隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，多智能體協(xié)同控制平臺(tái)目前已在工業(yè)操作、巡邏偵察、災(zāi)情救援、環(huán)境勘探、智能物流、智能農(nóng)業(yè)等方面有了長(zhǎng)足的發(fā)展。智能體（Agent）的概念為無人車、無人機(jī)、無人潛艇等自主移動(dòng)平臺(tái)建立了統(tǒng)一的研究體系。多智能體系統(tǒng)的協(xié)同控制是大規(guī)模機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)際任務(wù)與操作的理論基礎(chǔ)。

PART 01    多智能體系統(tǒng)的定義、研究?jī)?nèi)容、技術(shù)原理

       多智能體系統(tǒng)是由多個(gè)可計(jì)算的智能體組成的集合, 其中每個(gè)智能體是一個(gè)物理的或抽象的實(shí)體,能作用于自身和環(huán)境, 并與其它智能體通訊。

智能體與環(huán)境交互

多智能體間通信

       多智能體系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容主要包含如圖所示的三部分: 單個(gè)智能體的動(dòng)力學(xué)模型、 智能體之間的通信關(guān)系、 每個(gè)智能體的控制協(xié)議。

多智能體系統(tǒng)的技術(shù)原理

總體設(shè)計(jì)框架圖

PART 02   多智能體系統(tǒng)的相關(guān)算法

1、分布式數(shù)學(xué)模型

2、通信拓?fù)鋱D

      為了實(shí)現(xiàn)成功的協(xié)調(diào)，智能體需要關(guān)于環(huán)境對(duì)象對(duì)自身和其他智能體的關(guān)系的信息。而通信拓?fù)鋱D則為這個(gè)問題提供了方法，在多智能體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分析和綜合中扮演重要角色,能夠讓我們集中研究拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)部連接所起到的作用。

       圖本質(zhì)上是一個(gè)理論對(duì)象的集合，但是，它可以方便地以圖形表示。圖G=(V,E)由“點(diǎn)”（如頂點(diǎn)vi——每個(gè)頂點(diǎn)就相當(dāng)于一個(gè)智能體）以及點(diǎn)之間的線構(gòu)成。其Laplacian矩陣定義為L(zhǎng)=D-A，其中L是Laplacian矩陣，D是頂點(diǎn)的度矩陣，A是圖的鄰接矩陣。

基于MATLAB實(shí)現(xiàn)的多智能體通信拓?fù)鋱D

3、編隊(duì)控制算法（Leader-Follower）

       Leader-Follower基本思想是在編隊(duì)過程中將某一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人作為隊(duì)伍的領(lǐng)導(dǎo)者，剩余的機(jī)器人作為跟隨者，在移動(dòng)過程中領(lǐng)導(dǎo)者位于隊(duì)伍的最前方引領(lǐng)隊(duì)伍，同時(shí)給跟隨者發(fā)送自身的速度位置信息，跟隨者根據(jù)領(lǐng)航者和其余跟隨者發(fā)送的信息來決定自己的位置和速度，并發(fā)布實(shí)時(shí)的速度位置信息。

Leader-Follower控制器

Leader-Follower示意圖

       智能體之間的通信拓?fù)鋱D是通過圖論中的Laplacian matrix實(shí)現(xiàn)的，并通過改變Laplacian matrix來形成不同的編隊(duì)隊(duì)形。除了以上兩種隊(duì)形，可以自由更改智能體數(shù)量和Laplacian matrix形成不同隊(duì)形。也可以增加權(quán)重矩陣來指定不同智能體之間所要保持的距離。

優(yōu)勢(shì)：原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)

4、聚集擴(kuò)散算法

       該算法的功能是模擬生物群體聚集擴(kuò)散狀態(tài)，使編隊(duì)中的智能體不斷聚集擴(kuò)散，并保證不能讓智能體之間發(fā)生碰撞。

5、隊(duì)形切換

若實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前所需要形成的隊(duì)形，并且智能體的位置誤差在一定范圍內(nèi)，則切換到下一隊(duì)形。

多智能體隊(duì)形切換仿真

6、避障算法（人工勢(shì)場(chǎng)法）

        人工勢(shì)場(chǎng)法（Artificial Potential Field）簡(jiǎn)稱 APF，屬于局部路徑規(guī)劃中常使用的一種方法。將傳統(tǒng)力學(xué)中“場(chǎng)”的概念引入該方法，假設(shè)讓智能體在這種虛擬力場(chǎng)下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。如何設(shè)計(jì)引力場(chǎng)影響著該算法的性能，同時(shí)存在容易陷入局部極小點(diǎn)的局限性。

