CN104122856A - 群机器人绘图系统 - Google Patents

Abstract

“群机器人绘图系统”这项发明涵盖机电信息领域，该系统以移动式群机器人为执行主体，可对大型场地、建筑、以及人员无法涉足的场地进行快速超大幅自动绘图操作，具有分布式系统可靠灵活高效的特性，设备成本低廉，绘图模式开放、形式多样，且艺术效果独特，可绘制包括分形图案在内的复杂图形。系统工作原理是移动式群机器人在绘图基因的控制下，以一定模式，有组织地通过绘图表达进行群体协作绘图，其构图结果是每个机器人个体中的绘图基因选择性启动的宏观整体表达。发明人设计了一些基础的绘图基因以及六种绘图变异，还设计了集群模式的群机器人绘图系统，可进行更高级的绘图表达。

Description

群机器人绘图系统

技术领域

本发明属于一套群机器人自动控制系统，所涉及的技术领域主要有：机器人技术、自动控制技术与计算机技术，主要涵盖机电信息领域。 

背景技术

绘画艺术伴随人类历史千百年的发展历程，是人类对美的追求，也承载了人类文明。有米开朗基罗的教堂天顶的彩绘，有达芬奇的蒙娜丽莎的微笑，人们在纸上、画布上描绘，也在墙壁、建筑上作画，这些都是传统的绘画方式，但试想在短短数分钟内，壮观绚丽的画面被自动绘制出来，画满天安门广场、莫斯科红场，画满金茂大厦、帝国大厦，画满卢浮宫、布达拉宫，画满哈利法塔、金字塔，甚至画满南极的冰原、月球的陨坑……辽阔一词很少用来形容一副绘画，但在这里却成了无比贴切的词汇。不仅如此，每一幅作品都各具特色，没有重复，就像世上没有两片相同的树叶一样……这是多么美妙的想往，这又多么难以实现。既然是自动完成的，那什么样的超级机器人才能担此重任？可实际上并不需要什么超级机器人，执行此项任务的机器人，其硬件结构简单得可能令你意料不到，实现如此复杂的任务全在于控制系统，发明人设计了这样一个控制系统，能使这一梦想更加贴近现实，这就是——群机器人绘图系统。 

群体的力量是惊人的，这力量可以开凿划分大陆的苏伊士运河，可以修筑气势磅礴的万里长城。群体的力量遍布自然界中，蜂群、蚁群的威力令人无比赞叹，而这力量竟来自一个个小小的昆虫。大量结构简单的机器人进行合作也能够展现出很多强大的功能，如大范围搜索、监视、搬运、建筑、组队表演等等，很多功能是大型单体机器人望尘莫及的，这使其在工业、农业以及人们日常生活中都有着广泛的应用空间，也使得群机器人技术应运而生。 

群机器人技术是机器人技术的一个崭新的发展方向，该技术以其特有的性能优势迅速占领科技发展的前沿。群机器人系统是特殊的多机器人系统，由许多无差别的自治机器人个体（以下将“机器人个体”简称为“个体”）组成。该系统具有如下特征： 

1)      系统包含大量个体，个体数量的下限无明确规定，但多数观点是至少在l0～20个体的水平（Sahin E. Swarm robotics: from sources of inspiration to domains of application [C]. Proc of the SAB Workshop on Swarm Robotics, Santa Monica, USA, 2004: 10-20）；

2)      没有中心协调机制；

3)      个体种类较少，而每个种类中个体的数量较多；

4)      机器人个体的行为比较简单、能力有限，需要大量机器人的合作才能完成任务；

5)      个体机器人只有局部感知与通信能力，以保证机器人间分布式的协调。

群机器人按照一定模式自组织成复杂的系统，个体数量可任意调整，群体可通过相互协作共同实现特定功能，系统中的所有个体是分布式联系与协作的，具有典型的分布式系统特征。系统由大量个体并行运行，有着速度与效率上的优势。系统中的个体是自治的，在执行任务的过程中可相互替换或弥补对方的空缺，是高度冗余的，因此系统性能不会因为一个或几个机器人的故障而受到影响，抗环境扰动，系统稳健性强。大量分布的个体感知还可以增加整个系统的总信噪比。群机器人系统具有柔性，规模可伸缩，形体可变化，控制群体的协调机制不会受群体规模变化的影响，对于变化的任务采取变化的协调策略，工作灵活，能够动态适应复杂的环境。系统中大量同类型的机器人结构与控制机制都相同，可模块化设计，执行复杂的任务时个体结构却可以很简单，易于制造与维护，适合大规模生产，具有经济性。虽然个体能力可能有限，但个体间可通过组织协作实现复杂操作，其强大功能是依靠群体协作体现出来的。 

