微動(dòng)力將被廣泛用于軍用移動(dòng)機(jī)器人

隨著包括微型機(jī)械纖維技術(shù)(Technology)在內(nèi)的傳感器(Sensor)，受動(dòng)器以及處理器技術(shù)的快速發(fā)展，價(jià)格低廉同時(shí)具有足夠的處理功能和有限的感知能力的自動(dòng)可移動(dòng)設(shè)備的研制開發(fā)成為了可能。我們提出的目標(biāo)是，利用大量的（100個(gè)以上）這些簡(jiǎn)單機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)陸地，空中和水下環(huán)境中真實(shí)的軍事任務(wù)，利用基于傳感器的機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的共有的群體操作。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，關(guān)鍵的前提之一是具備以面向任務(wù)的系統(tǒng)級(jí)參數(shù)的方式來(lái)對(duì)這些機(jī)器人進(jìn)行指揮和控制。指揮員需要了解系統(tǒng)的功能，操作規(guī)范以及在部署后系統(tǒng)有效性的度量方法。因此有必要通過(guò)單獨(dú)的自動(dòng)組件將系統(tǒng)（總體）功能和性能與所實(shí)現(xiàn)的行為聯(lián)系起來(lái)。

本文描述了分析、建模、算法開發(fā)以及仿真的一系列項(xiàng)目，這些項(xiàng)目的目的是開發(fā)、和改進(jìn)這個(gè)基本方法，并使其成為實(shí)際的解決方案。最初的目標(biāo)是開發(fā)通用的行為，例如覆蓋，障礙，以及掃描覆蓋區(qū)域，各種部署和恢復(fù)模式，這些行為能夠在很多通用的應(yīng)用(Application)中得到應(yīng)用，例如布雷，掃雷，偵查，放哨執(zhí)勤，維護(hù)檢查，船艙清理以及通信接力。文中最后給出了初步的仿真結(jié)果。

1.0引言

開發(fā)研制21世紀(jì)的軍用移動(dòng)機(jī)器人所必需的傳感器，受動(dòng)器，和處理器這些關(guān)鍵技術(shù)正在飛速發(fā)展。而且軍用移動(dòng)機(jī)器人的研制主要集中在無(wú)人地面車輛（UGV），無(wú)人飛機(jī)（UAV）和無(wú)人水下艦艇（UUV）上，在固態(tài)傳感器和受動(dòng)器技術(shù)上的進(jìn)步說(shuō)明在機(jī)器人車輛功能和性能范圍的“低端”還有沒(méi)有利用的機(jī)會(huì)。實(shí)際上，新出現(xiàn)的微型機(jī)械（也稱為“微動(dòng)力”，“機(jī)電一體化”或者“微型電子機(jī)械系統(tǒng)”）領(lǐng)域已經(jīng)被1991年紐約時(shí)報(bào)的今日科學(xué)版選為90年代“10大關(guān)鍵技術(shù)”之一。

本文的目標(biāo)是通過(guò)大量相對(duì)簡(jiǎn)單、廉價(jià)而且可相互替換的自動(dòng)組件的共同操作實(shí)現(xiàn)一系列的軍事任務(wù)，而不是通過(guò)目的明確，復(fù)雜，基于某個(gè)單獨(dú)、十分復(fù)雜（而且目前在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上并不可行）的基于感知行為的機(jī)器人單元方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文所提出的方法是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)可以達(dá)到如下兩個(gè)目標(biāo)的機(jī)器人車輛：

a）：支持真實(shí)世界的任務(wù)

b）：用目前的傳感器和處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)

即使在對(duì)象和障礙很多的地面應(yīng)用環(huán)境中，有用的任務(wù)一般所需的高帶寬的基于視覺(jué)感知的車輛導(dǎo)航和控制功能也超出了目前傳感器和處理器工具的功能。

大量的小型廉價(jià)車輛可以用于很多軍事應(yīng)用當(dāng)中：雷區(qū)掃描，布雷，偵查，值班放哨以及通信接力，另外還有不同類型的搜尋，維護(hù)檢查，載貨倉(cāng)異物（FOD）處理以及船艙清理等。

注意到，我們將這些不同應(yīng)用中需要實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航行為定義為“在靜態(tài)部署以及動(dòng)態(tài)群組中維持各個(gè)組成單元之間的空間關(guān)系”是恰當(dāng)?shù)?。這種協(xié)調(diào)位置和移動(dòng)的一致性的概念是本文所關(guān)注的重心。

