能仿真发展。协同智能仿真的理论基础是 : “协调学 ” 。“协调学” ( Coordinatics) 是研究复杂大系统中各小系统如何协同、 协商、 协力、 协作，实现 “协调化” 的理论、 方法和策略。协同智能仿真的设计思想是为了在复杂大系统建模与仿真过程中实现“人人协调、 人机协调、 机机协调” 的设计
8、目标。本论文主要研究机器人和软件人协同智能仿真的方法与技术， 主要内容包括建立机器人和软件人协同智能仿真模型， 设计机器人和软件人协同智能仿真平台， 并进行机器人和软件人协同智能仿真实验。2机器人和软件人协同智能仿真模型系统建模是系统仿真的前提条件和理论依据。通常， 系统建模意味着建立系统的数学模型， 但是， 由于传统数学模73型的局限性和实际系统的复杂性， 在系统建模工作中， 还存在不少困难。传统的数学模型及建模方法缺乏自学习、 自适应、 自组织能力， 难以适应复杂大系统建模的实际需要， 为了解决复杂大系统建模的实际困难， 突破数学模型的局限性，提出广义模型的概念和建模方法。协同仿真模型的广
9、义逻辑表示式如式( 1) 所示。AI + STISTCT + ISTCIST( 1)式中:AI 人工智能( Artificial Intelligence) ， 简称 AI， 如: 专家系统等;ST 仿真技术( Simulation Technology) ， 简称 ST， 如: 仿真模型、 仿真算法等;IST 智能仿真技术( Intelligence Simulation Technolo-gy) ， 简称 IST， 如: 智能仿真界面、 广义仿真模型等;CT 协调技术( Coordinate Technology) ， 简称 CT;CIST 协同智能仿真。协同智能仿真可实现机器人的自主巡检
10、作业， 包括: 协同环境构建、 协同路径规划与业务管理， 以及机器人运动跟踪、 作业状况预测和故障预警 6。典型的软件人和机器人的协同仿真模型如图 1 所示。图 1软件人和机器人的协同智能仿真模型在软件人和机器人的协同智能仿真模型中， 管理软件人将作业任务传递给控制软件人， 管理软件人根据作业任务建立作业任务的镜像模型， 同时对作业任务进行实时的仿真计算， 并将结果传递给控制软件人， 控制软件人通过协调控制，控制机器人执行作业。同时， 控制软件人接收执行作业的反馈， 并将反馈信息传递给管理软件人， 管理软件人继续进行仿真， 直到协同完成全部的作业任务。软件人和机器人协同智能仿真流程图如图 2
11、所示。根据软件人和机器人的协同智能仿真流程图， 我们可以建立软件人和机器人协同仿真流程的多重广义算子模型， 广义算子方程组如式( 2) 所示。Yt Kt( ) UtYo Ko( ) ( Uo Vco)Ym Km( ) UmYs Ks( ) UsYc Kc( ) ( Uc Vf)Y Kc( ) YcYc Kc( ) ( Uc Vf)( 2)图 2软件人和机器人的协同仿真流程图3机器人和软件人协同智能仿真平台构建协同智能仿真平台是实现机器人和软件人平行进化、 智能协调的软硬件基础， 在协同智能仿真平台上可以验证机器人和软件人平行进化算法及智能协调算法。 协同智能仿真平台硬件部分由变电站内巡检机器人
12、和变电站内的管理服务器构成， 巡检机器人为移动的轮式机器人。 在移动的轮式机器人上搭载具备状态反馈的全方位摄像机以及专门用于地面监控的固定摄像机， 同时还搭载用于业务巡检的红外测温仪， 以及无线射频数据采集器。巡检机器人的嵌入式工业控制计算机中运行控制软件人程序， 控制软件人全面控制巡检机器人的各种执行机构。控制软人与机器人执行机构构成局部控制级平行系统， 控制软件人通过多种软件功能构件对机器人执行机构进行协调控制， 完成局部控制级的平行进化; 在管理服务器中运行管理软件人， 管理软人通过无线局域网络与巡检机器人相连接， 管理软件人与控制软件人共同构成协调管理级平行系统， 管理软件人还实时采集
13、巡检机器人工作场景中的监控摄像机的视频信号， 并通过视频识别算子的视频识别得到机器人的物理空间数据( x， y， ) ， 这种并行、 在线、 动态、 闭环的结构可实时的掌控巡检机器人的各种运行状态。 在这个平台上可以完成巡检机器人的自主巡检作业， 包括: 协同环境构建、协同路径规划与业务管理， 以及机器人运动跟踪、 作业状况预测和故障预警。 机器人和软件人协同智能仿真平台如图 3所示。4机器人和软件人协同智能仿真实验根据以上模型我们可以让机器人和软件人协同完成一个优化路径的自动巡检。 首先控制软件人接收任务并将任务传递给管理软件人， 管理软件人与控制软件人协同计算出最优路径， 控制软件人根据路
