多移動機器人編隊及協(xié)調(diào)控制研究.pdf

1、本文從移動機器人運動控制入手，對機器人視覺、激光導(dǎo)航和多機器人協(xié)調(diào)編隊的控制問題展開系統(tǒng)的研究，旨在展現(xiàn)從單機器人運動控制到多機器人協(xié)調(diào)控制的演化過程，同時解決現(xiàn)有的機器人控制方法中所存在的一些問題。
　　 首先，本文介紹了研究所涉及的兩類移動機器人平臺和兩類仿真平臺，在此基礎(chǔ)上，通過對三類輪式移動機器人的機械結(jié)構(gòu)的分析，研究了典型的非完整約束移動機器人的運動學(xué)模型。本文所研究的機器人平臺：Pioneer II-Dxe型機器人和

2、Koala型機器人從模型上都可歸為兩輪型移動機器人。作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)，本文根據(jù)機器人位姿誤差模型設(shè)計了一種軌跡跟蹤控制器，解決了機器人的運動控制問題，并通過Matlab仿真驗證了控制器對圓形軌跡的跟蹤效果。
　　 其次，由于機器人的自主運動依賴于傳感器對外界環(huán)境的感知，視頻信號處理在機器人的研究中起著巨大的作用。然而由于視頻信號處理復(fù)雜，且易受環(huán)境光線的影響，本文首先通過圖像顏色模型的變換，降低環(huán)境光線對視頻信號處理效果的影響

3、，并采用一種基于攝像機標(biāo)定的三維重構(gòu)原理，實現(xiàn)了單目視覺在空間環(huán)境下運動目標(biāo)的測距，而后設(shè)計分段控制器以減小視頻噪聲干擾，最終實現(xiàn)機器人的動態(tài)識別和跟蹤。
　　 視覺信號處理適合于解決具有特征顏色或特征形狀的目標(biāo)物的識別問題，然而機器視覺尤其是單目視覺存在著精度低且處理速度慢等缺點，激光傳感器由于精度高而信息量小在機器人導(dǎo)航中得到廣泛的應(yīng)用。本文基于激光傳感器研究了幾類特殊環(huán)境下的導(dǎo)航問題，首先特設(shè)計一種融合激光檢測的視覺校正算

4、法提高了單目視覺的測量精度，然后分別利用激光傳感器設(shè)計了機器人平滑避障、導(dǎo)航，以及特殊環(huán)境下的運動規(guī)劃控制算法，并通過Player/Stage仿真平臺進行仿真實驗。通過對結(jié)果的比較和分析，改進控制器性能，以獲得較好的控制效果。
　　 此外，在結(jié)合運動控制和感應(yīng)決策的基礎(chǔ)上，本文對多機器人的協(xié)調(diào)編隊展開研究。本文首先提出了一種在二維環(huán)境下規(guī)?？蓴U展的多機器人拓撲策略，用于解決在多機器人剛性拓撲編隊中，由于系統(tǒng)內(nèi)部連接關(guān)系不明確而造

5、成編隊規(guī)模難以擴展的問題；然后以三角形編隊為例使用矩陣對編隊結(jié)構(gòu)進行定義，并在此基礎(chǔ)上通過基本的數(shù)學(xué)變換實現(xiàn)特定環(huán)境中的多機器人編隊隊形的協(xié)調(diào)變化。
　　 拓撲策略是多機器人剛性編隊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，需要通過合適的控制器進行實現(xiàn)。本文采用多機器人編隊中經(jīng)典的基于實時位姿反饋的閉環(huán)控制器，以局部編隊隊形中機器人的相互關(guān)系為控制對象，按照串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)和多引導(dǎo)者結(jié)構(gòu)三種方式將穩(wěn)定的編隊結(jié)構(gòu)擴展到整個編隊，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的穩(wěn)定編隊，

6、并基于一種“輸入到狀態(tài)穩(wěn)定性理論（Input-to-State Stability，ISS）”對上述各種編隊結(jié)構(gòu)進行了穩(wěn)定性分析，得到穩(wěn)定性條件和ISS 穩(wěn)定性指標(biāo)。同時，為了說明該策略的普適性，本文對標(biāo)準(zhǔn)三角形編隊的常見衍生隊形進行了討論。
　　 最后，由于剛性拓撲編隊策略中處于不同邏輯位置的機器人的控制策略差異性，因此剛性拓撲編隊策略在本質(zhì)上不是一種分布式編隊策略。為了研究全分布式的多機器人協(xié)調(diào)編隊問題，同時避免分布式結(jié)構(gòu)的