机器人网络聚集问题研究(2)

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1．1 引言

本章为论文的绪论部分，对本课题的研究背景进行了详细的介绍，并对论文的主要工作进行概述。本章的主要内容包括机器人网络聚集问题的研究背景和意义、研究的关键问题、国内外研究现状和全文的组织结构等部分。论文网

1．2 研究背景和意义

本节主要介绍机器人网络聚集问题的由来、研究意义、研究的关键问题。因为机器人网络的聚集问题是来自自然界群体生物的聚集行为，因此本节从自然界生物群体的聚集现象开始，进一步引出机器人网络的聚集问题的相关内容。

1.2.1 自然界群体生物的聚集

在生物界中，聚集行为是很多群体生物的基本群体行为之一【2】。Camazine【3】指出从昆虫到哺乳动物，很多群体生物都表现出聚集行为，比如蟑螂和鱼群。群体生物利用聚集行为进行求生或者实现某些任务，比如鱼群或鸟群利用聚集行为来防止捕食者的捕食【4】；蜜蜂通过聚集来保持中心的温度从而向新的巢穴进行移动；蟑螂通过聚集行为来选择住所【5】；蚂蚁先聚集在食物周围后共同搬运食物【6】等。图1所示为鱼群聚集行为的示意图。

鱼群聚集行为

图1 鱼群聚集行为

根据自然界中生物的聚集现象，Camazine将群体的聚集行为定义为某个区域内个体的密度比周围区域个体密度高的个体的集合现象。根据导致聚集的因素的不同，Jeanson【7】将群体生物的主动聚集行为分为两种：（1）个体根据外部因素，即环境中存在的信息或者环境的异构性，作出反应，达到聚集的效果，比如厩蝇的聚集是因为每一个个体厩蝇都向具有适宜温度的地方移动，从而所有厩蝇聚集在一个共同的地方；（2）个体能够自组织的通过相互的交流或者吸引实现聚集行为，比如蟑螂会在同构的环境中自组织的实现聚集行为来选择住所；此外，在第二种聚集行为中，环境中的信息或异构性有时也会对聚集行为产生影响。

很多研究人员主要致力于理解群体生物的自组织聚集机制，即上一段中描述的第二种聚集行为。Deneubourg【8】指出群体生物的聚集是基于个体之间的局部交互和简单规则。Jeanson指出群体生物的聚集机制是基于个体反馈信号的放大机制：生物会选取某种信息，比如生物信息素，作为衡量聚集体大小的信号，这种信号随着聚集体的变大而增强，个体则是通过其从周围个体那里获得来的信号判断聚集体的大小，周围个体越多，即聚集体越大，个体得到的信号强度就越强，则个体越喜欢加入或留在聚集体中；反之，则个体越容易离开聚集体。Jeanson通过研究蟑螂的聚集行为，则进一步证实了群体生物聚集的机制是基于信号的放大机制和个体间的局部交互。

1.2.2 机器人网络的聚集

在机器人网络的研究当中，作为群体生物基本行为之一的聚集行为，被认为是机器人网络应当具备的一个基本的群体行为，也是研究机器人网络控制的一个基础研究性问题。一群移动的智能体在仅具有局部感知能力的情况下，聚集到一点，成为聚集问题。聚集问题的发展源于机器人应用的发展，在过去的十年里，聚集问题已经受到了广泛研究，许多重要的吸引眼球的研究成果也已发表在文献【9-16】中。在文献【9】中，【1】中实现聚集的外心算法被延伸到更一般的情形，智能体的运动不局限于平面和失败链接。在文献【11】中，一种定期而不断被迫停止的方法被建议用来实现聚集。在文献【13】中，对于非完整智能体网络，一种间断反馈控制法则被建议用来实现聚集。有限时间聚集问题在【16】中被提及，它是基于有限时间稳定性定律的一种工具。