當(dāng)采取利用中心位置控制器計(jì)算一個(gè)群組中各個(gè)組成單元的某個(gè)所需的位置或者移動(dòng)軌跡，并隨后下載并執(zhí)行這些數(shù)據(jù)的方法解決這個(gè)問(wèn)題時(shí)，在最好的情況下是效率低下，最壞的情況下是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)計(jì)劃的執(zhí)行可能會(huì)被無(wú)法預(yù)知的事件（例如，電流過(guò)載，位置障礙，敵軍的行動(dòng)）所阻礙。中央控制器需要從受控組件獲得一些特殊的信息來(lái)修改計(jì)劃，才能將偶然事件納入考慮范圍，并且這種信息有可能是受控組件自己也無(wú)法獲知的。時(shí)間、處理、通信資源(Resource)可能無(wú)法對(duì)以下三種情況進(jìn)行支持：

a)：所需數(shù)據(jù)與中央控制器之間的通信；

b）：制定修改計(jì)劃所需要的處理；

c）：將計(jì)劃回傳給執(zhí)行單元的通信。

我們提出的解決方案是讓機(jī)器人在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)與人一樣的方式：“你們排成一行，間隔一臂的距離，然后全部一起行走，在行走過(guò)程中拾起任何能找到的物體”。每個(gè)成員的行動(dòng)都是在其它成員行動(dòng)的基礎(chǔ)之上的，與最臨近的成員的行動(dòng)最為相似，但是與距離相對(duì)較遠(yuǎn)的成員之間也有一些類似。因此利用傳感器輸入（每個(gè)成員感知相對(duì)于自身而言臨近成員的位置）和明確的通信信道就可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。動(dòng)態(tài)傳感器可能要經(jīng)過(guò)調(diào)制來(lái)完成控制過(guò)程（例如，發(fā)出與峰值發(fā)射功率成反比的鳴叫聲）。這些機(jī)器人各自的世界模型將是嚴(yán)格 “以自我為中心”的。

當(dāng)然，動(dòng)物在成群移動(dòng)時(shí)也使用類似的模型來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。在動(dòng)物的成群活動(dòng)方面的文獻(xiàn)中，大部分文獻(xiàn)都是描述性的或粗略分析性質(zhì)的，但是Craig Reynolds在文獻(xiàn)中對(duì)這種成群活動(dòng)進(jìn)行了綜合分析，并提出了一種鳥群的動(dòng)物序列的概念。他發(fā)現(xiàn)他無(wú)法通過(guò)一次畫一只鳥的方式來(lái)制造出一群實(shí)際的鳥群，但是通過(guò)維持鳥與周圍臨近的鳥之間的特定距離關(guān)系卻可以實(shí)現(xiàn)一群鳥的仿真。

動(dòng)物行為學(xué)（對(duì)動(dòng)物行為的研究）提供了討論體現(xiàn)群體行為系統(tǒng)的自然語(yǔ)言，對(duì)自然的群體行為的研究進(jìn)入了新近出現(xiàn)的“人工生命”研究領(lǐng)域的范圍之內(nèi)，在這里需要指出的是，這種研究工作已經(jīng)是智能控制領(lǐng)域的主流。

2.0系統(tǒng)概念

在本文中所考慮的系統(tǒng)的定義特征是移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的數(shù)量是足夠大的，系統(tǒng)的指揮控制接口必須將各自成員“隱藏”在系統(tǒng)的指揮員的視線之外。各成員不一定要是小型的或者廉價(jià)的，但是經(jīng)濟(jì)和技術(shù)因素讓它們很可能具有這種特正。

系統(tǒng)由大量同樣的成員（參見(jiàn)2.3和4.0節(jié)）所組成，每個(gè)成員處理如下數(shù)據(jù)：

(a)：移動(dòng)性的某種度量，這個(gè)度量可能是十分有限的，例如在水下應(yīng)用中，成員可能只能在調(diào)整在水中的深度，并隨著水流飄動(dòng)；

