第五章 多机器人系统(200874)
多机器人协作系统的任务分配策略
多机器人协作系统的任务分配策略在当今科技飞速发展的时代，多机器人协作系统在各个领域都发挥着越来越重要的作用，从工业生产到医疗救援，从太空探索到家庭服务，它们的身影无处不在。
而在多机器人协作系统中，任务分配策略无疑是关键的一环，它直接影响着整个系统的效率和性能。
想象一下，在一个繁忙的工厂车间里，有多个机器人共同工作。
如果任务分配不合理，可能会导致某些机器人过度劳累，而另一些则闲置无事，这不仅会降低生产效率，还可能增加设备的损耗和维修成本。
同样，在灾难救援现场，若机器人的任务分配不当，可能会延误救援时机，造成无法挽回的损失。
那么，什么是多机器人协作系统的任务分配策略呢？简单来说，就是如何将一系列的任务合理地分配给多个机器人，使得它们能够协同工作，以最高的效率和最好的质量完成任务。
这可不是一件简单的事情，需要考虑众多因素。
首先，要充分了解任务的特点和要求。
不同的任务可能具有不同的复杂度、紧急程度、时间限制等。
有些任务可能需要高精度的操作，而有些则更注重速度和力量。
比如在物流仓库中，搬运重物的任务可能更适合力量型机器人，而分拣小件物品的任务则需要精度较高的机器人来完成。
其次，要清楚每个机器人的能力和特点。
每个机器人都有其独特的性能参数，如运动速度、负载能力、操作精度、续航时间等。
只有了解了这些，才能将合适的任务分配给合适的机器人。
例如，一个续航时间较短的机器人就不适合被分配到距离充电点较远且耗时较长的任务。
接下来，考虑环境因素也至关重要。
工作环境的复杂性、障碍物的分布、空间的大小等都会影响机器人执行任务的效率和安全性。
在狭窄的空间中，大型机器人可能行动不便，而小型机器人则能更灵活地穿梭。
在实际的任务分配中，有几种常见的策略。
一种是集中式分配策略，即由一个中央控制器收集所有任务和机器人的信息，然后进行统一分配。
这种策略的优点是能够全局统筹，做出最优的分配决策，但缺点是对中央控制器的计算能力和通信能力要求较高，一旦中央控制器出现故障，整个系统可能会瘫痪。
多机器人系统
在本文中, 基于自组织映射(SOM)神经网络的任务分配方法被提出用于存在不确定因素的动态环境的多机器人系统。
它能够动态地控制一群移动机器人来实现在不同位置的多个任务以致于预期数量的机器人将从任意的初始位置到达每一个目标位置。
在此方法中，机器人运动与规划任务分配相结合，因此一旦给定全局任务机器人便开始运动。
机器人导航可以保证当存在一些不确定因素，比如一些机器人出故障的情况下动态调整使每个目标位置仍将有预期数量的机器人到达。
该方法能够应对不断变化的环境，其有效性通过仿真实验得到验证。
自1970年代以来多机器人系统在各种各样的任务中已经得到多方面研究。
在将总体任务分为几个子任务、将团队分为单个机器人并同时执行子任务时，移动机器人团队可以很快且高效的完成被分配的任务。
多机器人系统相比单个机器人有更加明显的优势，比如更快的操作，更高的效率和更好的可靠性。
关键的挑战是协调与合作这些机器人完成总体任务时实现令人满意的表现。
多机器人系统的任务分配是控制一群移动机器人使他们到达指定的目标位置, 使每个机器人之间进行协调与合作。
已经有一些有效控制一组机器人移动到目标位置的相关研究。
大多数算法在静态的环境中提出了对任务分配问题，例如，[1]图像匹配算法, [2]单纯的网络算法，[3]分布式拍卖算法, [4]遗传算法，[5]机器人的基本算法，和[6]动态禁忌搜索算法。
这些算法主要关注任务分配问题而不考虑机器人运动问题。
其结果是机器人不能移动直到他们的目的地被指定。
此外,这些方法不能处理移动目标。
分析师et al。
[7]提出了使用出于流体自发的模式形成的模式形成原则，流体加热和冷却从上面可以生成卷或六角模式的算法。
获取自我行为的模式构成原理的关键思想是构建一个合适的动态系统，在此系统中动态变化可以被识别的机器人系统。
该算法执行二维或三维空间中自治移动机器人到目标任务的分配。
然而，它不能用在复杂的情况下，例如多数机器人被分配到同一个目标位置。
多机器人系统
同样受蜂群和蚁群的启发，哈佛大学发明了一组由1024个微 型机器人 Kilobot组成的机器人群组，这组机器人可以在没 有中央智能控制系统协调和组织的情况下，自行协作完成指 定的任务。理论上讲，这个(zhè ge)机器人群组的大小、规 模和复杂度是没有限制的，可以根据需要进行调整。甚至可 以自行组合出另一个全新的机器人。Kilobot 机器人可以在 帮助石油泄漏理、深海冒险等领域。
目前已完成Sambot机器人之间的自主对接(duì jiē)与给定构型机器人结构的运动控 制等实验。群体系统通过个体机器人之间的相互连接与分离，构建能够自动适应空间和 其它复杂非结构化环境的变化的“形态”和“神经”可协同进化的机器人结构。
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产品展示
