一种机器蜜蜂的集群控制方法与系统技术方案

本发明专利技术涉及一种机器蜜蜂的集群控制方法与系统，机器蜜蜂可以通过自身的传感器模块感知外界环境，定位系统定位自身的位置以便群体协作，执行机构执行当前任务，机器蜜蜂之间可以通过通信模块互相通信，机器蜜蜂内的协同控制器通过通信和组网后形成分布式计算机网络。集群控制系统的通信模块用于用户和机器蜜蜂集群交流，包括下达指令和分配任务，同步模块用于统一机器蜜蜂集群的时间标准。本发明专利技术明显的益处是，单个机器蜜蜂的“智商”不高，成本低，控制简单，但整个机器蜜蜂集群能够组成自组织网络进行分布式协同计算，满足单只机器蜜蜂无法胜任的高难度任务需要，任务执行过程中无须人工干预，并有动态自愈合能力，可靠性高。

A cluster control method and system for machine bees

Cluster control method and system of the present invention relates to a machine for bees, bees can machine through environmental sensor module perception the positioning system to locate its position for group collaboration, implementing the current task, the machine through the communication module between the bees can communicate with each other within the machine bees collaborative controller through communication and networking the formation of distributed computer network. The communication module of the cluster control system is used for the communication between the users and the bee colony, including the instruction and assignment, and the synchronization module is used to unify the time standard of the bee cluster. The obvious benefit is that a single machine bee's IQ is not high, low cost, easy to control, but the whole machine can form a self-organizing network cluster of bees distributed collaborative computing, meet the difficult task of single machine bees can not be competent for the process of implementing the task needs, without manual intervention, and dynamic self-healing ability, high reliability.

【技术实现步骤摘要】
一种机器蜜蜂的集群控制方法与系统
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提出以下技术方案：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。本专利技术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，所以本专利技术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，信息传输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机器蜜蜂的集群控制方法与系统，其特征在于：它包括器蜜蜂系统（100）和集群控制系统（109）；所述机器蜜蜂系统（100）包括协同控制器（101）、传感器模块（102），定位系统（103）、执行机构（104）和通信模块（105）；所述集群控制系统（109）包括控制器（106）、通信模块（107）和同步模块（108）；其特征在于：当需要机器蜜蜂执行同一任务时，集群控制系统（109）的控制器（106），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（108）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（107）将集群控制系统的控制器（106）产生的任务信息和资源需求，以及同步模块（108）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（105）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（100）的传感器模块（102）会感知外界的实时状态；定位系统（103）探测机器蜜蜂所在的实时位置及周围环境信息；执行机构（104）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、减速和采蜜；采集的数据通过机器蜜蜂系统的通信模块（105）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（101）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（105）组成分布式协同控制器，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。...

【技术特征摘要】
1.一种机器蜜蜂的集群控制方法与系统，其特征在于：它包括器蜜蜂系统（100）和集群控制系统（109）；所述机器蜜蜂系统（100）包括协同控制器（101）、传感器模块（102），定位系统（103）、执行机构（104）和通信模块（105）；所述集群控制系统（109）包括控制器（106）、通信模块（107）和同步模块（108）；其特征在于：当需要机器蜜蜂执行同一任务时，集群控制系统（109）的控制器（106），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（108）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（107）将集群控制系统的控制器（106）产生的任务信息和资源需求，以及同步模块（108）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（105）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（100）的传感器模块（102）会感知外界的实时状态；定位系统（103）探测机器蜜蜂所在的实时位置及周围环境信息；执行机构（104）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、减速和采蜜；采集的数据通过机器蜜蜂系统的通信模块（105）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（101）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（105）组成分布式协同控制器，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。2.根据权利要求1所述一种机器蜜蜂的集群控制方法与系统，其特征在于：所述集群控制系统（109）与机器蜜蜂系统（100）是一对多的关系，它们之间能够通过通信模块来联系。3.根据权利要求1所述一种机器蜜蜂的集群控制方法与系统，其特征在于：所述集群控制系统（109）包括控制器（106）、通信模块（107）和同步模块（108），不需要保持一直与机器蜜蜂系统（100）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（100）均在集群控制系统（109）的通信模块（107）工作范围内，能够接收到集群控制系统（109）的通信模块（107）发布的任务信息。4.根据权利要求1所述一种机器蜜蜂的集群控制方法与系统，其特征在于：所述机器蜜蜂系统（100）的协同控制器（101）能够通过通信模块（105）与附近的其他机器蜜蜂系统（100）的协同控制器（101）组成分...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡政英，江秋月，田甜，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42