(b)：某種感知功能，讓每個(gè)成員能進(jìn)行測(cè)量，最少要知道相對(duì)于最近的其它成員的位置；

(c)：某種能完成任務(wù)的傳感器或者受動(dòng)器，具有上述同樣的傳感器功能；

(d)：此項(xiàng)是可選的，某種通信功能，這種能力可以利用傳感器的功能；

(e)：某種處理功能，執(zhí)行利用受動(dòng)器的移動(dòng)性來(lái)維持傳感器所測(cè)量的與臨近成員之間的位置關(guān)系的算法。以這樣方式與任務(wù)功能傳感器或受動(dòng)器一起完成所期望的任務(wù)目標(biāo)。

2.1總體運(yùn)動(dòng)行為

完成任務(wù)目標(biāo)的關(guān)鍵是要確保單個(gè)成員個(gè)體的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)行為的總和的結(jié)果是所期望的總體上的群體行為。我們對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了如下級(jí)別的抽象：即不處理成員之間的碰撞或者有不相關(guān)聯(lián)的障礙的單個(gè)成員，成員可以被認(rèn)為是足夠小的，以至于相互之間碰撞的可能性很小，并且成員足夠健壯碰撞不會(huì)對(duì)其造成損害，或者說(shuō)，成員的損害或者損失在系統(tǒng)/任務(wù)級(jí)別是忽略不計(jì)的。

覆蓋行為：在許多情況下，我們所期望的群體行為是維持一種群體成員之間空間關(guān)系，并利用特定的本地條件來(lái)優(yōu)化這種功能的性能，這種行為被稱為“覆蓋”。在這些情況下，有必要對(duì)有效性進(jìn)行精確的度量，這對(duì)在特定任務(wù)目標(biāo)的環(huán)境下對(duì)全部系統(tǒng)性能的描述是十分有意義的。例如，當(dāng)任務(wù)的目標(biāo)是讓每個(gè)單元在廣闊區(qū)域中單位時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)的敵人數(shù)量最大，偵查小組應(yīng)當(dāng)是具有很大的規(guī)模，并且成員間隔遠(yuǎn)，但是規(guī)模小且成員間排列緊密的偵查小組卻可以在較小的掃描區(qū)域內(nèi)讓漏報(bào)的概率最小。下面列出了三種類型的覆蓋行為：

地毯覆蓋：目標(biāo)是通過(guò)靜態(tài)的成員布置在覆蓋區(qū)域內(nèi)達(dá)到最大的目標(biāo)檢測(cè)率。

障礙覆蓋：目標(biāo)是通過(guò)靜態(tài)的成員布置在讓突破障礙的敵軍的漏檢測(cè)概率最小。

掃描覆蓋：目標(biāo)是在覆蓋區(qū)域內(nèi)通過(guò)一組成員的移動(dòng)進(jìn)行覆蓋，移動(dòng)的方式是在單位時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大檢測(cè)率和單位區(qū)域內(nèi)的最小漏檢率之間的一種折中。

下表中是這三種類型的覆蓋行為可能的應(yīng)用場(chǎng)合，有時(shí)可以認(rèn)為不同系統(tǒng)可以完成同樣的需求：

應(yīng)用 覆蓋類型

布雷 障礙覆蓋

掃雷 掃描覆蓋

偵查 掃描覆蓋

放哨執(zhí)勤 障礙覆蓋

通信接力 地毯覆蓋

維修檢查 掃描覆蓋

載貨倉(cāng)FOD處理 掃描覆蓋

船體清潔 地毯覆蓋或掃描覆蓋

編隊(duì)行為：這些行為是覆蓋行為的一種替代方式的代表，期望的行為是在成員之間維持一種特定的空間關(guān)系。例如，如果一群USV（無(wú)人水面船只）或者低空飛行的UAV作為佯攻戰(zhàn)斗群，這個(gè)群體之中各成員之間的距離應(yīng)該保持得很好使這個(gè)群體看起來(lái)就像在執(zhí)行進(jìn)攻任務(wù)一樣。這類行為的一個(gè)典型例子是行軍分隊(duì)或者演習(xí)連隊(duì)，在這些群組中各成員之間在空間商是痛不得，并且伴隨著音樂(lè)在時(shí)間上也是同步的。聽(tīng)起來(lái)可能簡(jiǎn)單，但實(shí)際上卻不是這么簡(jiǎn)單！或許最簡(jiǎn)單的編隊(duì)行為的例子是在一維空間條件下的沿著道路的護(hù)航車隊(duì)；在文獻(xiàn)中描述了一種基于傳感器的保持護(hù)航車隊(duì)中車輛間距離的方法。