多智能體靜態(tài)障礙物避障算法仿真

多智能體動(dòng)態(tài)障礙物避障算法仿真

優(yōu)勢(shì)：原理簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

       構(gòu)建一套前沿技術(shù)和應(yīng)用前景廣泛的多智能體協(xié)同控制仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)無人工具的編隊(duì)控制、一致性控制、聚散控制等多智能體協(xié)同控制算法進(jìn)行驗(yàn)證，促進(jìn)理論研究，加強(qiáng)理論與實(shí)際的聯(lián)系，加快開發(fā)周期、降低實(shí)驗(yàn)成本，支撐研究團(tuán)隊(duì)持續(xù)發(fā)展是非常重要的。

PART 03   中科深谷多智能體的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)

       支持教科研方向及設(shè)備先進(jìn)性中科深谷自主研發(fā)的多智能體協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、無人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)以及與之配套的無線網(wǎng)絡(luò)通信裝置組成，該平臺(tái)可以為高校實(shí)驗(yàn)室或科研機(jī)構(gòu)提供同構(gòu)和異構(gòu)智能體的控制算法驗(yàn)證，為理論成果提供實(shí)驗(yàn)支撐。

01   軟件先進(jìn)性

       多智能體集群協(xié)同研發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)過程基本符合基于模型設(shè)計(jì)(Model Based Design, MBD)流程規(guī)范。MBD是一種產(chǎn)品開發(fā)流程，它的核心思想是基于數(shù)學(xué)模型來模擬實(shí)際系統(tǒng)中的被控對(duì)象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等單元，在此基礎(chǔ)上完成各模塊核心算法功能的測(cè)試與驗(yàn)證，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期進(jìn)行錯(cuò)誤排查與代碼優(yōu)化，從而達(dá)到節(jié)約開發(fā)成本、縮短產(chǎn)品研制周期的目的。

       多智能體研究平臺(tái)開放性高，接口豐富?？梢院芊奖愕剡M(jìn)行二次開發(fā)。還可根據(jù)用戶的實(shí)際需求定制整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)，并提供相應(yīng)的技術(shù)支撐和詳細(xì)的例程和說明書指導(dǎo)。滿足用戶的個(gè)性化和差異化需求，使平臺(tái)更加契合用戶的使用特點(diǎn)和習(xí)慣，提升體驗(yàn)感和交互率，減少用戶熟悉平臺(tái)的時(shí)間成本，大大提高用戶的開發(fā)效率和體驗(yàn)。

02   硬件先進(jìn)性

       使用ARM控制平臺(tái)，適用范圍廣，運(yùn)行Ubuntu18.04、ROS1系統(tǒng)，使用多種類型總線通信方式和驅(qū)動(dòng)器通信，完成從指令下發(fā)到里程反饋的閉環(huán)控制效果。設(shè)備均采用成熟的工業(yè)伺服驅(qū)動(dòng)器，寬電壓輸入，可支持大電流高功率的電機(jī)。保護(hù)措施有編碼器連接錯(cuò)誤、過電壓、過電流等。該驅(qū)動(dòng)器的峰值電流可以達(dá)到額定電流的三倍以上，具有高動(dòng)態(tài)性能，大的峰值轉(zhuǎn)矩，低速運(yùn)行平滑，抗干擾能力強(qiáng)，采用CAN、RS485接口實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的控制。支持多種類的通信及傳感器設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng)和遠(yuǎn)程控制。

03    算法先進(jìn)性

       基于領(lǐng)航-跟隨法實(shí)現(xiàn)多智能體的編隊(duì)控制，并且經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明，具有較好的協(xié)同性能和抗干擾能力。通信拓?fù)渌惴ǖ膶?shí)現(xiàn)。基于人工勢(shì)場(chǎng)的編隊(duì)避障算法。

支持教科研方向

PART 04    基于中科深谷硬件平臺(tái)

1、開源小螞蟻移動(dòng)機(jī)器人

       開源小螞蟻移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)是適用于移動(dòng)機(jī)器人單體和多智能體控制，集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的高性能教科研平臺(tái)。其由機(jī)器人控制系統(tǒng)、機(jī)電控制系統(tǒng)、多傳感器模塊及移動(dòng)底盤組成。

2 、開源麥輪智能移動(dòng)機(jī)器人

       開源麥輪智能移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)由機(jī)器人控制系統(tǒng)、機(jī)電控制系統(tǒng)、多傳感器模塊及基于麥輪移動(dòng)底盤組成。其中，機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件基于英偉達(dá)控制器開發(fā)、軟件基于 ROS 系統(tǒng)及 MATLAB/Simulink 開發(fā)；機(jī)電控制系統(tǒng)硬件基于 STM32 開發(fā)、軟件基于 C 語言開發(fā)；多傳感器模塊硬件含有 2D 激光雷達(dá)、深度相機(jī)、IMU 模塊，軟件含有多傳感器信息融合算法包、導(dǎo)航定位算法包、機(jī)器視覺算法包；移動(dòng)底盤輪系結(jié)構(gòu)采用麥克納姆輪，可實(shí)現(xiàn)前、后、左、右、斜行、旋轉(zhuǎn)等全向移動(dòng)。

