自主地面机器人分布式体系结构和层次一致性研究

论文摘要

自主地面机器人技术是智能机器人研究领域的热点。自主地面机器人体系结构把感知、融合、建模、规划、决策、行动等多种模块结合起来,使得机器人系统在复杂环境中完成地面自主导航任务。近年来,分布式体系结构由于其良好的扩展性和容错性成为机器人体系结构中倍受关注的研究分支。在分布式体系框架下,机器人和多机器人被统一地建模为一个分布式计算系统。因此,在不同分布式节点之间的数据一致性成为保证机器人系统正常运转的重要问题。本文基于上述原因重点研究了分布式体系结构和数据一致性问题。论文首先调研了自主地面机器人的技术发展,探讨了多种经典的体系结构技术,介绍了一致性算法在分布式系统中的上下文。在上述调查研究的基础上,论文提出了一种分布式的自主地面机器人体系结构。该体系结构将功能模块建模为智能体,并将智能体分类为感知、处理、效用三类。所有智能体构建在一个提供数据和消息传输、全局状态发布和一致性维护的连通环境之上,分布运行于不同的计算节点上,具有独立的数据输入、输出和处理流程。根据作业目标和环境的需求,智能体被组织成异步导航流水线,实现高效率的地面机器人导航。该体系结构可以自然地扩展为多机器人体系结构,并和其他智能系统一样提供多系统之间的互操作。各种环境的导航测试验证了自主地面机器人体系结构的鲁棒性和扩展性。多智能体连通环境中的一致性维护在机器人体系结构中具有重要的意义。论文在对三种经典一致性算法研究分析的基础上,提出了一种应用于分布式机器人系统的一致性算法。该算法将一致性需求分为两个层次。第一个层次是单机器人内部的一致性需求,主要保证主运行多智能体和备份运行多智能体之间数据一致。当主运行智能体崩溃时,备份智能体可以无缝地替代工作,从而使得个别重要智能体的崩溃对整个系统不构成危害。第二个层次是多机器人之间的一致性需求,维护多机器人之间数据共享和更新。仿真和场地实验表明,层次一致性算法适用于多机器人任务执行。最后,论文总结了研究工作,并尝试提出了将来可能的研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.2.1 自主地面机器人
• 1.2.2 自主地面机器人体系结构
• 1.2.3 分布式系统的一致性算法
• 1.2.4 研究现状评述
• 1.3 本文研究工作
• 1.4 内容安排
• 第2章 分布式体系结构
• 2.1 多智能体模型
• 2.1.1 智能体结构
• 2.1.2 智能体分类
• 2.1.3 多智能体结构
• 2.1.4 多机器人扩展
• 2.1.5 互操作模型
• 2.2 多智能体消息流
• 2.2.1 信息传递支撑平台
• 2.2.2 智能体数据流
• 2.2.3 事件和状态
• 2.3 实验
• 2.3.1 实验平台
• 2.3.2 实验过程
• 2.3.3 实验分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 层次一致性算法
• 3.1 经典的一致性算法
• 3.1.1 Paxos一致性算法
• 3.1.2 Mencius算法
• 3.1.3 Heard-Of模型
• 3.2 层次模型和算法
• 3.2.1 层次模型
• 3.2.2 改进算法
• 3.3 实验
• 3.3.1 仿真实验
• 3.3.2 场地实验
• 3.4 本章小结
• 第4章 结论与展望
• 4.1 总结
• 4.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间主要研究成果
• 致谢