覆蓋和列隊(duì)行為是系統(tǒng)的“穩(wěn)定狀態(tài)”和“主體”行為，在這之外，還有比必要考慮并提供各種空域和時(shí)域“邊界條件”下的行為。

部署：各成員必須可以讓自己從可以在部署方案中簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的初始狀態(tài)進(jìn)入一種可以接受的啟動(dòng)模式中?？赡艹霈F(xiàn)的情況有以下幾種：

(a)：?jiǎn)吸c(diǎn)（例如空降），

(b)：密度適中的線性模式（例如，從移動(dòng)平臺(tái)上進(jìn)行順序部署）；

(c)：隨機(jī)分布的初始狀態(tài)，或者緊密，或者稀疏（例如，在空中突然實(shí)施散布）。

恢復(fù)：當(dāng)任務(wù)完成時(shí)，系統(tǒng)必須可以（最少在一些情況下）完全（或者大體上）恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，或者（在一些情況下）即使在單個(gè)成員失靈的情況下。這個(gè)理想的恢復(fù)模式需要各成員自動(dòng)移動(dòng)到“召集”它們的集合站點(diǎn)。在同一時(shí)間具有多個(gè)相距很近的集合站點(diǎn)應(yīng)當(dāng)也是可行的。這種結(jié)合模式顯然要保證不會(huì)向敵軍留下可乘之機(jī)。

群體的整體導(dǎo)航：需要有一中機(jī)制來(lái)以整體的形式來(lái)控制群體的移動(dòng)，以使群體可以到達(dá)執(zhí)行任務(wù)所需的地點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)這種控制方式的一些可行的方案有如下幾種：

(a)：使群體中每個(gè)成員的運(yùn)動(dòng)方向傾向于某個(gè)方向（一個(gè)可以實(shí)時(shí)“定向”的方向），這需要所有的成員公用一個(gè)通用的方向參考系）；

(b)：利用一小部分成員的方向控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，群體中的大部分成員依靠基本的相對(duì)位置控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制（像牧羊犬引導(dǎo)一群羊一樣）。

在許多應(yīng)用中需要其它通用的行為，例如：

(a)：當(dāng)某個(gè)成員失靈時(shí)，在不干擾其它成員完成任務(wù)的情況下向其它成員求助；

(b)：在不干擾全局任務(wù)的情況下，讓成員自己進(jìn)行例行維護(hù)（例如電池充電）。

2.2需要分析的問(wèn)題

在定義了一系列類型的所期望的移動(dòng)行為之后，系統(tǒng)未來(lái)的開發(fā)人員還必須對(duì)有大量移動(dòng)成員所組成的系統(tǒng)的復(fù)雜行為有足夠的理解。下面列出了一些需要考慮的領(lǐng)域:

行為的隨機(jī)性：將隨機(jī)性引入導(dǎo)航算法被證明是合理的。在實(shí)際的系統(tǒng)中，這有助于解決潛在的死鎖情況，加強(qiáng)任務(wù)傳感器的有效性并增強(qiáng)對(duì)敵軍欺騙威脅的抵抗力。另外，在仿真系統(tǒng)中，算法隨機(jī)性可以用在一些實(shí)際傳感器和受動(dòng)器行為限制的建模中。

障礙和可遍歷性：可遍歷性的概念在二維（地面）環(huán)境中是很重要的：有必要對(duì)點(diǎn)障礙和延伸障礙的存在進(jìn)行區(qū)分，或者相反的說(shuō)，導(dǎo)航實(shí)際上可以限制在一小部分可能的路由上。這些信息具有全局（任務(wù)級(jí)）的重要性，必須要弄清楚并向指揮員報(bào)告。在導(dǎo)航/機(jī)動(dòng)界別，系統(tǒng)的行為必須要在存在各種不同類型的障礙的情況下保持健壯性：群體不應(yīng)該一個(gè)接一個(gè)的從高處翻滾，也不應(yīng)該在低處重疊在各自身上。