将群机器人用于绘图，不仅可以绘制超大幅图画，对大型场地、建筑、物体表面以及人员无法涉足场地的喷绘变得容易，而且可绘制出别具一格的图案。图14-图28显示了群机器人绘图的效果。 

发明内容

发明主要包括三个方面的内容：1）群机器人绘图系统原理，绘图基因、绘图表达与绘图变异；2）集群模式的群机器人绘图系统原理；3）群机器人绘图系统仿真程序的原理。 

群机器人绘图系统的工作原理是移动式群机器人在绘图基因的控制下，以一定模式、有组织地通过绘图表达进行群体协作绘图。绘图基因控制机器人个体的移动轨迹、绘制时机以及笔迹样式（包括笔迹的粗细、颜色、样式）。个体能够在二维平面或曲面内平移、爬壁，或在三维空间中移动，能够感知与其他个体的间距，能够在有限范围内与其他个体相互通信，相互作用，能够感知外界环境。环境影响与单体间相互影响不仅作用于机器人个体的运动行为，也作用于其绘图行为，以致改变其绘图模式。单体具有喷绘或涂写装置，在移动过程中绘制其移动轨迹，由全部个体的轨迹组成最终图形。由大量个体组成的群机器人可快速绘制大面积区域、表面和场地，可绘制各种简单、复杂的图形，甚至可以绘制分形图案，其绘制的图案具有独特的风格和艺术效果，具有审美价值。 

由于群机器人绘图系统实体设备数量庞大，发明人无法以个人力量加工制造，在发明中，系统的运行在计算机仿真群机器人平台上进行。因此，发明也包括一套群机器人仿真程序，然后将系统的软件控制部分加载其上，形成群机器人绘图系统仿真平台，控制“仿真群机器人”进行各种特定的绘图操作,也成为群机器人绘图效果预演的手段。尽管在发明中绘图基因存在于虚拟群机器人对象中，但可以直接移植到真实的群机器人设备上。此外，绘图效果的预演功能为群机器人绘图活动提供经济、便捷、高效和优质的调试途径。此次专利申请的权利要求不包括源代码，因此在申请过程中不提供上述仿真程序的源代码。 

群机器人绘图系统的是一种分布式自动控制系统，其设计理念简述如下： 

群机器人绘图系统的每一个体上都存在一份完整且完全相同的控制程序，程序设计成片段组合的结构，一个程序片段对应一种行为，机器人个体运行中时刻表现某一种行为（执行某一个程序片段的结果），或某几种行为（个体的微控制器并行执行多个程序片段的结果），且在不同行为间切换，时刻开启或结束某个行为。个体在不同条件下选择执行不同的程序片段，表现出不同的行为方式，全部个体的选择式行为表达从整体上描绘出一定模式的构图结果。当存在多个群体进行绘图，不同群体之间可以相互协调，组成更为复杂的机构，完成更为复杂的绘画。因此，群机器人绘图系统的绘画构图结果是微观上存在于每一个体中的程序片段选择性执行的宏观整体表达，这很像生物体的基因与表达，因此相应地提出群机器人绘图系统的“绘图基因”与“绘图表达”两个概念。一段绘图基因就是代表一种行为模式的程序片段，该程序片段被执行即绘图基因启动，该程序片段被终止执行即绘图基因关闭。在仿真程序中，绘图基因的启动通过设置个体行为属性的方式实现，行为属性的改变导致个体运行状态相应的改变，不同的运行状态被编号，即行为属性值。一段绘图基因可以分解成多段更小的绘图基因，反之，多个绘图基因也可以组成一段更大的绘图基因。而绘图表达是绘图基因启动时个体表现出的特定行为以及不同行为间的转换。单体的行为模式有基本行为和高级行为，前者包括：单体的移动、停止和绘制，移动包括平动与转动，后者是通过前者表现出来的，如：吸引、排斥、间距调节、集结、跟随、合队、分队、归队、绘图变异等行为。个体在工作中不断在各种行为间转换，称为行为转换，行为转换有三种：1）条件行为转换，2）随机行为转换，3）人工行为转换。其中，随机行为转换是个体按照当时设定的模式，在随机的时间转换自身行为；条件行为转换是个体按照当时设定的绘图模式，在特定条件下，如行进步长、旋转角度、其他个体影响、外部环境影响等满足一定条件，个体转换自身行为；人工行为转换是由用户通过系统输入端直接发出指令，直接转换个体行为，或改变个体绘图模式进而影响其绘图行为。

