第四章 多機器人合作策略與行為控制架構
4.3 已知環境合作搜尋策略
首先針對所要搜尋的場地環境來做定義，可歸分成以下兩種:
(1) 已知環境: 只知道所要搜尋的場地面積大小，但是並不知道場地裡面的環境 擺設，當然也不知道目標物的位置。
(2) 未知環境: 對所要搜尋的場地完全不知道，如場地大小、目標物位置、環境 擺設等等。
以上兩種環境都必須要依靠機器人本身自主的搜尋和感測，有了對場地的基 本定義後，將分別提出一套合作策略以及所相對應的行為模式架構，使多機器人
可以自主性的達到合作搜尋目標物的任務。
對於搜救者而言，知道越多災難現場的資訊，相對來說，在執行搜救任務上 會更有幫助，同樣的，如果事先可以知道場地的一些資訊，將可以有效的提升機 器人自主搜尋的能力。在本論文中，已知環境對於機器人而言，得到的資訊就是 知道所要搜尋的場地大小，以下將詳細的介紹針對已知環境而設計的合作搜尋策 略。
仿照吸塵器機器人的概念，利用一次可感測的範圍來規劃下一步該往哪裡走 以及走多少距離，相對於本論文的機器人，主要感測環境的感測器為超音波感測 器和雷射掃瞄器，透過前面章節2.3的感測器硬體討論，可以得知:
(1) 雷射掃瞄器在 400cm 以內的範圍都可以偵測到很精確的距離資訊。
(2) 超音波感測器則在 60cm 範圍內的感測可以偵測到比較精確的距離資訊。
(3) 機器人的尺寸為長 40cm、寬 20cm。
所以首先對於各機器人本身定義一個個人的區域範圍，如圖 4-3所示。
圖 4-3 機器人個人區域
利用機器人個人區域為判斷依據，首先設計一合作策略，本論文在此定義為 個人區域策略(簡稱algorithm1)，以一個350cm X 350cm的場地為例，如圖 4-4所 示，對於每台機器人都有定義其個人的區域範圍，如圖上圓圈所示，每個圓圈大 小為直徑100cm。
各機器人本身具備自主搜尋的能力，每隔一段時間後將透過ZigBee無線通訊 來進行資訊的交換，分享目前每台機器人的個人區域是否有重疊到，透過此機制 來達到分散的動作，如圖 4-4所示，當Robot1和Robot2的區域範圍互相重疊到 時，另外Robot2則做出避開此區域的動作，透過此方法將可以達到初步的分散動 作，整體的運作模式如下:
自主能力:
(1) 具備自主的隨機環境探索行為。
(2) 機器人透過超音波感測器或雷射掃瞄器來達到避開環境中的障礙物。
(3) 透過攝影機來判別是否有發現目標物，如果有就停止搜尋。
合作能力:
(1) 各機器人透過ZigBee無線通訊來交換訊息，包括機器人的位置資訊(由馬達 Encoder得知)以及機器人狀態(是否找到目標物)。
(2) 透過位置資訊可以得知是否有重疊到其他機器人的個人區域，如果有重疊到 就進行避開的動作，以此來達到分散在環境中。
r
Target
r
Robot individual area Inter-robot communication Ro1bot
Robot 3 Robot
2
350
圖 4-4 個人區域策略示意圖
使用個人區域策略(簡稱 algorithm1)將會出現一個疑問，也就是機器人間的分 散與搜尋場地間是否有直接的對應關係，因此為了讓分散程度跟搜尋場地有直接 的關係，所以延伸出另外一個策略，本論文在此定義為虛擬區域劃分策略(簡稱 algorithm2)。
接下來將詳細說明其策略的設計概念以及運作流程，經由使用虛擬區域劃分 策略，將可以改善其個人區域策略的缺點，在本論文的第五章，首先會透過模擬 來分析、比較個人區域策略和虛擬區域劃分策略，經由模擬結果，在已知環境中，
本論文將採用虛擬區域劃分策略。
虛擬區域劃分策略的設計概念，來自多機器人的地圖建立，目前就地圖建立 的方法，大部分都會對所感測過的範圍以一個範圍表示在地圖上，所以如果整個 地圖完成後，相對於機器人內部而言，環境將變成許多大小一樣的方形範圍，以 方塊的多少來表示場地的大小。先對場地做虛擬的區域劃分，再以劃分好的區塊 為判斷依據，目的使多機器人有效的分散在環境中。
z 策略說明
首先針對所要搜尋的場地進行虛擬的區域劃分，至於多大範圍畫分一個區塊 則視機器人的感測能力，如同前面章節2.3說明:
(1) 超音波感測器在 60cm 內量測都很精準。
(2) 機器人長度 40cm。
所以在區塊的劃分上採用以100cm X 100 cm為大小當成ㄧ個區塊，如圖 4-5 所示，為一個原本長度350cm、寬度 350 cm的場地，經由使用虛擬區域劃分後，
如圖 4-6所示，整個場地被劃分成九個區塊。
350
圖 4-5 350cm X 350cm 場地 圖 4-6 350cm X 350cm 場地(虛擬劃 分)
自主能力:
(1) 具備自主的隨機環境探索行為。
(2) 機器人透過超音波感測器或雷射掃瞄器來達到避開環境中的障礙物
(3) 透過攝影機判別是否有發現目標物，如果有就停止搜尋動作，沒有的話就在 環境中隨機搜尋，而本論文把機器人自主能力所產生的行為歸類為個別行為。
合作能力:
(1) 各機器人透過 ZigBee 無線通訊進行資訊交換，所交換的資訊包括目前各機器 人本身所在的區塊編號，以及位置座標(由馬達 Encoder 取得)。