內(nèi)部的動(dòng)態(tài)狀態(tài)：一個(gè)群體的整體運(yùn)動(dòng)可以被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)整體行為的群體獨(dú)立的內(nèi)部動(dòng)態(tài)。在算法和傳感器功能的基礎(chǔ)上，同樣的群體運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)利用一系列會(huì)產(chǎn)生十分不同的內(nèi)部行為的其它不同的策略來(lái)實(shí)現(xiàn)。以物理狀態(tài)進(jìn)行分離，這些內(nèi)部模式可以簡(jiǎn)單的分為如下幾類：

如果群體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，各成員間保持嚴(yán)格的相對(duì)地理位置關(guān)系，我們可以講這種群體認(rèn)為是固態(tài)的；而如果相對(duì)地理關(guān)系是重復(fù)的，則是晶體狀態(tài)的；除此之外是非結(jié)晶的。如果成員間自由移動(dòng)，但是成員的密度保持不變，這種群體可以認(rèn)為是液態(tài)的。最后，如果密度是變化的，并且成員個(gè)體可以漂移出去，我們可以將這個(gè)群體看作是氣態(tài)的。試驗(yàn)證明，類似于溫度或壓力的統(tǒng)計(jì)學(xué)度量方法在群體行為的分類中也是有效地。

2.3可能的生物系統(tǒng)類推

在我們所討論的人工系統(tǒng)與動(dòng)物的行為之間，已經(jīng)進(jìn)行了很多的類推和比較，因此我們可以在自然生物系統(tǒng)中尋找可以用于我們需求的方法。例如：

變形蟲的爬行運(yùn)動(dòng)具有一種特殊的模式，即當(dāng)群體通過(guò)“流動(dòng)”的環(huán)形模式運(yùn)動(dòng)時(shí)，群組最外層的成員在任意給定的時(shí)刻都是靜止的。在很多情況下，這會(huì)使傳感器的性能比所有的成員都處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)要強(qiáng)。

信息素是一種動(dòng)物用來(lái)通信的化學(xué)物質(zhì)。例如，螞蟻會(huì)在它們巢穴和水源之間的路途中留下信息素。在一些應(yīng)用中，可以用例如撒微小的發(fā)射玻璃頭的簡(jiǎn)單人工信息素方法。人工信息素的關(guān)鍵部分是衰退率以及隱蔽性。欺騙性也是一個(gè)問(wèn)題，理想的信息素應(yīng)該使用加密技術(shù)。

人體的免疫系統(tǒng)和螞蟻的聚居都提供了自然系統(tǒng)該如何使用不同特點(diǎn)和功能的元素來(lái)實(shí)現(xiàn)期望目標(biāo)的模型。一些細(xì)胞檢測(cè)人體內(nèi)的入侵者并對(duì)其進(jìn)行“標(biāo)記”，其它細(xì)胞如果發(fā)現(xiàn)了這個(gè)標(biāo)記就摧毀這個(gè)入侵者。螞蟻的分工系統(tǒng)與此類似。將能力進(jìn)行何種混合擦你能最有效和高效的完成某項(xiàng)任務(wù)呢？從安全相關(guān)的任務(wù)來(lái)看，入侵檢測(cè)任務(wù)中定位，鑒別以及中和需要不同的能力。利用很多廉價(jià)的傳感器來(lái)進(jìn)行最初的檢測(cè)任務(wù)，然后利用數(shù)量相對(duì)較少的一組功能更強(qiáng)的傳感器來(lái)執(zhí)行最初的威脅接觸并在入侵者被確認(rèn)的情況下做相應(yīng)的處理。Deneuboura在文獻(xiàn)中通過(guò)仿真演示了螞蟻的分類行為可以通過(guò)環(huán)境信號(hào)最簡(jiǎn)單的概率偏置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

工蜂可以執(zhí)行很多不同的任務(wù)，它們花費(fèi)很大部分的時(shí)間在蜂巢周圍“巡邏”，并可以根據(jù)很多簡(jiǎn)單信號(hào)來(lái)啟動(dòng)不同的生成活動(dòng)。因此蜜蜂可以提供一個(gè)獲得“有目的”的相互協(xié)調(diào)，對(duì)環(huán)境變化敏感的群體行為的模型，這個(gè)模型并不是全局模型，實(shí)際上，明確的全局判斷并不能成為任何類型的模型。這種基于單反應(yīng)計(jì)劃的交互的準(zhǔn)智能“突發(fā)行為”已經(jīng)用于簡(jiǎn)單的車輛系統(tǒng)中，這個(gè)工作被認(rèn)為是較復(fù)雜系統(tǒng)最基本的研制方法。目前的方法就屬于此類。

