一种大规模晶格式模块机器人系统的自修复方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器人控制方法技术领域，具体地，涉及一种大规模晶格式模块机器 人系统的自修复方法，以实现系统在子模块出现故障状况下的自修复。
【背景技术】
[0002] 模块机器人是由多个自主的智能模块组成的机器人系统，利用模块之间的连接性 和互换性，以及模块自身传感器感知到的周围环境信息，通过大量模块之间的相互操作改 变整体构形，扩展移动形式，实现不同的运动步态，完成相应的操作任务。这种机器人适 用于工作环境变化大，操作任务复杂的场合，如空间操作，救灾搜索、战场侦察、核电站维护 等。
[0003] 当系统中的若干个模块机器人出现故障时，需要自主定位故障的模块机器人位 置，识别故障类型。通过模块之间的相互运动改变结构，使用正常的模块将故障模块替换， 这就是模块机器人的自修复过程。
[0004]目前关于模块机器人自修复研究已经成为一个热点，自修复研究的关键是自修复 方法。现有的技术可分为集中式方法和分布式方法。
[0005] 集中式方法是指模块机器人只作为执行的终端，模块机器人采集环境、连接等信 息，把信息传给上位机。上位机对收集到的数据进行处理，把处理结果发送给每个模块由模 块去执行操作，典型的有遗传方法、有限状态机、分治法。此类方法，上位机可以得到所有模 块的信息，决策方便，一般不用考虑模块之间的协调和冲突问题；其缺点是响应速度慢、对 模块与上位机的通信要求高、上位机的负载大、上位机的故障会导致系统瘫痪。
[0006] 分布式方法中，每个模块都装有处理器，模块自身通过获得到的环境信息和自身 状态进行决策。通过大量模块的行为组合成整个机器人系统的动作。在分布式方法中没有 上位机，所以模块需要自己完成故障诊断和路径规划。
[0007] 在故障诊断方面，有Adaptive DSD方法。这种方法的思想是：从一个正常模块开 始，首先检测它的下一个模块，若模块异常，记录故障跳过该模块，若正常，把控制权交给下 一个正常模块。Adaptive DSD方法不需要上位机存在，但需要有集线器连接各节点，当系统 的拓扑结构发生会变化时，此种方法显然不适用。
[0008] 自主离散诊断方法（Autonomous Distributed Diagnosis Method，ADDM)。这种 方法的思想是把整个模块机器人系统分成若干小的区域，每个区域中由Token Node主导， 使用Adaptive DSD方法进行故障检测。这种方法适合于节点的通信范围有限，无上位机的 情况。
[0009] 在路径规划方面比较著名的分布式方法有蚁群方法。然而，对于节点非常多的情 况，大部分蚂蚁仍集中在出发点附近，向周围扩散很慢，这使得用蚁群方法在处理诊断问题 方面效率很低。
[0010] 关于自修复相关的方法，Weimin Shen根据反应扩散模型的理论，提出了自组织的 数字激素调节模型。数字激素模型（Digital Hormone Model)可以概括为对于一个大规模 的多智能体系统，每个智能体看作一个细胞，细胞可以分泌激素。激素可以在细胞之间扩散 并且影响其它细胞的行为。激素可以有很多种类和不同的功能。通过给出激素分泌和扩散 的函数，使众多智体在数字激素的引导下运动，整个系统就会形成有规则的构型。该方法已 经在小型链式模块机器人上得到了较好的应用。然而，针对大规模晶格式模块机器人修复 任务，该激素调节模型需要根据其特性，进行许多改进与完善，以保证系统的稳定与高效。
【发明内容】
[0011] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种大规模晶格式模块机器人系统 的自修复方法，该方法修复效率较高并且支持多模块同时修复。
[0012] 为实现以上目的，本发明提供一种大规模晶格式模块机器人系统的自修复方法， 所述方法包括故障诊断、激素分泌和自修复动作三个过程，故障诊断、激素分泌和自修复动 作三个过程互相调节，共同完成模块机器人系统自修复；其中：
