群體機器人系統(tǒng)合作控制問題研究.pdf

1、近年來，隨著多機器人系統(tǒng)規(guī)模的不斷增大，系統(tǒng)控制復雜度及機器人之間的通信量成指數(shù)倍地增加，難以利用傳統(tǒng)的方法解決。而自然界中廣泛存在的蟻群、鳥群和魚群等社會生物群體所涌現(xiàn)出的群體智能(Swarm Intelligence)，給多機器人研究提供了很好的啟發(fā)，于是產生了一個新的研究領域——群體機器人學(Swarm Robotics)。與結構越來越復雜的單個機器人和傳統(tǒng)的多機器人系統(tǒng)相比，群體機器人系統(tǒng)的魯棒性、可擴展性、靈活性和經濟性都占有

2、更大優(yōu)勢，具有廣泛的應用前景。本論文針對群體機器人系統(tǒng)合作控制中的一些關鍵理論、技術和典型任務進行了深入的研究，提出了一些新的方法。本文的主要內容有：
　　 1.合作控制中的一致性理論和方法。合作控制中的一個關鍵問題就是設計合適的一致性方法和策略，使群體間共享的信息形成一致性。針對這個問題，本文基于代數(shù)圖論提出了表征群體機器人個體之間信息交互關系和狀態(tài)的“信息交互圖”和“信息交互矩陣”等概念，并利用矩陣論和控制論等理論知識，證明

3、了群體系統(tǒng)形成一致的充要條件。在此基礎上，研究了群體機器人一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)在固定交互拓撲和動態(tài)交互拓撲情況下的一致性策略和方法，并針對存在誤差、擾動、延時以及輸入受限等情況下的一致性方法做出了相應的分析，同時結合仿真實例對所提一致性方法做出了驗證。
　　 2.群體機器人的編隊控制問題。編隊控制是群體機器人合作控制問題中的一個典型任務。本文在“boids”模型的基礎上利用一致性理論分析了一階系統(tǒng)“boids”模型的一致性方法；同

4、時，通過構建虛擬勢場力以及相應的一致性策略，提出了一種二階系統(tǒng)的群體機器人編隊控制方法，并根據(jù)代數(shù)圖論和LaSalle不變性原理證明了其穩(wěn)定性。在此基礎上，利用行為融合的方法提出了一種有障礙物環(huán)境中的群集編隊控制方法。
　　 3.群體機器人的目標搜索問題。目標搜索是在指一群機器人在一個給定的環(huán)境中通過合作尋找一個未知的目標點，這也是一個典型的合作控制問題。本文分別從群體機器人的通信拓撲關系，以及實際的搜尋策略與方法兩個方面對目標

5、搜索問題進行闡述。介紹了一種基于粒子群優(yōu)化(PSO)的搜索方法來控制一群機器人在未知環(huán)境中搜索目標，和標準PSO算法比較，該方法考慮了機器人的實際運動特性和工作環(huán)境約束。同時，針對群體機器人目標搜索中的通信拓撲關系，利用一致性理論進行了闡述，給出了目標搜索任務能夠完成的條件。
　　 4.群體機器人的可控問題。群體機器人系統(tǒng)存在著一個顯著的問題：即控制結果往往不可控，很難達到一個期望的狀態(tài)。本文把這個問題稱之為群體機器人系統(tǒng)的“可

6、控問題”：即如何在不改變機器人個體現(xiàn)有一致性規(guī)則的情況下，控制群體機器人達到一個期望的狀態(tài)。針對這個問題，本文分別介紹了兩種一階系統(tǒng)的一致性跟蹤方法，以使群體機器人的狀態(tài)與一個時不變或是時變的參考狀態(tài)漸進形成一致。在此基礎上，結合無線傳感器網絡和群體機器人系統(tǒng)的特點，介紹了一種基于無線傳感器網絡的“虛形體”技術。利用在傳感器網絡節(jié)點上構造具有群體系統(tǒng)其他實體特征的虛形體，通過虛形體干預機器人實體的運動狀態(tài)，使實體機器人群體運動有序可控，