14、径控制机器的运动控制系统， 管理软件人通过安装在工作环境顶部的摄像机得到机器人在路径跟踪时的实时坐标( x， y) ， 姿态角 。 管理软件人根据反馈数据修正机器人的运动， 这种反馈就实现了机器人的轨迹跟踪。 从已发表的文献看， 轨迹跟踪控制问题都利用了两个83图 3机器人和软件人协同智能仿真平台控制器实现对移动机器人的控制。 实际应用中只用一个控制器就能实现对机器人的控制。 因此， 本文设计基于一个控制器的控制结构实现移动机器人的轨迹跟踪控制。 在此控制结构下可以最少的控制输入使移动机器人跟踪期望的轨迹。 机器人的运动学模型如式( 3) 、 式( 4)所示。v( )=12121L1 LvLv
15、( )R( 3)p =xy=12cos12cos12sin12sin1L1LvLv( )R( 4)基于机器人左右轮速度调节的控制结构如图 4 所示。图 4移动机器人的轨迹跟踪的控制结构基于主动补偿的自适应控制器如式( 5)所示。u = n1i =0hizi+1dd = +n1i =0kizi+1 = kn1 kn1n1i =0kizi+1n2i =0kiz( 5)式( 5)中， 参数 hi，i = 0， 1， ， n 1， 的选取要使 h( s)= sn+ hn1sn1+ + h1s + h0的特征值在 s 平面的左半部。从实际应用的结果看， 利用基于调节机器人左右轮速度的控制结构仅用一个控制
16、器就能实现对期望轨迹的跟踪7， 8 。 在协同智能仿真平台中， 除了可以实现上述的机器人和软件人的最优路径求解， 机器人对生成的最优路径跟踪，管理软件人对机器人在最优路径上的跟踪的监控与修正， 管理软件人对控制软件人控制参数的优化外， 还可以实现巡检机器人在未知环境中通过平行进化的 Q 学习算法实现避障， 未知环境的地图构建， 多传感器的融合等。5结论本论文以无人变电站巡回检测移动机器人智能监控系统为工程应用对象， 研究了机器人和软件人协同智能仿真的方法与技术， 给出了协同智能仿真的广义逻辑表达式模型，建立了机器人和软件人协同智能仿真平台， 并进行了机器人和软件人协同智能仿真实验。所得的研究结
17、果将有助于提高无人变电站巡检机器人监控系统的智能化、 拟人化水平，为移动机器人控制与管理提供新方法、 新技术， 为无人变电站自动化水平的提高与普及， 提供广阔的发展前景。在未来的工作中， 我们将进一步研究开发多机器人与多软件人的协同仿真的理论方法与实现技术。参考文献: 1曾广平， 涂序彦 “软件人” 的概念模型与构造特征J 计算机科学， 2005， 32( 5) : 135 136， 143 2曾广平， 涂序彦 “软件人” C 广州: 中国人工智能学会第十届全国学术会议， 2003， ( 12) : 677 682 3马忠贵， 叶斌， 曾广平， 涂序彦 基于 演算的软件人群体形式化建模 J 北
18、京理工大学学报， 2006， 26( 2) : 130 134 4卢庆龄， 曾广平， 张威， 涂序彦 软件人个体模型研究J 计算机工程与应用， 2005， 30: 49 51 5涂序彦， 霍玉梅 面向知识经济的智能仿真技术J 计算机仿真， 1999， 16( 3) : 1 3 6雷艳敏， 冯志彬， 宋继红 基于行为的多机器人编队控制的仿真研究 J 长春大学学报， 2008， 18( 4) : 40 44 7T Sato，A Inoue Improvement of tracking performance in self tuning PID controller based on gener
19、alized predictive controlJInt J Innovative Computing，Information and Control，2006， 2( 3) : 491 503 8蔡自兴， 崔益安 多机器人覆盖技术研究进展J 控制与决策， 2008， 23( 5) : 481 485 作者简介徐益群( 1981 ) ， 女( 汉族) ， 山东临沂人， 硕士研究生， 主要研究领域为信息管理与信息系统;左敏( 1973 ) ， 男( 汉族) ， 安徽铜陵人， 副教授， 硕士研究生导师， 主要研究领域为人工智能与智能管理;高彦平( 1982 ) ， 女( 汉族) ， 河南开封人， 博士， 讲师， 主要研究领域为复杂系统控制;涂序彦( 1935 ) ， 男( 汉族) ， 江西南昌人， 教授， 博士研究生导师，主要研究领域为人工智能。93
