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复杂环境下多机器人编队控制系统研究

作　者: 张小兢
导　师: 陈雪波
学　校: 辽宁科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 编队控制复杂环境预测模块基于行为法队形转换
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着科学技术迅速发展和社会需求不断提高，人们对机器人的研究不再仅仅满足于单个机器人技术的开发，多机器人系统通过协调协作实现复杂、未知环境情况等特定任务时展现出独特且杰出的优势。目前，国内外多机器人协调编队控制系统的研究仍旧处于初期的科研开发阶段。本文的课题内容主要面向复杂、未知环境下多机器人系统的编队控制研究，符合这种任务要求的多机器人编队控制研究体系包括：第一部分是关于多机器人系统体系结构的研究，主要对个体体系结构中推理式结构，反应式结构以及分层递阶式结构进行介绍并加以分析对照，设计出一种行为分层混合式体系结构。第二部分是多机器人编队控制方法的研究，详细分析了基于leader-follower式法、基于行为法、基于虚拟结构法以及基于势能函数法等多种控制方法。同时，在这些方法的基础上加以完善，简单提出以leader-follower式队形控制方法为主，配合基于行为法避障规划方法为辅的控制方法。第三部分重点研究了基于行为的单机器人运动规划，本文在对切线图避障算法学习的基础上，深入设计了划分通行域法行为模块，并且结合了随机扰动行为能够更好的躲避复杂静态障碍物；然后，设计了预测模型对动态障碍物的位置进行预测并结合限定记忆最小二乘法拟合估算移动障碍物轨迹参数，从而达到躲避移动障碍物的目的。第四部分结合前面对控制方法的研究思路，在常规的leader-follower式队形控制方法的研究基础上，引入基于行为法的沿墙运动行为和协商行为规划，并且设计了队形转换实现队形控制在应对复杂环境时能够具备更好的鲁棒性、适应性及动态性等性能。最后，对机器人在完成多障碍物复杂环境下任务情况进行仿真，其结果充分反映了文章设计具备合理有效的理论性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
1.绪论  10-18
  1.1 课题的背景和意义  10-11
  1.2 多机器人系统编队控制的研究现状和发展方向  11-12
  1.3 多机器人系统编队控制的研究内容  12-15
    1.3.1 体系结构  12-13
    1.3.2 运动规划  13
    1.3.3 合作与协调控制  13-14
    1.3.4 通信  14
    1.3.5 学习  14-15
  1.4 多机器人系统的常规设计思路  15-16
  1.5 本文结构及主要研究内容  16-18
2.多机器人系统体系结构的研究  18-28
  2.1 引言  18
  2.2 多机器人系统群体体系结构的类型  18-21
    2.2.1 集中式结构  18-19
    2.2.2 分布式结构  19-20
    2.2.3 分层式结构  20-21
  2.3 机器人个体体系结构的类型  21-24
    2.3.1 推理式结构  21-22
    2.3.2 反应式结构  22-23
    2.3.3 分层递阶式体系结构  23
    2.3.4 混合式体系结构  23-24
  2.4 基于行为的混合分层式体系结构研究  24-26
    2.4.1 单机器人行为混合分层式体系结构  24-25
    2.4.2 面向多机器人系统的机器人个体体系结构设计  25-26
  2.5 本章小结  26-28
3.多机器人编队控制方法研究  28-36
  3.1 引言  28
  3.2 多机器人编队基本问题  28-31
    3.2.1 多机器人编队的基本队形  28-29
    3.2.2 多机器人编队的队形实现问题  29-30
    3.2.3 多机器人编队的通信问题  30-31
    3.2.4 多机器人队形控制算法的性能指标  31
  3.3 多机器人编队控制方法  31-34
    3.3.1 跟随领航者法（leader-follower 式）  32
    3.3.2 基于行为法  32
    3.3.3 虚拟结构法  32-33
    3.3.4 人工势场法  33
    3.3.5 其他方法  33-34
  3.4 多机器人编队控制设计思路概述  34
  3.5 本章小结  34-36
4.基于行为的机器人运动规划研究  36-48
  4.1 引言  36
  4.2 基本的运动规划思想  36-38
    4.2.1 自由空间Cfree几何构造的规划方法  37
    4.2.2 前向图搜索算法  37
    4.2.3 采样法  37-38
      4.2.3.1 随机性采样法  38
      4.2.3.2 确定性采样法  38
  4.3 机器人行为库设计  38-46
    4.3.1 奔向目标行为  39
    4.3.2 躲避静态障碍物行为  39-44
      4.3.2.1 切线图避障法简介  40-41
      4.3.2.2 划分通行域法设计原理  41-42
      4.3.2.3 随机扰动行为设计  42-43
      4.3.2.4 静态障碍物环境下的运动规划仿真  43-44
    4.3.3 躲避移动障碍物行为  44-46
      4.3.3.1 移动障碍物预测模块设计  44-45
      4.3.3.2 躲避移动障碍物行为设计  45-46
  4.4 移动障碍环境下机器人运动规划仿真  46-47
  4.5 本章小结  47-48
5.混合式多机器人编队控制研究  48-56
  5.1 引言  48
  5.2 队形形成  48-50
    5.2.1 队形形成方法  48-49
    5.2.2 队形形成算法流程  49-50
    5.2.3 菱形队形形成仿真及要素分析  50
  5.3 队形保持  50-53
    5.3.1 传统的基于 leader-follower 的队形控制方法  50-51
    5.3.2 机器人行为设计策略  51-52
    5.3.3 队形保持设计思路  52
    5.3.4 队形转换  52-53
  5.4 多机器人编队控制仿真  53-55
  5.5 本章小结  55-56
6.总结与展望  56-58
参考文献  58-60
致谢  60-61
作者简介  61-62

复杂环境下多机器人编队控制系统研究

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