[0013] 所述故障诊断，检测模块机器人故障情况，估计故障规模，并触发自修复事件；包 括如下步骤：
[0014] Sll :相邻模块通过对接机构的数据接口互相检测是否存在故障或无响应；
[0015] S12:当检测到相邻模块故障或无响应时，发送故障报文至故障接口沿顺时针方向 的下一个正常接口；
[0016] S13 :当模块接收到故障报文时，将自身ID添加到报文中，继续发送故障报文至接 收报文接口顺时针方向的下一个正常接口；
[0017] S14 :重复S13步骤若干次后，发出故障报文模块会接收到自己发出的报文，并根 据报文中的ID判断故障规模L，故障规模L作为修复路径规划的一个重要参数；
[0018] S15:触发自修复事件；
[0019] 所述激素分泌，分泌系统网络中的活化激素和抑制激素，活化激素和抑制激素在 网络中进行扩散和衰减，并指导故障自修复的进行；包括如下步骤：
[0020] S21 :备用模块分泌活化激素 Ca;
[0021] S22 :空穴附近的正常模块分泌抑制激素 C1;
[0022] S23 :激素按照从高浓度到低浓度的原则进行扩散；
[0023] S24 :模块内激素浓度以指数型规律衰减；
[0024] 所述自修复动作，根据空穴周围的活化激素和抑制激素浓度，选择空穴移动的目 标位置，并根据步态表进行分离、过渡、展开、结合，以完成空穴移动；包括如下步骤：
[0025] S31 :自修复事件触发以后，进入自修复动作；
[0026] S32 :根据综合评价参数P(N)决定空穴移动的目标位置，综合评价参数P(N)由抑 制激素 C1和活化激素 C A决定；
[0027] S33 :根据目标位置，按照步态表进行分离、过渡、展开、结合，以完成空穴移动；
[0028] S34 :空穴移动到目标位置后，更新参与自修复动作的模块在网络中的拓扑信息；
[0029] S35 :自修复事件完成。
[0030] 优选地，所述故障诊断程中，当模块故障检测完成后，系统把故障模块从系统中脱 开，在故障模块的位置下留下一个"空穴";修复系统的过程实际就是将"空穴"逐步移出系 统的过程。
[0031] 优选地，激素分泌的S21中，所述活化激素(；是由故障模块机器人移动的目的地， 即存放备用模块机器人的设备分泌；其功能是维护自修复系统正常运动，引导故障模块机 器人的移动，其分泌基本不受机器人网络的影响，以接近常数的速度分泌；
[0032] 所述活化激素 Ca如公式（1)所示：
[0033] Cai= C Ao+hA (CaojM) ⑴
[0034] 其中：Caci是当前激素的浓度：Cai是下一个计算周期的激素浓度：h A是激素 Ca的分 泌函数:M是填补空穴的机构的工作能力；修复机构的工作能力M以正反馈的形式影响活化 激素 Ca的分泌，而当前激素的浓度会以负反馈的形式影响活化激素 C &的分泌。
[0035] 优选地，激素分泌的S22中，所述抑制激素 C1* "空穴"周围的正常模块机器人分 泌，因此是多个模块同时分泌的；其功能是阻止其他的"空穴"靠近，以防止"空穴"集中，形 成更大的空洞，造成系统机械强度降低；抑制激素(^是保证多空穴同时移动而互相不会干 涉的重要参数，因此抑制激素(^的分泌速度取决于当前网络的环境和故障诊断判断的故障 规模；
[0036] 所述抑制激素 C1如公式（2)所示：
[0037] C11=C1^h1(ClolL) (2)
[0038] 其中：Clci是当前激素的浓度，C "是下一个计算周期的激素浓度：h :是激素 C :的分 泌函数，L是故障规模；故障规模L以正反馈的形式影响抑制激素 C1的分泌，而当前激素的 浓度会以负反馈的形式影响抑制激素(^的分泌。
[0039] 优选地，激素分泌的S23中：
[0040] 当模块分泌激素之后，激素会沿着模块与模块之间的联接扩散；整个机器人网络 可以看作是节