3.0項(xiàng)目仿真和初步結(jié)果

在1992財(cái)年，我們啟動(dòng)了一個(gè)分析，建模和算法研制和仿真項(xiàng)目，目的是對(duì)所有的系統(tǒng)方法進(jìn)行驗(yàn)證。仿真開始是在二維世界中進(jìn)行的，每個(gè)成員知道相鄰成員具體的相對(duì)位置，相鄰模型和傳感器功能以及限制（起初是對(duì)稱的）將在仿真項(xiàng)目的第二次迭代中實(shí)現(xiàn)。最終，模型將用在三維世界中，并且系統(tǒng)將具有更加詳細(xì)的傳感器模型和預(yù)處理傳感器。

仿真程序已經(jīng)在Macintosh操作系統(tǒng)和Symantec的Think C編譯器及相關(guān)開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行了編程，在編程中盡量不使用Macintosh操作系統(tǒng)相關(guān)的指令，以使程序具有最大的平臺(tái)可移植性和計(jì)算性能。仿真程序可以支持10個(gè)不同控制行為群組的成員（機(jī)器人）的創(chuàng)建，成員總數(shù)可以達(dá)到200個(gè)。仿真程序用戶在創(chuàng)建成員簇時(shí)可以指定一簇中有多少成員、簇的模式（圓形隨機(jī)分布或者指定大小和位置的矩形分步）、初始速度（在某種速度區(qū)間內(nèi)隨機(jī)分布）、何種行為（零加速、特定速度，指定時(shí)間和位置的集合或者傳感器基礎(chǔ)上的集群算法中的一種）。仿真對(duì)每個(gè)單獨(dú)的成員的航向和速度進(jìn)行導(dǎo)航，利用安裝在沒(méi)有被仿真的較低幾倍的控制器上的控制閥門和轉(zhuǎn)向裝置實(shí)現(xiàn)所需的速度和航向，仿真還可圍繞點(diǎn)障礙（例如其它成員）實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。不同群體的成員的行為可以在仿真過(guò)程中通過(guò)用戶命令進(jìn)行更改。一次仿真運(yùn)行可以以包含關(guān)鍵幀文件的形式進(jìn)行保存。

圖2中所示是一次仿真中的一些幀序列，一個(gè)包含40個(gè)成員的群體正在執(zhí)行一種“凝聚”行為，即從分散的初始配置位置集中到一起。實(shí)際的算法非常簡(jiǎn)單：如果某一個(gè)成員所有相鄰成員的最小方位角都小于 180度（即，如果能通過(guò)某個(gè)成員畫一條線，并且這個(gè)成員所有的相鄰成員都在這條線的同一側(cè)），那么這個(gè)成員就被認(rèn)為是在群的“邊緣”。處于“邊緣”的成員以固定的速度沿著方位角的角平分線移動(dòng)，而不在“邊緣”的成員保持靜止。因而，隨著“外部”元素“掃描”剩余的節(jié)點(diǎn)，凝聚過(guò)程得以繼續(xù)。這個(gè)算法的分角部分是由Sugihara和Suzuki最先發(fā)現(xiàn)的，他們的論文討論了一些其它有趣的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)算法。在實(shí)際應(yīng)用中，利用一種補(bǔ)償（或者在一些實(shí)現(xiàn)中，“競(jìng)爭(zhēng)”）行為可以在達(dá)到期望的元素密度時(shí)中止凝聚過(guò)程。

