一种机器蜜蜂的集群控制方法与系统与流程

本发明属于智能机器人应用领域和集群控制领域，具体而言，是一种机器蜜蜂的集群控制方法与系统。

背景技术：

随着计算机和机械自动化技术的快速发展，促使人们不断开发新的智能机器人来帮助我们做复杂，精细，危险，工程量浩大的工作，来减轻我们的压力和保护人身安全。一些新型机器人的出现，为我们的生活带来很多便利，例如月球探测仪，排爆机器人，服务型（饭店服务型，迎宾型）机器人，无人机。

但是，目前机器人大都停留在单个个体完成一个任务，缺点是显而易见的。

首先，机器人个体能力往往是有限的，常常会遇见单个个体不能完成的任务。特别是在搜索、救援、战场等复杂场景，单个个体显然无法胜任，即使使用多个单个的机器人也难以胜任，甚至很容易妨碍人们的正常秩序。单个机器人的“智商”是有限的，其控制芯片往往只能完成预定难度的计算任务，在执行任务的过程中，往往会出现超过单个机器人“智商”的场合。

其次，目前机器人领域任务分配困难，特别是大任务、多任务。当任务为绘制地图、测量某个复杂建筑时，逐一给机器人下达具体指令极为复杂的。在完成某个复杂任务时，没有涉及到相互协作，靠人工给机器人持续分配任务和人工协作会导致任务完成效率低下。在执行任务的过程中，也会出现各种意想不到的情况，如机器人与控制者失去联系，如果此时失去了人工干预，机器人在智能不足的情况下往往会导致任务失败。

最后，机器人也是有一定故障几率的，在单个机器人作业的情况下，单个个体的失败往往就意味着整个任务的失败。在复杂的多机器人任务中，每个机器人都有具体的任务，缺一不可，无可替代，一旦一个环节（机器人）出问题后，整个任务都会受影响，比如流水线上的机器手。

近年来出现的集群控制是一种有效的解决方案。而集群行为是一种生物的集体行为，最典型的例子是外观上看起来一群实体聚集在一起兜圈或朝特定方向行动。生物界中的昆虫、鸟类、鱼类、水生动物、人与细菌都会出现集群行为。更好的方案就是给机器人集群一个整体任务，群体自行分解、协同、分段作业、无缝的完成任务。但是，目前市场上还没一种机器蜜蜂的集群控制方法与系统。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：一种机器蜜蜂的集群控制方法与系统，包括机器蜜蜂系统，集群控制系统；机器蜜蜂系统包括协同控制器、传感器模块，定位系统、执行机构、通信模块；集群控制系统包括控制器，通信模块，同步模块；

当需要机器蜜蜂执行同一任务时，集群控制系统的控制器，用于计算和产生机器蜜蜂的集体所需的任务信息和资源需求；同步模块用于产生同步信息，统一整个群体中各个机器蜜蜂个体的时间标准；通信模块将集群控制系统的控制器产生的任务信息和资源需求，以及同步模块产生的同步信息发送到每个机器蜜蜂；机器蜜蜂的通信模块能够接收集群控制系统的通信信号，以及其他机器蜜蜂系统的通信信号；接收到通信信号后，能够根据自身当前任务和资源情况予以响应；机器蜜蜂系统的传感器模块会感知外界的实时状态；定位系统探测机器蜜蜂所在的实时位置及周围环境信息；执行机构用于完成各种机器蜜蜂预先定义的动作，包括起飞、飞行、降落、加速、减速、采蜜等；采集的数据通过机器蜜蜂系统的通信模块传输给同团队的其他机器蜜蜂，以便进行信息的共享和蜜蜂集群的协同；协同控制器对能够与其他机器蜜蜂的协同控制器进行分布式计算，通过通信模块组成分布式集群协同控制器，能够根据各自的物理状态和任务的状态、以及邻近蜜蜂的相关信息进行分析和协同计算，进而调整本机器蜜蜂的位置和相应的动作，达到协同完成同一个任务的目的。

