模塊化自重構(gòu)系統(tǒng)的運動規(guī)劃策略研究.pdf

1、多智能體系統(tǒng)因其魯棒性、低成本和可擴展性等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、服務(wù)等領(lǐng)域。其中一類特殊的模塊化自重構(gòu)系統(tǒng)，更因其構(gòu)型多樣性成為近年來研究的熱點。然而，鑒于要考慮模塊的幾何特征以及剛性或可壓縮性的性質(zhì)，該類系統(tǒng)的運動規(guī)劃問題較之傳統(tǒng)的基于點模型或獨輪車模型的多智能體系統(tǒng)無疑增添了難度。模塊化自重構(gòu)系統(tǒng)在自重構(gòu)理論算法方面的研究尚處在起步的階段。因此，此類問題的研究亦是極具挑戰(zhàn)性的。
　　本文從基于質(zhì)點模型的多智能體系統(tǒng)的

2、一類幾何隊形問題的分布式控制研究切入。隨后，分別從三個不同的視角來描述基于平面正六邊形模塊的自重構(gòu)系統(tǒng)的運動規(guī)劃問題。本文的主要研究內(nèi)容及研究成果歸納為如下幾個方面。
　　以一群質(zhì)點組成的多智能體系統(tǒng)為研究對象，對已有的一種近似圓形隊形的簡單切換控制策略進行改進。改進后的控制策略更加合理并接近實際。運用狄尼導(dǎo)數(shù)的相關(guān)性質(zhì)針對切換控制給出了系統(tǒng)穩(wěn)定性和隊形收斂性的分析和證明。驗證了最終收斂隊形為一條滿足期望寬度的定寬曲線（不局限于圓

3、）。所提出的參數(shù)選擇方法保證了定寬隊形可以收斂至任意期望的寬度。
　　基于控制的角度考慮以正六邊形模塊為基本單元的自重構(gòu)系統(tǒng)的運動規(guī)劃問題。以包含同形狀不同檢測能力的兩類（異構(gòu)）模塊的自重構(gòu)系統(tǒng)為研究對象，提出一種分布式的模塊運動策略，實現(xiàn)從滿足條件的任意初始系統(tǒng)構(gòu)型重構(gòu)收斂至直鏈構(gòu)型。引入從全局到局部的思想將目標(biāo)（直鏈）構(gòu)型分解為基于模塊局部信息可獲得的局部控制目標(biāo)，從而巧妙地回避了原本依賴全局信息的單個模塊對目標(biāo)構(gòu)型的辨識步驟

4、。采用曲線收縮的方法保證系統(tǒng)構(gòu)型重構(gòu)過程的單調(diào)性，進而保證目標(biāo)構(gòu)型的收斂性。全局到局部的思想對于模塊化自重構(gòu)系統(tǒng)的分布式控制研究具有借鑒意義。充分利用目標(biāo)構(gòu)型的幾何特征而不局限于目標(biāo)構(gòu)型本身可以有效地簡化問題。對于解決某些目標(biāo)構(gòu)型，尤其是具有特殊幾何特征的目標(biāo)構(gòu)型的重構(gòu)問題具有啟發(fā)意義。此外，體現(xiàn)了異構(gòu)模塊的引入是既經(jīng)濟又合理的。
　　基于任務(wù)驅(qū)動的角度考慮以正六邊形模塊為基本單元的自重構(gòu)系統(tǒng)的運動規(guī)劃問題。以一組同構(gòu)模塊構(gòu)成的自

5、重構(gòu)系統(tǒng)為研究對象，提出一種分布式的模塊運動策略，實現(xiàn)從滿足條件的任意初始系統(tǒng)構(gòu)型重構(gòu)收斂至未預(yù)先精確定義但滿足給定追蹤包圍任務(wù)的目標(biāo)構(gòu)型。通過保證模塊系統(tǒng)信息流的連續(xù)性，以及被包圍目標(biāo)鄰域內(nèi)模塊的運動單調(diào)性，最終確保目標(biāo)構(gòu)型在全局坐標(biāo)系缺失的情況下依然是穩(wěn)定并且收斂的。針對系統(tǒng)的收斂時間和模塊檢測半徑的關(guān)系給出了定性分析，可以作為此類任務(wù)在應(yīng)用場合參數(shù)選取的參考。此外，指出了對于允許小偏差（實際應(yīng)用多是合理的）的目標(biāo)構(gòu)型的自重構(gòu)問題，

6、都可以描述成一類追蹤包圍問題。因而，本工作的分析方法可以解決多數(shù)目標(biāo)構(gòu)型的自重構(gòu)問題。
　　基于搜索的角度考慮以正六邊形模塊為基本單元的自重構(gòu)系統(tǒng)的運動規(guī)劃問題。區(qū)別于傳統(tǒng)的圖示結(jié)合敘述的方法來描述系統(tǒng)構(gòu)型，提出了矩陣表征的方法數(shù)學(xué)化地描述靜態(tài)模塊系統(tǒng)構(gòu)型，以及相鄰離散時刻系統(tǒng)構(gòu)型的動態(tài)變化。從而將自重構(gòu)問題轉(zhuǎn)化為針對給定的初始和目標(biāo)構(gòu)型所對應(yīng)的位置矩陣，尋找可行的變換陣序列的集合。結(jié)合矩陣表征方法，提出一種規(guī)劃模塊重構(gòu)順序的策略