關(guān)于凝聚算法及其仿真，還有一些有趣的特征可以討論。首先，算法是相當(dāng)健壯的，即使在傳感器的感應(yīng)距離比配置時(shí)的初始值要小得多的時(shí)候，只要傳感器的探測(cè)能創(chuàng)建一個(gè)連接的圖，算法也可以創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的排列緊湊的群體。（如果圖是由不相連接的片組成，每片將凝聚形成一個(gè)單獨(dú)的組）。之所以能夠這樣是因?yàn)槿我庖粋€(gè)移動(dòng)的成員都在向靠近其它成員的方向運(yùn)動(dòng)。第二點(diǎn)是凝聚過(guò)程不需要任何類型的全局位置信息；群的指揮員并不是“向LATLONG位置凝聚”，而只是“凝聚”。第三點(diǎn)是算法只利用了來(lái)自傳感器的方位角信息，而不需要其它數(shù)據(jù)。然而，算法在效果上與只用范圍數(shù)據(jù)的方法或者范圍數(shù)據(jù)和方位角數(shù)據(jù)混合方法是相似的。第四點(diǎn)，在初始安裝中，因?yàn)?ldquo;在邊緣”和“不在邊緣”兩種情況下，成員的運(yùn)動(dòng)具有不連續(xù)性，時(shí)間分布仿真在配置的“邊角”位置引入了一種人造簇，不同成員在“邊角簇”交替前進(jìn)，輪流處于 “邊緣”狀態(tài)。但是，這種“人為”的集中力量可能在某些戰(zhàn)斗情況中被認(rèn)為是可以值得擁有的特征，算法在生成真實(shí)（仿真）機(jī)器人時(shí)可以在時(shí)間上進(jìn)行量化。

4.0指揮控制以及系統(tǒng)問(wèn)題

為了有效地利用資源，指揮必須要理解他所使用的工具：他必須要知道他能讓下級(jí)單元做什么，他們能夠做什么，以及在各種條件下最應(yīng)該做什么。指揮員在“游戲”中的參數(shù)是在訓(xùn)練和演習(xí)中建立的。這些考慮同樣適用于自主無(wú)人單元的應(yīng)用中。我們要向未來(lái)的指揮員提供以下的模型：

單元功能模型：了解能向單元分配的任務(wù)范圍，單元能做出回應(yīng)的基本的命令；

單元執(zhí)行能力模型：了解單元能以多快的速度移動(dòng)，移動(dòng)范圍能有多遠(yuǎn)，武器以及傳感器的作用范圍以及效能，在各種威脅下自我防衛(wèi)的能力，通信資源的連接性和有效性，以及后勤保障支持需求。

單元行為模型：了解下屬單元指揮員在訓(xùn)練和接收到特殊指令的基礎(chǔ)上如何對(duì)一系列范圍很廣的情況做出回應(yīng)：如何使用機(jī)動(dòng)性，武器，傳感器和通信能力。

本文所做工作的目的是提出“覆蓋行為”的概念并讓其作為多機(jī)器人系統(tǒng)通用的范例，換句話說(shuō)，作為一個(gè)與多種不同應(yīng)用相關(guān)的單元功能模型。最后，我們還會(huì)開發(fā)一些列對(duì)單元執(zhí)行能力進(jìn)行分類的分析工具。這些工作還包括用模型受動(dòng)器（武器或者傳感器）有效性（檢測(cè)概率或者攻擊成功率）對(duì)即時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)情形進(jìn)行分析，當(dāng)成員接近潛在目標(biāo)及隨后撤退時(shí)為器提供合理的建議。關(guān)鍵問(wèn)題是如何恰當(dāng)?shù)臉?biāo)示成功概率與相對(duì)時(shí)間和空間間隔的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性。我們的計(jì)劃是從群體行為的定義開始，然后提出這些群體行為使用的傳感器和受動(dòng)器的有效性度量(MOEs)，并以MOE是的形式對(duì)群體行為進(jìn)行驗(yàn)證。

在真實(shí)系統(tǒng)部署此之前，還要提出一個(gè)單元行為模型，這在某種意義上說(shuō)是和對(duì)“虛擬下級(jí)指揮員”進(jìn)行建模是一致的。如果單元行為確實(shí)是可適應(yīng)的，并且不是令人失望的“不友好”，那么就有必要用明確的策略來(lái)處理許多人會(huì)用“常識(shí)”來(lái)處理得情況。對(duì)所有可能的相關(guān)情形進(jìn)行遍歷首先就不是簡(jiǎn)單工作，這包括大量不需要行動(dòng)而只是向指揮員發(fā)送“這里有些奇怪的事情發(fā)生…”的信息的情況。