Robi是由东京大学与丰田汽车共同研制的智能机 器人，外形酷似“阿童木”，具有面部识别功能 ，眼睛会根据情绪的变化而改变颜色，并可通过 语音识别与人和机器人进行(jìnxíng)简单的对话 。上图是日本东京DIY机械展览上100个robi机器 人通过语音控制大跳“广场舞”。
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多机器人系统 (xìtǒng)
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01 Bionic-Robot 分类？
02 什么是多机器人系统？ 03 多机器人系统(xìtǒng)的灵感来源
04 为什么要研究多机器人系统？
05 多机器人系统的特点？
06 多机器人系统适合执行的任务？ 07 多机器人系统的社会/个体特征？ 08 多机器人系统的主要研究内容？
精品文档
产品展示
这些机器人由比利时布鲁塞尔自由大学的Marco Dorigo牵头，由来自意大利、瑞士的研究人员共同 开发。基于蚁群原理但并没有互相通信的能力，仅 仅依据周围的情况自行判断。在任务场景中它们会 搜索红色目标，并用钳子抓住它，这时机器人就会 把自己的颜色(yánsè)从蓝转为红，最终所有的机器 人都连成了一串，整个场景中已经没有蓝色物体， 这时它们就开始齐心合力的拖动目标了。
多机器人协作控制系统的设计与实现
多机器人协作控制系统的设计与实现一、概述现代制造业趋于高度自动化，多机器人协作控制系统可以提高生产效率和质量，同时降低了人工成本。
这种系统使用多台机器人完成单个任务，这可以在快速执行任务时节省时间和劳动力。
本文将探讨多机器人协作控制系统的设计与实现。
二、多机器人协作控制系统的优势1. 提高生产效率和质量：使用多台机器人协作可以实现高效率的生产流程，并且可以保证产品的一致性和质量。
2. 增加生产灵活性：多机器人协作系统可以根据需要容易地配置和重构，以满足不同的生产需求。
3. 减少人工成本：使用多台机器人可以减少雇用大量工人的成本，而且这些机器人可以在24小时内不断工作。
4. 提高工作安全性：在某些危险、重复或高精度的任务中，机器人可以为操作员提供更高的安全性，从而减少工伤事故的发生率。
三、多机器人协作系统的设计步骤多机器人协作系统的设计是一个复杂的过程，包括以下步骤：1.确定系统需求首先，需要明确定义要生产的产品类型以及所需的生产速度和质量。
这个分析阶段的目的是为了理清机器人需要执行的任务，从而为后续的机器人编程和系统设计提供指导。
2. 选择机器人品牌合适的机器人品牌可以确保准确地完成生产任务。
要考虑机器人的尺寸和灵活性，以及它们的操作和维护成本。
3. 机器人程序和编程机器人程序必须精确地执行任务，因此必须使用高级编程语言，例如Java和Python。
编码过程应该通过使用适当的工具来进行可视化编程。
4. 机器人设备和软件集成在开发控制器软件之前，必须确保所有机器人和设备都可以集成工作。
在集成工作时，必须考虑多台机器人并行工作，以确保系统的稳定性。
5. 开发控制器软件控制器软件是该系统的核心，负责管理所有活动，并确保系统的稳定性，高效率，和可靠性。
软件的程序应该通过良好的组件模块化来设计，以便在需要扩展系统时更容易地实现。
四、多机器人协作系统实施时需要注意的问题1. 合理的初始化：在启动前将所有机器人初始化，以确保系统的稳定性。
多机器人协同自主控制系统设计与实现
多机器人协同自主控制系统设计与实现随着机器人技术的不断发展，多机器人系统在各个领域的应用越来越广泛。
多机器人协同自主控制系统是指通过多个机器人之间的协作与协调，实现对复杂任务的高效完成。
本文将对多机器人协同自主控制系统的设计与实现进行探讨。
首先，多机器人协同自主控制系统的设计需要考虑以下几个方面：任务分配与协作、路径规划与避障、通信与数据传输。
任务分配与协作是多机器人协同自主控制系统的核心问题之一。
在任务分配上，需要根据各个机器人的能力和任务要求，合理分配任务，使得每个机器人能够发挥自己的优势，同时保证任务的高效完成。
在任务协作上，需要机器人之间能够相互协同合作，共同解决问题。
例如，在一种搜索救援任务中，有些机器人负责搜索目标，有些机器人负责救援行动，它们之间需要通过通信与协调，实现任务的高效协同。
路径规划与避障是多机器人协同自主控制系统中的另一个重要问题。
路径规划是指为每个机器人规划一条合理的路径，使得它们能够快速有效地到达目标位置。
在路径规划中，需要考虑到机器人的动态特性、环境的动态变化以及其他机器人的运动情况。
避障是指在路径规划过程中，避免机器人与障碍物发生碰撞。
为了实现高效的避障，可以使用传感器技术，如激光雷达、红外传感器等，实时感知环境，避免与障碍物的碰撞。
通信与数据传输是多机器人协同自主控制系统中的基础保障。
机器人之间需要进行实时的信息交流与数据传输，以实现任务分配、路径规划、避障等功能。
为了实现可靠的通信与数据传输，可以采用无线通信技术，如Wi-Fi、蓝牙、RFID等，通过无线网络传输数据，并通过协议确保数据的安全和可靠性。
