多機(jī)器人系統(tǒng)隊(duì)形控制研究.pdf

1、內(nèi)容摘要基于隊(duì)形控制的多機(jī)器人系統(tǒng)在軍事、娛樂(lè)、生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，因此自1990年以來(lái)受到眾多研究者的關(guān)注。本文在對(duì)多機(jī)器人研究的主要內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理后，側(cè)重于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)問(wèn)題的研究，對(duì)多機(jī)器人隊(duì)形控制問(wèn)題進(jìn)行深入的探討。隊(duì)形控制問(wèn)題是指多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人在前進(jìn)的過(guò)程中，整個(gè)多機(jī)器人團(tuán)隊(duì)建立和保持預(yù)先決定的幾何形態(tài)即隊(duì)形，同時(shí)又要適應(yīng)環(huán)境約束的控制技術(shù)。隊(duì)形控制問(wèn)題在高層次上是一個(gè)具有典型性和通用性的多機(jī)器人協(xié)調(diào)問(wèn)題

2、，在低層次上是各機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題。本文主要側(cè)重于隊(duì)形控制問(wèn)題的高層控制問(wèn)題，即隊(duì)形中機(jī)器人之間的信息共享，協(xié)調(diào)合作的決策機(jī)制問(wèn)題。對(duì)隊(duì)形控制問(wèn)題進(jìn)行了深入的剖析，提出了一個(gè)統(tǒng)一的隊(duì)形表示框架，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)隊(duì)形控制系統(tǒng)。首先，本文提出了層次性的可擴(kuò)展的隊(duì)形表示框架HEFF。在以前的隊(duì)形控制研究中由于缺乏對(duì)隊(duì)形結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一有效的表示框架，使得靈活的隊(duì)形控制難以實(shí)現(xiàn)，限制了隊(duì)形控制的研究。統(tǒng)一的隊(duì)形表示框架表示為一個(gè)由關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

3、和關(guān)鍵邊組成的有向圖，稱(chēng)為關(guān)鍵圖。關(guān)鍵圖中的節(jié)點(diǎn)可以分派給機(jī)器人，而圖中的關(guān)鍵邊可擴(kuò)展新的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)有4種角色:LeaderConductorAssistantFollower.每個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)可有多個(gè)角色。通過(guò)關(guān)鍵圖和各角色之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了HEFF內(nèi)在的層次性和結(jié)構(gòu)性。這個(gè)框架能表示所有能用直線(xiàn)段組成的隊(duì)形。然后，借助于可擴(kuò)展隊(duì)形表示框架，研究并實(shí)現(xiàn)了隊(duì)形的各種基本操作行為。隊(duì)形基本操作行為有:隊(duì)形的擴(kuò)展、收縮操作，以應(yīng)對(duì)隊(duì)形中機(jī)器人的

4、增加或減少隊(duì)形的生成操作，即如何生成隊(duì)形隊(duì)形的伸縮操作，即機(jī)器人隊(duì)形擴(kuò)大和縮小。本文還分析和設(shè)計(jì)了相應(yīng)機(jī)制，使得隊(duì)形在機(jī)器人增加或減少的情況下仍能盡可能地保持原隊(duì)形。進(jìn)一步，利用隊(duì)形表示框架的層次性組織改進(jìn)了基于虛擬結(jié)構(gòu)的多機(jī)器人隊(duì)形控制方法，本文提出了動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展的虛擬結(jié)構(gòu)方法DEVS。采用動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展的虛擬結(jié)構(gòu)方法、基于行為的方法兩者結(jié)合的形式實(shí)現(xiàn)了多機(jī)器隊(duì)形的運(yùn)動(dòng)控制。ABSTRACTHavingagroupofrobotsmovei

5、nformationwouldbebeneficialtomanyapplicationsinrealworldenvironments:exploringanareaforsurveillancesearchandrescuemilitarymissionsetc.Wefocusontherobotformationcontrolafterreviewingtheresearchworkinthefieldofmultirobotsy

6、stem.Formationisdefinedasgroupsofmobilerobotsestablishingandmaintainingsomepredeterminedgeometricshapewhilemoving.Onthehighleveltheformationcontrolisatypicalandgeneralcaseofmultirobotcooperationwhileonthelowlevelitisther

7、obotmotioncontrol.hthedissertationwewillpaytheattentiontotheformerwhichisabouthowtosharetheinformationandhowtocooperatewithotherrobotsthatareinformation.Weproposeaunifiedframetodescribetheformationafterreviewingtheworkha

8、vebeendoneinthefieldofformationcontrol.Basingontheframewethendesignaformationcontrolsystem.AtthefirstwedesignaframetodescribeformationnamedHEFF(HierarchicalExtendFormationFrame).Inthepreviousresearchtheflexibleformationc

9、antberealizedduetoabsenceoftheunifiedframetodescribethedifferentformation.TheHEFFisacyclicdigraphcalledkeyGraphwhichconsistofsomekeynodesandsomekeyedges.Nodecanbeallocatedtorobotandedgecanbeextendedtogetmorenodes.Wealsod

10、efinefourdifferentroletypesfornodenamedleaderconductorassistantandfolower.Usingkeygraphandrolesrelationshipwecanorganizetheformationinhierarchicalstructure.TheHEFFcanbeusedtodescribemanykindofformationshapethatconsistsof

11、linesegments.WedesignsomeelementaryformationmaneuversusingtheHEFEsuchasestablishingtheformationextendingtheformationscalingtheformation.ThenwefindaneffectivemethodtomaketheformationrobustnesstorobotfailureWeimprovetheVir