发明人设计了一些基础的绘图基因，可以使个体表达前面提到的各种基本行为与高级行为。用户加入自创的绘图基因，或更改原有绘图基因，可以创造自己独特的图案，丰富绘图样式，发明人将这种过程命名为“绘图变异”。发明人自行设计了六种绘图变异，分别命名为：圆形果实、螺旋果实、礼花、旋花、海棠果、二叉树。 

将平衡间距规则与聚集规则加入群机器人的绘图基因中，即形成集群模式的群机器人绘图系统，聚集规则可以将移动中的群机器人集结成一定队形，平衡间距规则使个体间保持一定间距，很像自然界中的鱼群、鸟群，在这种系统中，群机器人形成更高级的有机整体。机器人个体具有近距离与远距离两种传感器，前者负责调节个体间距，图7显示了个体间距调节的流程，即平衡间距规则。后者负责个体脱离群体较远时，远距离感知群体大致方位且向其靠拢，即聚集规则，在计算机仿真中，此方位由群体的中心聚合位置体现，图6显示了中心聚合位置计算的流程。由于集群模式绘图过程要求群机器人进行保持队形与绘图两项操作，这两项操作有时不能同时进行，比如进行脱队绘图，此时将个体分为带队者和绘图者两类。带队者专司维持队伍的存在，因此队伍需要保持一定数量的带队者，以形成聚合中心，防止队伍散掉，带队者始终处于行进状态（个体无任何任务时的漫游状态）。绘图者专司脱队绘图，在脱队绘图任务启动时脱离队伍，由带队者变成绘图者，在脱队绘图任务完成时回归队伍，又变回带队者，因此绘图者具备归队功能，通过个体对群体的定位与追赶操作实现这一功能。当有多个带队者时，定位操作取其定位信号的均值。定位信号可通过光学、超声的方式实现。带队者不进行随机行为转换，原则上带队者也不会出现条件行为转换。集群模式的群机器人还加入了分队与合队的功能，发明人设计的二叉树变异绘图就具有这两项功能，如图13所示。 

附图说明

图1：仿真程序总顺序图；图2：系统初始化流程；图3：放置群机器人对象流程；图4：总循环的一轮流程；图5：环境影响模拟流程；图6：中心聚合位置计算流程；图7：个体间距调节流程；图8：总循环的一轮流程（圆形果实模式）；图9：总循环的一轮流程（螺旋果实模式）；图10：总循环的一轮流程（礼花模式）；图11：总循环的一轮流程（旋花模式）；图12：总循环的一轮流程（海棠果模式）；图13：总循环的一轮流程（二叉树模式）；图14：圆形果实绘图效果；图15：螺旋果实绘图效果；图16：礼花绘图效果；图17：旋花绘图效果；图18：海棠果绘图效果；图19：二叉树绘图效果；图20：加入“行进状态个体”的轨迹绘制；图21：群机器人绘图过程；图22：群机器人绘图过程；图23：群机器人绘图作品（经后期处理）；图24：群机器人绘图作品（经后期处理）；图25：群机器人绘图的其他艺术效果——熔岩；图26：群机器人绘图的其他艺术效果——波涛；图27：群机器人绘图的其他艺术效果——中枢神经；图28：群机器人绘图的其他艺术效果——黑色蒲公英。 