(2) 各機器人本身具備自我決策系統，判斷其他機器人的區塊編號以及位置資 訊，當機器人本身的區塊如果有跟其他機器人的區塊重疊到時，將進行避開 的動作，而如果目前所在的區塊都沒有跟其他機器人所在區塊重疊到時，機 器人下一步將會避開有機器人在的區塊搜尋，以此機制來讓多機器人分散在 環境中，如圖 4-7所示，在此把透過ZigBee無線通訊產生合作的行為歸類為 群體行為，下面將分別詳細介紹個別行為以及群體行為的設計。
Target
350
350
1 2 3
4 5 6
7 8 9
Robot
Robot
Robot bo Ro
t
Inter-robot communication
圖 4-7 虛擬區域劃分策略示意圖
4.3.1 群體行為設計
使用虛擬區域劃分策略時，在機器人之間的合作溝通、協調上，預計會遇到 兩種狀況，分別為:
(1) 如果有兩台以上的機器人在同一區塊，將設計 inter-robot avoidance 行為來處 理此種狀況。
(2) 各機器人都處在不一樣的區塊，將設計 robot wander 行為來處理此種狀況。
z inter-robot avoidance 行為
在搜尋環境上共劃分許多區塊，而各機器人分別會處在不同的區塊上，但是 避免不了兩台以上的機器人同時存在同一區塊，為了解決此問題的發生，設計一 個避開的動作來讓機器人離開相同的區塊，如圖 4-8所示，當兩台機器人同時知 道有另外一台機器人處在同一區塊時，將會進行轉向避開的動作，透過此行為將 可以使雙方都離開此區塊。
圖 4-8 inter-robot avoidance 行為示意圖
z robot wander 行為
對於原本就各分散在環境中的狀況，當然會希望一直保持著這種分散的程 度，透過無線通訊知道其他機器人處在哪些區塊後，機器人下一步將會避免朝向 有機器人在的區塊，概念為把有機器人在的區塊也當成障礙物，如果快接近其他 機器人的所在區塊時，將進行避開轉向的動作，如圖 4-9所示，透過此行為期待 可以達到維持各機器人都分散在不同區塊的狀態。而如何避開有機器人在的區 塊，概念就像先前所提到的個人區域策略，透過定位知道機器人本身的位置後，
虛擬產生一個區域範圍，利用判斷此虛擬的範圍是否重疊到區塊，如果有的話就 做避開的動作。
Robot1
Robot 2
Robot3
Robot 2
圖 4-9 robot wander 行為示意圖
4.3.2 個別行為設計
個別行為在本論文中定義為自主機器人本身所具備的基本功能，所以個別行 為同樣適用在沒有合作機制下的自主搜尋，在行為的設計上以機器人所要執行的 任務為參考，以本論文的搜救機器人應用議題來說，機器人必須具備:
(1) 有找尋目標物的能力，設計 find target行為。 (2) 環境中避障的能力，設計 obstacle avoidance 行為。
(3) 環境中隨機探索的能力，設計 wander 行為。
z find target 行為
找尋目標物為搜尋任務的最終目的，所以首先對於目標物做定義，在本論文 中目標物為一個具有特定顏色的物體，如圖 4-10所示，透過配置在機器人上的 攝影機來進行顏色的辨識，如果有發現目標物時，將會即時反應出此行為，目前 此行為所做的動作為機器人將會停止搜尋任務。
圖 4-10 目標物 z obstacle avoidance 行為
搜尋的場地為有擺設障礙物的密閉空間，所以機器人本身必須要具備可以閃 開障礙物的行為，如同前面章節2.4所介紹的，不同感測器有其相對應的避障演 算法，第二代機器人配置雷射掃瞄器，可做180 度的環境掃描，如圖 4-11所示，
而第三代機器人左、右邊各配置一個超音波，如圖 4-12所示。透過避障演算法，
將可以使機器人免於接觸到障礙物。
圖 4-11 雷射避障示意圖 圖 4-12 超音波避障示意圖
z wander 行為
隨機探索功能讓機器人於環境空間中能四處自由移動並探索是否有目標物 的存在。其做法在於讓機器人在一段固定的時間週期內隨機選取一預設範圍內之 角速度ω(rad/s)，再輸出到馬達中，如此機器人便會在環境中四處移動，以達到 環境探索之目的。
4.3.3 整合群體行為與個別行為之合作搜尋架構
如圖 4-13所示，為虛擬區域劃分策略所相對應的基於行為模式之多機器人 合 作 搜 尋 架 構 ， 首 先 透 過 機 器 人 間 通 訊 可 以 得 知 目 前 為 執 行 搜 救 任 務 (exploring)，同時可能產生兩個群體行為(inter-robot avoidance、robot wander)，而 機 器 人 本 身 則 透 過 環 境 感 測 可 能 產 生 三 個 個 別 行 為(find target 、 obstacle avoidance、wander)，最後同時出現的行為透過優先權(priority)的比較來產生最後 的行為輸出(v、w)，而圖中priority1代表最高優先權，priority5代表最低優先權。
z 行為輸出說明
這邊將透過例子來介紹經由優先權的選擇來輸出行為，如圖 4-14所示，
Robot3在環境中探索，此時透過ZigBee無線通訊交換訊息後，產生對Robot1做
Robot3在環境中探索，此時透過ZigBee無線通訊交換訊息後，產生對Robot1做