集群控制系统与机器蜜蜂系统是一对多的关系，他们之间能够通过通信模块来联系。

所述集群控制系统，包括控制器，通信模块，同步模块，不需要保持一直与机器蜜蜂系统联网，只需要布置任务的时候联网布置一次任务就可以；当布置任务的时候，所有机器蜜蜂系统均在集群控制系统的通信模块工作范围内，能够接收到集群控制系统的通信模块发布的任务信息。

机器蜜蜂系统的协同控制器能够通过通信模块与附近的其他机器蜜蜂系统的协同控制器组成分布式计算网络，共同完成集群控制系统的控制器下达的任务目标。

机器蜜蜂系统根据传感器模块感知外界的信息，以便与附近的机器蜜蜂控制协调，指导协同控制器控制机器蜜蜂系统内的四个模块的工作，来协同完成相应的任务动作；机器蜜蜂系统的传感器模块包含视觉感知（包括摄像头），嗅觉感知，以便能够识别花朵花粉，躲避障碍物，和帮助识别其他情况（例如通过视觉和通信识别机器蜜蜂）。此外，机器蜜蜂依靠计算机视觉（传感器模块和定位系统）对环境进行检测，分析周围环境的特征，实现自我规划路径，躲避障碍物。

机器蜜蜂系统根据定位系统能够定位机器蜜蜂自身的位置，以便成为和同伴进行信息交流、任务分配和操作调整的依据。

机器蜜蜂系统通过执行机构控制机器蜜蜂的当前各类动作，包括飞行机构、爬行机构、采蜜机构等。

机器蜜蜂系统通过通信模块可以和其他机器蜜蜂系统通信，也可以和集群控制系统通信，优选地，使用自组织网络。

集群控制系统的控制器用于获取用户的指令和任务数据，并将用户的指令和任务数据进行分解计算，分配给机器蜜蜂集群。

集群控制系统的通信模块，用于信息传输，包括向多个机器蜜蜂系统发布任务的信息，也可以接收来自多个机器蜜蜂系统的数据（如机器蜜蜂传回图像、任务完成回归报告），还可以向多个机器蜜蜂系统发布同步信息和时间信号。

集群控制系统的同步模块是标准的时候信号，用于调控整个机器蜜蜂集群的时间，确保不同机器蜜蜂在接收任务时能够统一各自的时间标准，并接收机器蜜蜂传回的同步成功或失败的信息。

通过分布在各个机器蜜蜂体系统内的协同控制器联网组成分布式计算网络，完成任务的分解计算和机器蜜蜂的行为控制，进而控制着整个群体；用户只需要分配一次任务，任务分配完以后，在整个任务执行过程中，不需要强制的中心控制器和用户的干预；机器蜜蜂系统具有自治的特质，之间彼此高度连接，互相感知，某一只机器蜜蜂的故障不影响整个任务的顺利完成。

本发明一种机器蜜蜂的集群控制方法与系统，主要具有以下优点：

首先，能完成个体无法胜任的任务。通过多个机器蜜蜂的分布式计算提高其“智商”和“能力”，多个机器蜜蜂能够表现出比单个机器蜜蜂更聪明的“智商”和更强大的“能力”，能够完成更加复杂、需要更高“智商”的任务。集群控制的机器蜜蜂，单个个体的“智商”仍然是很低的，但是能够多个机器蜜蜂协作和分布式计算，在全局性能和整体性能上能表现出更高的“智商”和计算能力出来。

其次，蜜蜂集群的控制和任务分配简单。用户仅需一开始把指令和任务信息发送给机器蜜蜂集群即可，由机器蜜蜂自行分配和分解任务。执行任务时，机器蜜蜂的个体是独立行动，行动是本地的和独立的；机器蜜蜂仅需要本地信息即可行动，即使无法知道全局信息，个体也能行动；并且它们行动匿名，独立于身份，不了解个体信息也能完成任务。在一定区域内的机器蜜蜂能够自行避开同类、障碍，保持良好有序的空中交通，不需要用户的干预。