在多机器人协同自主控制系统的实现过程中，可以使用一些常见的软件和硬件平台，如ROS（机器人操作系统）、Gazebo仿真环境、Arduino开发板等。
ROS是一个开源的机器人操作系统，提供了一些常用的机器人功能包，如导航、感知、规划等，可以方便地实现多机器人协同自主控制系统的开发。
多机器人系统的任务分配技术
多机器人系统的任务分配技术1. 引言随着机器人技术的不断发展，多机器人系统在各个领域得到了广泛的应用。
多机器人系统通常由多个机器人组成，这些机器人可以根据需求执行不同的任务。
然而，如何合理地将任务分配给机器人是多机器人系统中面临的一个重要问题。
本文将介绍多机器人系统的任务分配技术，以及相关的算法和策略。
2. 任务分配问题的定义任务分配问题是指在多机器人系统中将一组任务分配给空闲机器人的问题。
任务可以是多种不同类型的，每个任务可能有不同的优先级和要求。
任务分配的目标是在满足任务要求的前提下，尽可能地提高系统的效率和性能，如减少任务执行时间、提高任务完成率等。
3. 任务分配技术任务分配技术可以分为集中式和分布式两种方式。
3.1 集中式任务分配在集中式任务分配中，有一个中心调度器负责任务的分配。
中心调度器根据任务的属性、机器人的状态和系统的需求，使用一定的算法来决定将任务分配给哪些机器人。
常见的集中式任务分配算法包括最短作业优先（SJF）、最高优先级优先（HPF）和轮询等。
•最短作业优先（SJF）算法：根据任务的执行时间估计，将任务分配给执行时间最短的机器人。
这种算法可以有效地减少任务的执行时间，提高系统的效率。
•最高优先级优先（HPF）算法：根据任务的优先级，将任务分配给优先级最高的机器人。
这种算法适用于存在紧急任务的情况，可以优先完成重要的任务。
•轮询算法：按照顺序依次将任务分配给每个机器人，循环进行。
这种算法可以平均分配任务，避免某些机器人长时间没有任务可执行的情况。
3.2 分布式任务分配在分布式任务分配中，每个机器人都有自己的决策能力，可以根据自身的状态和局部信息进行任务分配。
分布式任务分配可以减轻中心调度器的负担，提高系统的实时性和适应性。
常见的分布式任务分配算法包括贪心算法、博弈论算法和遗传算法等。
•贪心算法：机器人根据当前的任务和资源情况，选择对系统整体效率有贡献的任务进行执行。
这种算法简单有效，适用于系统中任务和机器人数量较少的情况。
机器人的智能协作与多机器人系统
机器人的智能协作与多机器人系统智能机器人的协作与多机器人系统一直是人工智能领域的研究热点之一。
随着科技的迅速发展，机器人的智能水平也在不断提升，使得机器人在多个领域中扮演着越来越重要的角色。
本文将介绍机器人的智能协作和多机器人系统的概念、应用以及未来发展方向。
一、智能机器人的协作概念智能机器人的协作指的是通过机器人之间的相互交流和合作，实现共同的目标或解决复杂的问题。
智能机器人协作的核心在于机器人具备了一定的智能和自动化能力，能够自主地感知环境、做出决策并执行任务。
机器人的智能协作可以通过传感器和通信技术等手段实现信息的交换和合作。
二、多机器人系统的概念多机器人系统是由多个智能机器人组成的一个集成系统。
每个机器人都有自己的任务和功能，通过相互协作和共享信息，实现更加灵活高效的工作。
多机器人系统可以应用于各个领域，包括工业生产、医疗健康、军事防务等。
通过多机器人系统，可以实现任务分配优化、协同工作和资源共享等功能。
三、智能机器人协作的应用1. 工业生产领域：智能机器人的协作在工业生产中具有广泛的应用。
多个机器人可以协同完成生产线上的任务，提高生产效率和质量。
通过智能机器人协作，可以实现生产流程的自动化、提高工作安全性和减少人力成本。
2. 物流与仓储领域：在物流与仓储领域，机器人的智能协作可以大大提高货物的运输和仓储效率。
多机器人系统可以实现物流信息的实时交流和任务协同，减少货物堆积和拥堵，提高整体效能。
3. 基于地面与空中机器人的合作：地面机器人和空中机器人可以协同工作，实现更加复杂的任务。
例如，在灾害救援中，地面机器人可以探测危险区域，而空中机器人可以提供更广阔的视野和航拍图像，帮助救援人员做出决策。
四、多机器人系统的发展方向随着机器人技术的不断进步，多机器人系统也在不断演进。
未来多机器人系统的发展方向包括以下几个方面：1. 智能算法与决策-making：多机器人系统需要能够快速做出适应性决策，根据当前的环境和任务情况进行智能规划。
第五章 多机器人系统
2019/11/11
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5.5 基于群集控制律的多移动 机器人运动协调
群集（Flocking）表示“群”中的各成员以某 种方式聚合在一起共同运动的团队行为。群集 本质上是一种从自然界中获取灵感的仿生学方 法，群集行为广泛存在于自然界中，例如，飞 鸟在空中的聚集、编队飞行，鱼群在水中的游 动等。这些物质群自然地组织与运动，在运动 中达到整体上的动态稳定，这些形式上不同的 群体运动，在广义上都是一种群集（Flocking） 行为。