還有其它一些問(wèn)題需要考慮。例如，考慮一群 10000個(gè)成員的群體在以目標(biāo)為中心，1km半徑的圓形區(qū)域內(nèi)的部署。假如兩個(gè)5000個(gè)成員部署器中有一個(gè)失靈，剩余的5000個(gè)成員怎么辦？一個(gè)最明顯的可能是保持成員的空間，將半徑減少至700米。另一個(gè)明顯的可能是保持1km半徑的覆蓋范圍，但是增加成員間的間距（從大概平均8-9m增大至大約 12米）。或者我們可以區(qū)分不同情況。方法是，當(dāng)這種命令是一種可能隨著任務(wù)不同發(fā)生改變的“高級(jí)”政策決定時(shí)，暗示著有必要設(shè)計(jì)一個(gè)“低級(jí)別”的凝聚算法。如果間距保持不變，算法就可能是“如果局部密度太低，則向信號(hào)源移動(dòng)，如果密度過(guò)高，則向密度降低的方向移動(dòng)”。

如何處理與指揮員的通信也是一個(gè)問(wèn)題。正如希望加入可以通過(guò)向所有參與的成員廣播一個(gè)單獨(dú)信息引起的整體行為一樣，我們對(duì)有很清楚的強(qiáng)烈需求希望能夠讓各個(gè)單元向指揮員發(fā)送回饋信息，作為很多單獨(dú)成員只是的融合，而不需要各個(gè)成員單獨(dú)匯報(bào)。這種方式有一個(gè)潛在的需求，即需要各成員某種分層次組織，不是為了指揮，而是為了匯報(bào)。這種組織可能是參數(shù)化的，基于不同成員的不同固有差別的，或者是可變的，反應(yīng)不同成員當(dāng)前狀態(tài)（例如在凝聚行為例子中的“邊緣”狀態(tài)）。

5.0未來(lái)演示和實(shí)現(xiàn)

這種方法的可信度最終取決于使用真正物理機(jī)器人的真實(shí)的物理行為。當(dāng)資金允許是，我們計(jì)劃使用廉價(jià)的“玩具”車輛，“智能”傳感器，和一個(gè)簡(jiǎn)便實(shí)現(xiàn)的控制器來(lái)演示一個(gè)有可用于一類軍事應(yīng)用中的有目的的群體行為。

我們可以采用的一種方案是，使用現(xiàn)有的車輛群，例如麻省理工學(xué)院機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的20個(gè)IS Robotics R-1 室內(nèi)機(jī)器人（每個(gè)機(jī)器人重量4磅）的“Nerd Herd”，來(lái)實(shí)現(xiàn)初步的演示。R-1使用Brooks的包含體系，提供一個(gè)非常合理的基于Macintosh的軟件開發(fā)環(huán)境，并且使用聲音信號(hào)讓每個(gè) R-1知道其它所有成員的位置，所以利用他們進(jìn)行基于“偽傳感器”的行為仿真是十分方便的。

第二套方案是開發(fā)和實(shí)現(xiàn)一種非常廉價(jià)的機(jī)器人車輛（目標(biāo)是每個(gè)機(jī)器人車輛小于1k美元，而R-1的單元花費(fèi)是5k美元），具有恰當(dāng)?shù)膫鞲衅骱吞幚砉δ?，能夠讓幾十個(gè)成員在幾百米的區(qū)域進(jìn)行室外演示。這項(xiàng)任務(wù)的一個(gè)備選技術(shù)是Echelon公司的“局部操作網(wǎng)絡(luò)”（“LON”）范例。LON利用控制技術(shù)為非常廉價(jià)的機(jī)器人成員提供高效的實(shí)現(xiàn)，項(xiàng)目處理器組件的花費(fèi)大約在2美元到5美元之間，而RF調(diào)制解調(diào)器的花費(fèi)小于10美元。另外，Echelon的硬件在提供傳感器和受動(dòng)器的控制功能之外還提供全套通信協(xié)議。

但是，最后這種原型系統(tǒng)的開發(fā)還是超出了 6.1預(yù)算，項(xiàng)目必須集中于單個(gè)實(shí)際世界應(yīng)用（或者小部分相關(guān)應(yīng)用）。仿真和建模共作的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是確定能用于實(shí)際軍事應(yīng)用的備選系統(tǒng)，對(duì)所需群體行為進(jìn)行量化分類（以成員數(shù)量，成員間距和運(yùn)動(dòng)參數(shù)），并開發(fā)一個(gè)可以滿足（包括成員傳感器，受動(dòng)器和處理器需求）應(yīng)用的智能機(jī)器人概念設(shè)計(jì)。