3、開源多傳感器融合移動(dòng)機(jī)器人 

       開源多傳感器融合移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)是由移動(dòng)底盤本體、控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)等組成。底盛內(nèi)置 ROS 和 MATLAB/Simulink 搭建的控制框架，采用差速控制模型，由基于 DSP 系列芯片自主開發(fā)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及輪轂電機(jī)作為動(dòng)力來源。底盤本體安裝有防碰撞傳感器、20 激光雷達(dá)、九軸姿態(tài)傳感器、深度相機(jī)。

4、開源四輪差速智能移動(dòng)機(jī)器人

       開源四輪差速智能移動(dòng)機(jī)器人采用驅(qū)控一體化底盤平臺(tái)，配合導(dǎo)航系統(tǒng)，外擴(kuò)設(shè)備，構(gòu)成智能移動(dòng) 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。車體系統(tǒng)由平臺(tái)控制系統(tǒng)、動(dòng)力控制系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)組成。采用 ROS 系統(tǒng)配合開源 SLAM 算法，完成室內(nèi)建圖、定位、自動(dòng)避障、路徑規(guī)劃；通過內(nèi)部的 5G 通信模塊、搭配北斗定位系統(tǒng)，可滿足室外無人化作業(yè)的需求。

5、四輪驅(qū)動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向移動(dòng)機(jī)器人

       四輪驅(qū)動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向移動(dòng)機(jī)器人，底盤結(jié)構(gòu)小巧，內(nèi)部空間大，載重能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)向靈活，能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎、任意方向的楔形行駛、極小轉(zhuǎn)彎半徑的阿克曼轉(zhuǎn)向；帶懸架的設(shè)計(jì)，能適應(yīng)更多的路面；采用四驅(qū)的設(shè)計(jì)，動(dòng)力和越野能力強(qiáng)；四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)靈活，軌跡跟蹤精度高，可擴(kuò)展機(jī)械臂形成移動(dòng)機(jī)械臂產(chǎn)品，也可以支持ROS、導(dǎo)航、視覺、北斗、5G系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)應(yīng)用。

6、四足機(jī)器人

       四足機(jī)器人是一款輕量型、高動(dòng)態(tài)性能的四足機(jī)器人，具備步態(tài)規(guī)劃、腿足控制、環(huán)境感知方面的先進(jìn)技術(shù)，該產(chǎn)品提供豐富的二次開發(fā)接口（USB、Ethercat、串口、CAN等）。

PART 05   中科深谷多智能體MATLAB仿真與實(shí)驗(yàn)展示

1、多智能體MATLAB仿真

       目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于多智能體協(xié)同控制平臺(tái)編隊(duì)的研究大多數(shù)還停留在理論和計(jì)算機(jī)仿真層面。中科深谷以先進(jìn)的科研設(shè)備（CSPACE實(shí)時(shí)仿真控制系統(tǒng)）和算法控制為核心技術(shù)，為高校建立該協(xié)同控制平臺(tái)旨在設(shè)計(jì)一套實(shí)用可行、可靠性強(qiáng)的多智能體協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，供高校實(shí)驗(yàn)室用于同構(gòu)和異構(gòu)智能體的控制算法驗(yàn)證，為理論成果提供實(shí)驗(yàn)支撐，同時(shí)平臺(tái)開源性強(qiáng)，預(yù)留有豐富的二次開發(fā)接口，可成為高校理論課程的實(shí)踐基礎(chǔ)。

       中科深谷長(zhǎng)期扎根于產(chǎn)業(yè)，聚焦機(jī)器人核心器件研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，同時(shí)立足教育、深化產(chǎn)教融合，致力于創(chuàng)新探索新技術(shù)與新工科產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)融合和內(nèi)在機(jī)理。為高校提供教學(xué)實(shí)訓(xùn)裝備、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、產(chǎn)學(xué)研合作、師資培訓(xùn)、專業(yè)建設(shè)、課程資源開發(fā)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等一體化服務(wù)。未來，中科深谷將持續(xù)研發(fā)創(chuàng)新，將工業(yè)等產(chǎn)業(yè)裝備設(shè)備的硬件、軟件、算法等開源開放出來，努力推動(dòng)教育與產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展！