说明书附图中的所有顺序图与活动图（图1至图13）均用Microsoft Visio的UML工具绘制。群机器人绘图系统仿真程序的运行总流程可以用图1描述，当用户启动程序后,程序首先建立界面与环境，包括屏幕画板（用于绘图结果显示）、屏幕暂存画板（用于添加机器人个体）、后台画板（用于后台绘图）、个体位置存储画板（用于记录个体的位置、编号、属于哪队以及当前行为，以像素信息形式保存），均以位图形式存在，如图2所示。此外，还包括全局环境影响的模拟。环境影响是能够被个体感知的外界信息，可以大体分为全局环境影响（对全部个体影响大体相同，如模拟气流、洋流、重力、光照、气温等自然现象）和局部环境影响（只能影响近处个体，影响力随距离增加而迅速变小，如：附近其他个体的影响、局部场地的画面）。其中全局环境影响的属性包括影响类型、强度与方向等，以一定方式实时变化；局部环境影响信息用位图的方式模拟，个体对局部环境影响由内而外感知，同样的影响力，距离个体越近，对个体的作用越显著，个体以当前位置为起始点，依照由近到远、逆时针方向检测周围像素。群机器人运行期间，个体与个体、队与队之间都会相互作用、相互影响。 

随后，在环境中放置群机器人对象，操作过程如图3所示。可以放置多队，群机器人的分队还可以通过已有分队的“再分队”操作产生，机器人个体在仿真程序中均以对象形式存在，其属性包括：编号、分队号、行为、尺寸、外形、X坐标、Y坐标、方向、偏移、速度X分量、速度Y分量、个体间距、聚集烈度（调节群体聚集的趋势）、分散烈度（调节群体互斥的趋势）、受影响因子X分量、受影响因子Y分量、感知半径、临近机器人个体数量、旋转角度累计、行进距离累计、陷阱累加，等等。受影响因子是当前个体受其他个体及环境的综合影响，将影响当前个体的移动。旋转角度累计与行进距离累计用于绘图变异基因，陷阱累加用于帮助个体长时间处于僵局时进行摆脱决策。此外，用户可以随时人为启动或关闭某些绘图基因，即变更绘图样式。 

系统采取循环操作的方式模拟群机器人的运行，称为总循环。每一轮循环包括：环境影响模拟、个体的行为转换、中心聚合位置计算、个体移动到的新位置计算以及显示运行结果等步骤。图4显示了一次总循环的流程。总循环内部包含了一些次级的循环结构，称为次循环，次循环可模拟实现群体的并行运行。每个机器人个体在一个总循环中的移动称为一步。环境影响模拟的程序流程如图5所示。中心聚合位置计算流程如图6所示，中心聚合用于个体脱离队伍执行特定绘图操作后的远距离归队，是归队移动的目标位置。 

新位置的计算是在原位置的基础上加入一些调节因素（包括受影响因子以及随机影响因子）来完成的，除绘图变异基因的表达操作外，个体的新位置计算主要有如下操作： 

1)      个体间距调节，流程如图7；

2)      归队（并非所有个体都进行此项操作），向中心聚合位置移动，速度快于常规移动，发明人设置的归队速度是行进状态速度的2倍；

3)      加入环境影响因素（并非所有个体都进行此项操作）；

4)      步长限制，单次循环的移动不可超过一定步长限制；

5)      加入随机影响因子（带队者进行此项操作），体现个体一定程度的随机运动，选[0,1]区间内随机值，单位为单次步长，作为随机前进距离，选[-18°，18]区间内随机值作为行进方向的随机偏转角度；

