群體運動具有分散式、自組織和協調性的特點，通過個體簡單的局部規則，湧現出協同運動的智慧型行為。這種協同的智慧型行為也會所在環境等條件的約束而受到干擾，例如在有障礙物環境中實現群體協同運動控制，原有的控制策略有可能性能不再穩定，必須根據障礙物的狀況重新設計。假如個體能夠充分運用群體的協作性，那么當只有部分智慧型體擁有障礙物環境探測能力時，功能簡單的個體也能夠通過群體協同實現障礙物避碰，這便是協同避障的基本出發點。
基本介紹
- 中文名：協同避障
- 外文名：cooperative obstacle avoidance
- 領域：運動控制
- 專業：控制科學與工程
- 方法：人工勢場法等
- 套用：無人機蜂群、船舶編隊自主避障等
名詞解釋,研究難點,控制策略,套用,1.無人機蜂群自主避障,2.船舶編隊自主避障,
名詞解釋
生物的群體運動是指大量生物個體一起運動，它們通過個體自組織的行為實現群體的協作優勢，如躲避天敵、尋找食物等。群體運動的一個突出特點，就是通過個體簡單的局部規則，實現全局整體協同運動，它具有分散式、自組織和協調性。這種群體大於個體之和的特性，吸引了許多研究人員關注多智慧型體的群體協同控制問題。
群體協同運動控制首先要假設個體的運動模型，然後根據運動模型設計相應的控制策略，在控制策略中，每個智慧型體的行為都是依據它相鄰的其它智慧型體而做出反應，智慧型體個體的實際運動狀態不是預先設定好的，但是群體將會湧現出協同運動的智慧型行為。這種協同的智慧型行為也會所在環境等條件的約束而受到干擾，例如在有障礙物環境中實現群體協同運動控制，原有的控制策略有可能性能不再穩定，必須根據障礙物的狀況重新設計。假如個體能夠充分運用群體的協作性，那么當只有部分智慧型體擁有障礙物環境探測能力時，功能簡單的個體也能夠通過群體協同實現障礙物避碰。群體協調避障運動控制問題越來越受到關注。
研究難點
群體運動智慧型具有魯棒性、自組織性、催旋潤適應性和分散式特性，由於分布的個體之間具有一定的相鄰關係，整個群體構成一個網路系統，因此往往需要結合網路拓撲結構來分析群體運動智慧型算法。其主要的研究難點在於：
1.群體運動控制算法的研究大多未考慮環境障礙物的影響，在有障礙物環境中的群體協調運動避障控制是非常值得探討的，尤其是凹形障礙物的躲避。
2.群體運動智慧型算法總是儘可能地減小單個智慧型體的“能力”，個體僅具有簡單行為的情況下，實現系統的群體效應。對於避障問題來說，不一定所有智慧型體需要獲取障礙物信息。假如只有部分智慧型體能夠獲取障礙物信息，是否能夠實現群體協同的智慧型避障控制。
3.環境中的障礙物可能是靜止的，也可能是運動的。當環境障礙物變速或者變加速度時，多智慧型體是否還能實現協同避障控制。
4.當群體運動遇到障礙物，或者經過障礙物時，往往為了躲避障礙物而不得不暫時分散。現有的控制思想是儘可能引導放乎承分散的智慧型體重新聚集，在全部智慧型體都能獲取導航信息時，系統的控制性能是能夠得到保障的。而在僅有部分智慧型體具有墓慨鍵茅全局信息的情況下，一旦智慧型體分散就可能會導致隊伍丟失。如何才能保證智慧型體遇到障礙物時不分散地避開障礙物。
控制策略
1.群體一致性協同避開光滑凸障礙物
群體中僅有少部分智慧型體具有障礙物全局信息感知能力，另一部分智慧型體僅具有障礙物局部信息感知能力。通過為具有全局感知能力的智慧型體增加虛擬導航反饋項，使受障礙物擾動而分散的智慧型體能夠在導航反饋的作用下逐漸聚集，與具有全局感知能力的智慧型體保持連通的其它智慧型體，也能夠聚集到目標位置。
2. 群體蜂擁協同避開非凸障礙物