ISS (Input-to-State Stability)理论和LFS (Leaderto-Formation Stability)理论
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基于分布式人工智能的多移动机器人控制理论
分布式的问题解决(DPS) MAS(Multi-Agent System)理论
2019/11/11
多移动机器人控制系统的理论研究
基于常规控制算法的多移动机器人控制理论
基于分布式人工智能的多移动机器人控制理论
基于分布式系统的多移动机器人控制理论
基于生物学的多移动机器人控制理论
国内研究综述
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基于常规控制算法的多移动机器人控制理论
经典反馈控制律
分散式系统控制理论
2019/11/11
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性能评价
由于多机器人系统所需完成的各种任务的要求、 目标的不同，对同一多机器人系统性能的评价 也不一致。如何来确立多机器人系统性能评价 的标准是一个有意义的问题。
对于多机器人系统的性能评价主要集中于系统 的模块化、可扩展性、并行性、可维护性、灵 活性、实时性、可靠性以及系统的效率等某一 方面或某几方面问题的定性研究、定量分析。
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2020/10/6
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通信
“通信”是机器人之间进行交互和组织的 基础。通过通信，多机器人系统中各机 器人了解其它机器人的意图、目标和动 作，以及当前环境状态等信息，进而进 行有效地磋商，协作完成各项任务。
隐式通信 显式通信
2020/10/6
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协调协作机制
多机器人系统研究中的一个重要问题就 是如何实现各机器人之间的协调协作。 多机器人系统的协调协作机制与系统的 群体体系结构、个体体系结构、感知、 通信和学习等方面的研究密切相关。
RoboCup
2020/10/6
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多机器人系统研究的主要内容
群体体系结构 感知 通信 协调协作机制 性能评价
2020/10/6
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群体体系结构
集中式：通常有一个主控机器人。 分散式：没有主控机器人存在。
分布式：各机器人之间的关系是平等的。 分层式：介于集中式结构与分布式结构之间
2020/10/6
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性能评价
由于多机器人系统所需完成的各种任务的要求、 目标的不同，对同一多机器人系统性能的评价 也不一致。如何来确立多机器人系统性能评价 的标准是一个有意义的问题。
对于多机器人系统的性能评价主要集中于系统 的模块化、可扩展性、并行性、可维护性、灵 活性、实时性、可靠性以及系统的效率等某一 方面或某几方面问题的定性研究、定量分析。
的一种混合结构
2020/10/6
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感知
智能机器人的感知包括感觉和理统获取的信息更加丰富。在一 些需要多机器人合作进行的工作中，各机器人 不仅仅需要处理本身传感器所获得的信息，而 且需要将其它机器人的传感信息与自身传感信 息进行融合以获得对外部环境的正确理解。
2020/10/6
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群智能机器人系统
The Nerd Herd 系统
由20个机器人组成，机器人上装有抓手、红 外传感器和接触传感器，可用于大规模机器 人群行为实验。
2020/10/6
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自重构机器人系统
自重构机器人：以一些具有不同功能的 标准模块为组件，根据任务的需要，对 这些模块进行组合，进而形成具有不同 功能的系统。
2020/10/6
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分层分级协作
在实际的应用中，各层次的协调协作控 制并不一定单独存在于系统中，多机器 人系统通常因任务的需求而包含了多个 不同层次的协调协作控制。许多协调协 作算法、规则可以应用于不同层次上系 统的控制与交互。由不同层次的协调协 作算法、协议构建而成的多机器人系统 协调协作机制可以有效地提高系统效率、 增强系统容错性。