6)      边界检测，若跨越场地边界，则返回前一位置；

7)      条件行为转换（并非所有个体都进行此项操作）；

8)      在新位置与上一位置间绘制轨迹，位置不变者不绘制（并非所有个体都进行此项操作）；

9)      登记机器人个体位置，位置不变者不重复登记。

上述过程中的所有参数都可以根据实际需要进行调整改变。 

发明人所设计的六种绘图变异的相关流程如图8至图13所示，包括：圆形果实、螺旋果实、礼花、旋花、海棠果、二叉树，每一绘图变异的关键绘图基因由虚线框标出，且注以“绘图基因”字样。图14至图19显示了的上述六种绘图变异的表达效果，图中包含两队群机器人（以黑点表示其位置），分别以红、蓝作为各队主色调，在一定色调范围内随机取值，图20为在上述基因表达的同时也绘制了移动状态个体的轨迹，且该轨迹不覆盖已绘制过的表面，群体以双色交织的方式绘制线条束，其中一色线条保持黑色，另一色线条按移动步数循环渐变其色调。二叉树绘图基因具有合队、分队功能。其中，合队操作涉及队伍号的注销，而分队操作涉及队伍号的新增，因此需要具有队伍号管理机制，该机制非关键技术，实现起来也并不困难，因此发明人不予赘述。合队、分队操作通过修改所涉及个体在个体位置存储画板中相应的队伍号得以实现。新分出的队伍通过一段时间的运动在空间上逐渐与主队分离开来，新合并的多支队伍也是通过一段时间的运动逐渐合而为一。如果在二叉树绘图基因树枝末端的归队编码之前插入并启动圆形果实基因，则二叉树会结出果实。可见，创造出具有独特绘图造型与用色的绘图基因，就可以获得别具一格的艺术效果，这全在于用户丰富的想象力与创造力。 

群机器人绘图系统的特点不仅体现在对大型场地、表面的快速自动绘图，而且绘图效果有其自身的艺术特点，可形成艺术作品，图23至图24显示了经过一定后期处理的群机器人绘图作品。图25至图28是一组不同风格的群机器人绘图作品，其中图25命名为《熔岩》，是集群模式的群机器人以双色交织的方式绘制群体运动轨迹的结果，一色保持黑色，另一色按照个体移动步长在红与黑之间做正弦渐变。图26命名为《波涛》，绘制原理与前一幅作品相似，但为单色渐变，个体按照移动步长从蓝到亮蓝周期性渐变其绘图颜色。图27命名为《中枢神经》，是过于分散的队伍向中心聚合位置聚集的结果。图28命名为《黑色蒲公英》，是前一幅作品的逆向操作。 

具体实施方式

仿真平台的搭建推荐使用Visual Studio C# 或C++程序设计语言，以及Windows操作系统。 

对于实际设备的移植，需要群机器人具备如下的结构与功能：个体能够移动，不限于平面运动，可具有爬壁、飞行功能。个体具有独立的主控制器，主要使用微控制器（MCU），整合于机身上，控制个体的全部操作。个体具有画笔或喷绘设备，可由微控制器调整绘制笔迹的压力、粗细、颜色、样式以及涂料类型等参数。个体具有感知能力，各类传感器遍布个体全身，一部分传感器负责远距离感知四周环境的变化，如：重力、光线、气流、振动、温度等形式的环境影响，另一部分传感器负责近距离感知其他个体以及当前个体所处的绘图区域，这种感知能力随距离变化，近处大于远处。个体具有局部通信能力，可与临近个体交流信息，可采用红外、微波、超声、触觉等方式实现，个体需具备相应类型的信号发射器与接收器。 

Claims (6)

1.群机器人绘图系统，是以移动式群机器人为执行主体的绘图系统，群机器人是特殊的多机器人系统，由许多无差别的自治机器人个体组成，群机器人技术是原有技术，群机器人绘图系统的特征是移动式群机器人在绘图基因的控制下，有组织地通过绘图表达进行群体协作绘图。

2.根据权利要求1所述的群机器人绘图系统，其特征是：机器人个体间是存在相互联系或相互影响的。

3.根据权利要求1所述的群机器人绘图系统，其特征是：其中所述的绘图基因是机器人个体上对应特定功能的程序片段，组成群机器人的所有机器人个体都有完全相同的绘图基因组，即一组绘图基因，一个绘图基因对应一种行为，机器人个体运行中根据自身与周围环境的因素选择性开启或关闭绘图基因，在不同的行为间切换，即绘图表达，群机器人绘图系统的绘图结果是微观上存在于每一机器人个体中的绘图基因选择性开启或关闭的宏观整体表达。

4.集群模式的群机器人绘图系统，其特征是：符合平衡间距规则与聚集规则的群机器人绘图系统，其中，聚集规则可以将移动中的群机器人集结起来，平衡间距规则使个体间保持一定间距。

5.群机器人绘图系统仿真程序，其特征是：能够利用计算机模拟实现群机器人绘图系统工作原理且能产生绘图结果的程序。

6.声明由某种真实的或仿真的系统所绘制出的图形或图像，其中，该真实的或仿真的系统具有群机器人绘图系统或其仿真程序的特征。