再次，集群的机器蜜蜂能够提高故障冗余度。单一的高可靠机器人可能会因故障失效从而影响任务执行，但是集群中即使有一个或几个机器蜜蜂失效，集群整体也能继续工作确保任务的顺利完成，所以本发明的机器蜜蜂集群稳定性好，可靠性高，鲁棒性高。目前的无人机通信模式主要以单机与地面站通信方式为主，信息传输仍是集中式的，去中心化的机器蜜蜂集群利用自组织网技术可以实现无人机之间信息的高速共享，同时提高集群的抗故障与自愈能力。

最后，本发明能解决有限空间内多机器之间的冲突，以低成本，高度分散的形式满足功能需求。本发明的单个机器蜜蜂体积小、成本低、结构简单、芯片要求不高，集群的机器蜜蜂能够以低成本完成类似分布式探测、分布式计算、分布式投票、分布式攻击等高难度任务，通过多个简单的小平台的协作以更高的标准完成目标。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明所述一种机器蜜蜂的集群控制方法与系统的系统结构示意图。

图2是本发明所述一种机器蜜蜂的集群控制方法与系统的多机器蜜蜂终端组的设计实施。

图3是本发明所述一种机器蜜蜂的集群控制方法与系统的系统工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

如图1所示，为本发明实例提供的一种基于机器蜜蜂的集群控制系统的系统结构示意图，包括如下模块：

协同控制器（101）、传感器模块（102）、定位系统（103）、执行机构（104）、通信模块（105）、控制器（106），通信模块（107），同步模块（108）。

协同控制器（101）的硬件分为cpu模块、电源模块、数字i/o输入模块、数字i/o输出模块和模拟i/o模块，通过底板连接模块将各个模块连接起来。电源模块为各模块提供各种等级工作电压；cpu模块是整个协同控制器系统的核心，与其他i/o模块构成虚拟plc系统，通过在cpu模块内移植嵌入式系统，以执行应用程序，并采集输入模块的信号，经过处理控制其他i/o模块的输出，达到实现功能定制的目的。协同控制器的cpu。协同控制器，优选地，使用armcortex-a9微处理器作为控制芯片，超过2.0dmips/mhz，最高可配置2mb的缓存内存，适用于要求高性能、低功耗、成本敏感、基于单核处理器的方案；扩展16mb容量的sdram用来执行内部的嵌入式操作系统，以提高整个系统的运行速度；扩展8mb容量的flash芯片作为嵌入式操作系统及应用程序的存储；rs232通信接口1作为整个装置的监视接口，通过上位机提供的接口软件监控系统的启动信息，同时作为调试接口，可以通过命令实现对装置系统变量的设置等功能；以太网接口实现与上位机的通讯，快速下载嵌入式系统和应用程序，监视系统运行状态变化，实现上位机与虚拟plc系统之间的信息交互；i2c总线接口与基于该协议的外设器件进行通讯。接口信号处理模块要实现装置与外部i/o接口的联系。为了抑制噪声信号和防止灵敏电路因外部电压突变而引起损坏，数字i/o电路需要使用光电耦合器，通过上拉电阻和光电耦合器实现信号输入，通过下拉电阻和光电耦合器实现信号输出。模拟量i/o电路选用pcf8591芯片。电路预处理部分主要完成信号滤波、电平转换等功能，先将现场的模拟量转变为a/d转换后适用的电压信号后再进行转换。电压输入信号通过滤波和电压钳制电路，再进行电平增益转换输入到a/d接口；如果是4～20ma电流输入，首先进行i/v转换再进行处理。pcf8591的模拟量输出信号经过内部保持器保持，以便在新的输出信号到来之前，能维持已有的输出信号不变，从而使执行机构驱动信号得到保持，保持器的输出信号经过滤波、增益转化和功率放大电路送到执行机构，输出0～10v的电压，控制执行机构按要求的控制规律动作。

