自主机器人的伴随观察模式及其软件实现框架

作     者：薛元洲 杨硕 毛新军 XUE Yuanzhou;YANG Shuo;MAO Xinjun

作者机构：国防科技大学计算机学院长沙410073 复杂系统软件工程湖南省重点实验室长沙410073 国防科技大学系统工程学院长沙410073 

基　　金：国家自然科学基金(62172426) 

出 版 物：《计算机科学》 (Computer Science)

年 卷 期：2023年第50卷第7期

页      码：1-9页

摘      要：自主机器人是一类运行于开放环境下、可自主决策和执行其自主行为的信息物理系统,它根据任务需求进行决策产生行为策略并调度执行。环境状态的动态变化性常常导致规划的行为策略不再适用于当前环境,使得行为执行的结果不符合预期,从而影响自主机器人的任务实现。上述问题对自主机器人软件的行为决策和软件构造均提出了更高的要求。一方面,自主机器人需在行为策略执行过程中加强对环境状态及其变化的观察,并基于观察的结果及时、灵活地调整行为决策,提升机器人的观察模式及行为决策算法的复杂度。另一方面,上述观察、决策、执行行为的复杂交互提升了软件构件抽象及数据交互的复杂性,如何抽象机器人的传感、决策、效应等软构件功能,并提供相适配的软件架构,成为自主机器人软件构造面临的重要挑战。针对上述挑战,首先提出自主机器人伴随行为的思想,显式定义观察与效应行为之间的伴随交互关系,根据行为执行不同阶段提出前提伴随观察模式和目标伴随观察模式,以提升自主机器人对环境变化的感知能力和决策调整能力。其次,开发了一款基于多智能体系统的自主机器人软件开发框架AutoRobot,该框架将机器人的传感器、效应器及规划器抽象为一组自主的软件智能体,智能体间通过自主决策和协同实现上述伴随观察模式。AutoRobot框架针对不同角色智能体设计和封装了一组可重用的软件组件,可有效支持自主机器人软件的复用和高效开发。最后,开展了仿真环境下的实验分析,通过与ROSPlan和DESPOT两种自主机器人任务规划和执行方法进行对比,验证了基于伴随观察模式的任务规划与执行的高效性和有效性。

主 题 词：自主机器人 开放环境 伴随观察模式 任务规划 任务执行 

学科分类：08[工学] 0835[0835] 081202[081202] 0812[工学-测绘类] 

D　O　I：10.11896/jsjkx.221200020

馆 藏 号：203122492...