2020/10/6
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5.3 基于智能体通信的多移动 机器人协调控制体系结构
通常来说，多机器人系统的定量分析较定性分 析更难一些。
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5.2 多移动机器人系统
由于移动机器人在多机器人系统中最具 一般性和普适性，也是多机器人系统应 用领域不断扩展下的主要需求之一，因 此，本章以移动机器人为具体对象，对 多机器人系统展开讨论。
2020/10/6
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多移动机器人控制系统的理论研究
多机器人系统有以下显著特性：
更广泛的任务领域 容错 鲁棒性 更低的经济成本 分布式的感知与作用 内在的并行性
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几种典型的多机器人系统
群智能机器人系统 自重构机器人系统 协作机器人系统 机器人足球赛
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群智能机器人系统
群智能机器人机器人系统是由许多无差别的自 治机器人组成的分布式系统，它主要研究如何 使能力有限的个体机器人通过交互产生群体智 能。
➢ 基于生物学的多机器人协调控制原理：应用一 些从生物社会中得到的简单控制规则，在多机 器人系统中开发相似的行为。
➢ 基于行为的控制方法
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国内研究综述
➢ 上海交通大学(席裕庚、陈卫东、曹其新) ➢ 中科院自动化所（谭民） ➢ 中科院沈阳自动化所(谈大龙、王越超) ➢ 哈尔滨工业大学（洪炳熔） ➢ 中南大学（蔡自兴）
CEBOT
2020/10/6
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协作机器人系统
协作机器人系统是由多个具有一定智能 的自治机器人组成，机器人之间通过通 信实现相互间的协作，以完成复杂的任 务。
中科院沈阳自动化所的MRCAS协作装配 系统
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机器人足球赛
在机器人足球赛中，不同的机器人之间 的关系是对抗的、竞争的；同队的机器 人之间则是合作的、互助的；且协作的 实时性强。
➢ 基于常规控制算法的多移动机器人控制理论
➢ 基于分布式人工智能的多移动机器人控制理论
➢ 基于分布式系统的多移动机器人控制理论
➢ 基于生物学的多移动机器人控制理论
➢ 国内研究综述
2020/10/6
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基于常规控制算法的多移动机器人控制理论
➢ 经典反馈控制律
➢ 分散式系统控制理论
➢ ISS (Input-to-State Stability)理论和LFS (Leaderto-Formation Stability)理论
在自然界的蚂蚁、蜜蜂等昆虫群体中，个体的 能力有限，但从它们的交互中却呈现了智能行 为。
通过人工模拟昆虫社会，有助于群智能机器人 系统的研究。
2020/10/6
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群智能机器人系统
Collective Robotics 实验系统
该系统将许多简单的机器人组织成一个团体 来完成一些有意义的工作，例如：推箱子
第五章 多机器人系统
目录
5.1 引言 5.2 多移动机器人系统 5.3 基于智能体通信的多移动机器人协调控制
体系结构 5.4 基于闭环控制律的多移动机器人运动协调 5.5 基于群集控制律的多移动机器人运动协调 5.6 研究展望
2020/10/6
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5.1 引言
多机器人技术（multiple robotics）是机器人学 发展的一个新方向
2020/10/6
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基于分布式人工智能的多移动机器人控制理论
➢ 分布式的问题解决(DPS) ➢ MAS(Multi-Agent System)理论
2020/10/6
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基于分布式系统的多移动机器人控制理论
➢ 分布式计算理论 ➢ 基于Petri网的多机器人建模与控制理论
2020/10/6
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基于生物学的多移动机器人控制理论