协同控制器（101）的整个软件系统由四部分组成，依次为bootloader引导程序、linux操作系统、系统服务程序及用户应用程序。bootloader主要完成硬件检测和系统的引导；操作系统主要管理系统硬件设备，屏蔽硬件的具体细节，向上层的应用程序提供标准接口，方便应用程序的编写和移植；系统服务程序向用户提供服务的应用程序，为用户的应用程序提供必要的服务；用户应用程序在本装置中为实现虚拟plc功能的程序代码。将u-boot作为引导装载程序，初始化硬件设备并建立内存空间的映射图，从而使系统的软硬件环境达到合适状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。然后解压内核映像，再跳转到内核映像入口。linux操作系统包括linux内核和根文件系统两部分：linux内核根据本装置的实际硬件情况，将linux系统及各种设备驱动进行移植。linux内核针对虚拟plc系统的cpu目标板进行内核编译，实现cpu模块的各种设备驱动，包括网络接口、rs232串口、i2c总线驱动、装置3种运行状态中断驱动等；根文件系统用于存放各种工具（linux命令等）、应用程序、必需的链接库等，装置采用ramdisk作为根文件系统，它将内存ram和磁盘disk联系起来，在内存中开辟一块空间当做磁盘使用。执行用户的init程序，完成系统初始化、启动相关服务和管理用户登录等工作。系统服务程序主要包括以下几个部分：利用lrz/lsz工具包编译生成rz，sz工具，实现串口上应用程序的上传与下载；利用bftpd工具编译生成ftp服务器客户端程序，实现上位机登录服务器并进行应用程序的上传与下载；编写装置状态判断程序，通过读取3种不同的状态来实现装置的下载、运行和停止。用户应用程序是将plc的梯形图程序编译生成的可执行文件，由于ramdisk加载在内存sdram中运行，掉电后数据不保存，因此为了保存下载后的装置可执行文件以及一些需要保存的数据，制作jffs2文件系统，使其能高效直接地对flash芯片进行操作，同时充分考虑意外断电的情况，当linux系统启动后，jffs2文件系统自动挂载到ramdisk某个文件夹，用户可以很方便地进行应用程序的创建和保存。

所述传感器模块（102），主要包括视觉感知设备（摄像头）、嗅觉传感器、触觉感知设备。传感器模块是实时检测机器蜜蜂的运动及工作情况，根据需要反馈给协同控制器，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器蜜蜂的动作符合预定的要求。传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各肢体的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至协同控制器，形成闭环控制。一类是外部信息传感器，用于获取有关机器蜜蜂的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、嗅觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。

所述视觉传感器，安装于机器蜜蜂蜂眼的位置,用于获取机器蜜蜂在三维空间中的位置、帮助识别花朵，花粉，障碍物或者任务目标等等。优选地，使用品牌:alineofdefense/一号防线，型号:带云台网络摄像机，可变焦，感光面积:1/3英寸，有效距离大于30m，镜头大小规格2.8mm。进一步地,所述摄像头由两个以上不同角度摄像头组成阵列，以形成全方位的位置监控；进一步地,所述摄像头与三维定位跟踪设备共同完成用户的跟踪定位，进一步提高位置定位、分析、判断、碰撞计算和运动轨迹分析和演化。

所述嗅觉传感器，安装于机器蜜蜂蜂眼下的位置,主要部件是气敏传感器，用于查找味源（比如查找盛开的花朵，识别花粉）。气味分子被机器嗅觉系统中的传感器阵列吸附，产生电信号；生成的信号经各种方法加工处理与传输；将处理后的信号经计算机模式识别系统做出判断。

所述触觉感知设备是力反馈所产生的感知信息，安装于机器蜜蜂的肢体上，包括接触觉、压觉、力觉和滑觉。接触觉，检测与对象是否接触，接触的位置，确定对象位置，识别对象形态，控制速度，安全保障，异常停止，寻径；传感器件包括光电传感器、微动开关、薄膜特点、压敏高分子材料。压觉，检测对物体的压力、握力、压力分布，控制握力，识别握持物，测量物体弹性；传感器件包括压电元件、导电橡胶、压敏高分子材料。力觉，检测机器蜜蜂有关部件（如足）所受外力及转矩，控制足的移动，伺服控制，正解完成作业；传感器件包括应变片、导电橡胶。滑觉，检测垂直握持面方向物体的位移，重力引起的变形，修正握力，防止打滑，判断物体重量及表面状态；传感器件包括球形接点式、光电旋转传感器、角编码器、振动检测器。

