智能服務機器人系統(tǒng)的構建方法研究.pdf

1、智能服務機器人系統(tǒng)是典型的“復雜”系統(tǒng)和典型的“信息”系統(tǒng),涉及到多個學科的理論和方法的綜合集成,所以如何科學、有效地構建智能服務機器人系統(tǒng)是一項富有挑戰(zhàn)性的課題。由于缺乏科學的系統(tǒng)分析和設計方法以及統(tǒng)一的建模理論和工具,一旦機器人所處的環(huán)境發(fā)生變化,往往需要重新設計機器人系統(tǒng),導致大量重復勞動。要使機器人適應環(huán)境的動態(tài)性和不確定性,發(fā)展具有感知和認知能力的機器人系統(tǒng)是必然趨勢。因此如何確定科學的,合適的方法來進行系統(tǒng)抽象、建模、分析和

2、設計以及如何實現(xiàn)機器人的智能化都是服務機器人基礎理論研究中迫切需要解決的問題。
　　本文以綜合集成方法論的設計理念為指導,根據(jù)智能服務機器人的特點,將問題分解為體系結構、系統(tǒng)建模與設計、機器人智能化這三個相互融合的關鍵技術來進行深入研究。用全新的視角,探索性地提出了構建開放式智能服務機器人系統(tǒng)的分析和設計方法、建模方法和智能化實現(xiàn)機制。
　　首先,對近30年來智能機器人體系結構的范式研究進行了歸類分析,總結歸納出構建智能機器

3、人系統(tǒng)的六個共性原理;在分析傳統(tǒng)研究范式缺陷的基礎上，將學習作為第四種基元融入到體系結構的設計,定性地給出了智能機器人系統(tǒng)的共性框架結構;以智能機器人的四個基元,感知、規(guī)劃、執(zhí)行和學習(S、P、A、L)為出發(fā)點,提出了構建智能機器人系統(tǒng)的基本原子模型,這種原子模型的粒度劃分給快速而有效地構建智能系統(tǒng)創(chuàng)造了充分條件;將傳統(tǒng)的基于算法和模型的小粒度構件擴展為以原子模型為基礎的大粒度構件來進行系統(tǒng)的綜合集成,提出了開放式智能服務機器人系統(tǒng)的參

4、考模型,與傳統(tǒng)的體系結構相比較,此模型更具有開放性、可重構性和更加智能化;隨后在此參考模型架構下,提出了基于體系結構的智能服務機器人系統(tǒng)開發(fā)模型,采用從基元到原子模型,再到體系結構的信息系統(tǒng)集成路線,將機器人系統(tǒng)的開發(fā)設計過程動態(tài)地分為功能設計空間、結構設計空間、系統(tǒng)設計空間和系統(tǒng)演化空間四個關鍵階段,能使系統(tǒng)設計從代碼復用向構件復用、設計模式復用乃至體系結構復用轉變,從而提高系統(tǒng)的設計質量和開發(fā)效率。磁導航智能服務機器人實例證明了該開

5、發(fā)模型不僅具有智能組織方式明確和開發(fā)效率高等特點,而且易于提取通用性模塊構件。
　　其次,在此參考模型框架下,提出了基于Agent的智能服務機器人系統(tǒng)建模方法。針對傳統(tǒng)的Agent建模中Agent模塊劃分過于寬泛和劃分方法不明確等缺陷,定性地提出了智能Agent劃分的六個原則,將傳統(tǒng)的Agent結構擴展為五大類抽象結構,并以此為基礎構建出了基于 Agent的智能服務機器人空間立體結構,實例分析證明了這種劃分和擴展方法的優(yōu)越性;針對

6、傳統(tǒng)的Agent組織結構靜態(tài)和可重構性不強等缺陷,將組織結構和多Agent規(guī)劃協(xié)作相結合,根據(jù)綜合集成的思路,提出了基于樹模型的動態(tài)邏輯結構多Agent團隊組建和評估算法,給出了多Agent的自主協(xié)作規(guī)劃模型及相應的自主協(xié)作規(guī)劃算法,通過實例分析證明了其具有動態(tài)適應性和開放性;為克服傳統(tǒng)的固定行為參數(shù)和行為模式的局限性,借鑒動物基底神經節(jié)的運行機理,提出了系統(tǒng)級的智能化動態(tài)實現(xiàn)方法,給出了基于組織規(guī)則和意愿函數(shù)融合的動態(tài)多行為選擇算法,

7、模擬仿真結果驗證了這個方法的可行性和有效性;針對單一Agent的智能化實現(xiàn),提出了基于計算方法融合的智能策略提取方法,從混合智能系統(tǒng)集成的角度出發(fā),給出了基于模糊邏輯與學習向量量化LVQ網(wǎng)絡融合以及基于Q學習與Elman網(wǎng)絡融合的智能策略提取方法。通過智能服務跟蹤機器人和反應式導航的仿真實驗驗證了相應提取方法的有效性。
　　然后,基于Agent的系統(tǒng)建模架構,討論了如何設計具有自主心智發(fā)育能力的智能Agent,提出了具有自省機制的

8、智能Agent的自主心智發(fā)育(AMD)模型,給出了基于神經網(wǎng)絡聯(lián)盟的發(fā)育體設計方法。通過實例說明了以SOFM網(wǎng)絡與回歸神經網(wǎng)絡聯(lián)盟方式來設計具有自主心智發(fā)育能力的智能Agent的方法,仿真實驗結果表明了這種設計方法的可行性和有效性。
　　最后,在前面所論述的系統(tǒng)構建理論方法框架下,構建出一種基于Agent的開放性智能服務機器人研究和實驗平臺ISR-1。并且通過智能巡檢服務機器人專用系統(tǒng)的構建實例驗證了所建立的研究平臺的開放性和本文