部分感知能力是指承膠幾群體中僅有一部分智慧型體具有堡采戀屑障礙物全局信息感知能力。該控制策略主要根據晶體的結構模型生成大量虛擬的具有排斥作用的智慧型體，來引導實際智慧型體避開障礙物。對於非凸的障礙物，具有障礙物全局信息感知能力的智慧型體能夠根據幾何關係判斷並填充非凸區域，從而保證不陷入勢能函式的局部最優。而與它們保持連通的無障礙物全局信息感知能力的智慧型體，也能夠離開障礙物非凸區域並聚集到目標位置。
3. 群體一致協同繞行通過單個障礙物
群體中僅有少部分智慧型體具有障礙物感知能力，另一部分智慧型體則完全不需要障礙物探測裝置。該控制策略主要採用反對稱矩陣構造導航反饋方向，使得具有障汗欠坑礙物感知能力的智慧型體個體具有圍繞障礙物旋轉的功能。
4．群體協同繞行通過不規則形狀障礙物
相鄰多智慧型體之囑協間採用回差切換法則和勢能函式上限的設定而保持拓撲結構的連通性，智慧型體與障礙物之間的拓撲關係也通過勢能函式設計保持連通。在該控制策略中，僅使一個智慧型體具有障礙物感知能力，將該智慧型體與障礙物表面上與其距離最近的點作為繞行運動參考點。
套用
1.無人機蜂群自主避障
無人機蜂群自主避障功能實現蜂群整體對各類動靜態障礙的規避，蜂群在該指令控制下實現蜂群整體運動趨勢的改變，如控制蜂群按指定航路點飛低目的地，並在飛行過程蜂群能夠規避障礙區域或敵方單位。無人機蜂群自主避障基於勢函式方法設計，蜂群不進行顯式的航路規劃，而是將障礙區域/敵方單位設定為斥力源，當蜂群靠近斥力源時將生成偏離指令，制導蜂群避障。
2.船舶編隊自主避障
多船舶協作機制的核心思想就是讓多個具有簡單功能的船舶有機地組成一個整體，並通過一定的協作策略，使團隊中的每個成員各司其職,進而能充分發揮團隊協作精神來相互協調與合作，從而順利地、高效地完成給定的任務。多船舶協作可能會需要避障，有時側需要變換形狀來完成複雜的任務,如通過狹窄的河流。針對多船舶之間的協作，不同的學者提出了不同控制方法，如基於領航者法的分層式編隊自主避障控制技術等。
部分感知能力是指群體中僅有一部分智慧型體具有障礙物全局信息感知能力。該控制策略主要根據晶體的結構模型生成大量虛擬的具有排斥作用的智慧型體，來引導實際智慧型體避開障礙物。對於非凸的障礙物，具有障礙物全局信息感知能力的智慧型體能夠根據幾何關係判斷並填充非凸區域，從而保證不陷入勢能函式的局部最優。而與它們保持連通的無障礙物全局信息感知能力的智慧型體，也能夠離開障礙物非凸區域並聚集到目標位置。
3. 群體一致協同繞行通過單個障礙物
群體中僅有少部分智慧型體具有障礙物感知能力，另一部分智慧型體則完全不需要障礙物探測裝置。該控制策略主要採用反對稱矩陣構造導航反饋方向，使得具有障礙物感知能力的智慧型體個體具有圍繞障礙物旋轉的功能。
4．群體協同繞行通過不規則形狀障礙物
相鄰多智慧型體之間採用回差切換法則和勢能函式上限的設定而保持拓撲結構的連通性，智慧型體與障礙物之間的拓撲關係也通過勢能函式設計保持連通。在該控制策略中，僅使一個智慧型體具有障礙物感知能力，將該智慧型體與障礙物表面上與其距離最近的點作為繞行運動參考點。
套用
1.無人機蜂群自主避障
無人機蜂群自主避障功能實現蜂群整體對各類動靜態障礙的規避，蜂群在該指令控制下實現蜂群整體運動趨勢的改變，如控制蜂群按指定航路點飛低目的地，並在飛行過程蜂群能夠規避障礙區域或敵方單位。無人機蜂群自主避障基於勢函式方法設計，蜂群不進行顯式的航路規劃，而是將障礙區域/敵方單位設定為斥力源，當蜂群靠近斥力源時將生成偏離指令，制導蜂群避障。
2.船舶編隊自主避障
多船舶協作機制的核心思想就是讓多個具有簡單功能的船舶有機地組成一個整體，並通過一定的協作策略，使團隊中的每個成員各司其職,進而能充分發揮團隊協作精神來相互協調與合作，從而順利地、高效地完成給定的任務。多船舶協作可能會需要避障，有時側需要變換形狀來完成複雜的任務,如通過狹窄的河流。針對多船舶之間的協作，不同的學者提出了不同控制方法，如基於領航者法的分層式編隊自主避障控制技術等。