执行机构（104）安装于机器蜜蜂体内，包括飞行机构、爬行机构、采蜜机构等，每个机构都包括驱动电路和机械装置。驱动电路是驱使执行机构运动的电路，按照协同控制器发出的指令信号，借助于机械装置使机器蜜蜂进行动作（比如飞行、加速、减速、降落、肢体动作等）。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。优选地，使用电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，以便减小体积。

定位系统（103）安装于机器蜜蜂体内，包括测量自身位置和与周围事物的距离。测量自身位置时，采用gps定位。位置觉，负责检测物体的位置、角度、距离，检测物体空间位置、判断物体移动；传感器件为光敏阵列、ccd等。检测与对象是否接触，接触的位置，确定对象位置，识别对象形态，控制速度，安全保障，异常停止，寻径，传感器件为光电传感器、微动开关、薄膜特点、压敏高分子材料。优选地，当测量自身与周围的距离时，传感器采用红外传感器，红外传感器定位具有灵敏度高、结构简单、成本低等优点，它们角度分辨率高，而距离分辨率低，因此在移动的机器蜜蜂中，用作接近觉传感器，探测临近或突发运动障碍，便于机器蜜蜂紧急停障和躲避。

通信模块（105）安装于机器蜜蜂体内。通信模块（107）安装于集群系统中。利用多个zigbee模块通过无线通信的方式组成的一个多级中继的自组织的网络系统，且zigbee之间可以相互协作地感知、采集和处理区域中的zigbee设备。优选地，使用zigbee无线模块和wifi模块，zigbee无线模块节点采用ti公司的cc2530作为主控制器芯片。该芯片是用于2.4ghzieee802.15.4、zigbee和rf4ce应用的一个真正的片上系统解决方案。它结合了领先的rf收发器的优良性能，基于51内核，系统内可编程闪存，8kbram和许多其它强大的功能。具有低复杂度、低功耗、低速率、低成本、自组网、高可靠、超视距的特点，是一种基于自组网、多点中继，可实现网状拓扑的组网协议。并且，zigbee有单播方式和广播方式，方面总部的控制器向机器蜜蜂发出任务信息，也能让机器蜜蜂之间进行交流。单播方式是数据由一个源设备，发送至一个目标设备；在单播方式下，数据由源设备发出，直接或者经过几级中转后，发送至目的地址。加入zigbee网络的所有设备之间都可以进行单播传输。具体路由关系由协调节点/路由节点进行维护、查询。广播方式是数据由一个源设备，发送给整个网络中的所有设备；在广播方式下，数据由一个设备发送信息直接或者经过路由中转，发送到整个zigbee网络的所有设备，其目标地址使用16进账的ffff。在为那的设备中只有协调器才支持广播方式。wifi是一种允许电子设备连接到一个无线局域网（wlan）的技术，优选地，使用2.4guhf或5gshfism射频频段；传输速度非常快，可以达到54mbps，符合所述集群系统向机器蜜蜂发出任务信息的要求。

控制器（106）安装于集群系统中，主要用于发射任务信息。由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个集群系统的操作。推荐用研华uno-2171-p12e。设备类型：工业控制器。功能概述：板上集成celeronm1.0ghz，512mbddrdram提供512kb电池备份sram支持lm传感器,可获取cpu和板卡温度，用于监测2个rs-232和2个rs-232/422/485端口，带自动数据流控制2个10/100base-trj-45端口2个usb和1个typei/iipc卡2个可选pc/104扩展windowsce.5.0和windowsxpembedded解决方案支持windows2000/xp和linux驱动程序。产品特性1：p-m1.4g，1gbramuno-2171。

同步模块（108）安装于集群系统中，包括显示屏和服务器。一方面通过通信模块接收到机器蜜蜂发回的信息，经控制器处理可视化到显示屏上，二来调控机器蜜蜂的时间等信息，保持他们的时间等标准的统一。同步显示可用：led全彩屏led显示屏同步控制发射盒t13e或者led全彩高清显示屏led全彩屏usb专利同步控制卡发射卡。显示屏可用：鑫彩晨ph4表贴三合一室内全彩led显示屏，参数：一般规格：产品规格ph4，像素直径4mm，点中心距4mm，象素密度62500点/㎡，单元板尺寸256×128mm。显示规格：屏体分辨率128×128，显示基色全彩，象素组成1r1g1b，可视角度水平：140°垂直：100°，可视距离3-25m，白平衡亮度≧2000cd/㎡，显示模式同步显示。电气规格：最大功率2600w/㎡纠错，平均功率1800w/㎡，工作电压ac220v±15%50hz。其他规格：刷新频率180hz，驱动方式1/16扫描（动态），传输距离100m（无中继），工作环境存贮温度：-40-85℃工作温度：-10-50℃，使用寿命7500-10000小时，产品重量18kg/m2，其他性能亮度调节方式：亮度感应自动调节：16级可调，计算机操作系统：win98、winxp、win2000,etc，软件手动调节：100级可调100，视屏信号：rf、s-video、rgb、rgbhv、yuv、yc、composition等，控制系统：pctv卡（可选optional）+dvi显卡+主控卡+光纤传输（可选optional）。

如图2所示，为本发明所述一种机器蜜蜂的集群控制方法与系统的内部实施例，当机器蜜蜂的通信模块经选频，解调接收并处理到来自集群系统发出的信号后，将处理后的信息交至协同控制器，协同控制器器在结合输入模块中包含的定位模块，经gps（主要是gps）定位，传感器模块经视觉，嗅觉，触觉系统搜集到的信息资料对任务进行分解计算。其中，协同控制器对的硬件中的cpu负责计算，通过数字i/o输入模块输入数据，模拟i/o模块用于平衡信号进行电路预处理，主要完成信号滤波、电平转换等功能，先将现场的模拟量转变为a/d转换后适用的电压信号后再进行转换，必要时存储器会对数据信息进行存储。通过数字i/o输出模块输出信息，得出最适合目前机器蜜蜂操作的一套方案，然后交由执行机构去执行，执行机构得到来自协同控制器的方案后，按照指令通过控制机器蜜蜂的肢体（翅膀，足，触角，嘴，吸管等）来完成相应的动作，进而完成任务。必要时，机器蜜蜂还会通过它的通信模块向外（其他机器蜜蜂或者集群系统）经调制，发射模块发射信号。整个期间，电源模块会给整个机器蜜蜂的内部所有结构供电。

如图3所示，为本发明实例提供的机器蜜蜂系统的工作流程示意图，用户打开集群系统的终端后，系统启动，初始化信息，用户通过集群系统的控制器发出任务信息。机器蜜蜂接收收任务，进行初步大概的任务划分（比如功能划分，区域划分等等），划分好后，首先由若干只侦查蜜蜂外出探路，进行地形探测，探测好后，机器蜜蜂群进行路径规划，选择安全，道路近的路径方案，然后起飞。飞行时，机器蜜蜂遇到障碍物实时躲避，并且与邻近机器蜜蜂保持安全距离，在安全距离内的要调整路线。飞到目的地后，根据第一个到达的机器蜜蜂，以他为中心，集群开始分散任务，机器蜜蜂根据邻近的机器蜜蜂的行为，通过算法，确定下自己具体的职责范围和要领，开始执行任务。当自己目前的任务完时，检测整体任务是否完成，若果整体任务未完成，则去填补，再次根据邻近蜜蜂的行为，划分自己的工作范围，和调节自己的行为，与其他机器蜜蜂共同协作完成任务；如果中途有机器蜜蜂故障、报废、长时间失联（时间可以根据不同任务设定），则该蜜蜂正在完成的任务视为未完成；若整体任务已经完成，则此任务结束。

通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改都在本发明的保护范围之内。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。