多機(jī)器人協(xié)同覆蓋技術(shù)研究.pdf_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、本論文來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“異質(zhì)多移動(dòng)體的協(xié)同機(jī)制與重構(gòu)技術(shù)基礎(chǔ)研究”(A1420060159),屬于其子任務(wù)“多機(jī)器人協(xié)同”的研究方向。本文主要研究了以“覆蓋”為目標(biāo)任務(wù)的多機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)、通信鏈路、地圖表示、覆蓋單元分解與分配以及覆蓋效果評(píng)價(jià)等問(wèn)題。目的在于探索多機(jī)器人協(xié)同協(xié)作進(jìn)行覆蓋任務(wù)的有效方法,構(gòu)建適合覆蓋任務(wù)的多機(jī)器人體系結(jié)構(gòu),通信模式以及地圖知識(shí)表示方法,從而提高多機(jī)器人的協(xié)同協(xié)作水平,最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)化覆蓋的目的。

2、合理的體系結(jié)構(gòu)是多機(jī)器人協(xié)同完成覆蓋任務(wù)至關(guān)重要的基礎(chǔ),本文首先將自組重構(gòu)策略引入分層式多機(jī)器人體系結(jié)構(gòu),形成自組分層式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由上而下分成三層:指揮層、協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層,采用“指令”通信模式和自適應(yīng)重組的策略來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)作任務(wù)。仿真實(shí)驗(yàn)表明自組分層式多機(jī)器人體系具有較高的魯棒性和容錯(cuò)性,對(duì)任務(wù)和環(huán)境具有較好自適應(yīng)性。通信是多機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)有效協(xié)同協(xié)作的關(guān)鍵,同時(shí)也是自組分層式系統(tǒng)的最基本要求。針對(duì)實(shí)際覆蓋任務(wù)中多機(jī)器人通信可能中斷的情況下,

3、提出CAM策略、CSM策略和SSS策略三種機(jī)器人按需主動(dòng)建立通信鏈路的方法來(lái)保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 機(jī)器人覆蓋離不開環(huán)境知識(shí),環(huán)境知識(shí)的表示方法即地圖表示方法對(duì)已知環(huán)境中的多機(jī)器人覆蓋尤其重要。因此,論文針對(duì)多機(jī)器人覆蓋提出了4維環(huán)境地圖的地圖表示方法??臻g點(diǎn)的4維坐標(biāo)由3維空間坐標(biāo)和1維環(huán)境特征值構(gòu)成。3維空間坐標(biāo)由機(jī)器人的測(cè)距傳感器觀測(cè)獲得,同時(shí)利用多傳感器信息獲得該點(diǎn)的1維環(huán)境特征值。觀測(cè)獲得環(huán)境中許多空間點(diǎn)的4維坐標(biāo)數(shù)據(jù),

4、并采用完全二叉樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)后,就獲得該區(qū)域的4維環(huán)境地圖。4維環(huán)境地圖通過(guò)Krige法進(jìn)行插值可生成柵格地圖、利用高程變異算子可生成單元分解地圖以及通過(guò)二叉樹查找可生成拓?fù)涞貓D。這些地圖,特別是單元分解地圖,都是許多研究者熱衷于研究的機(jī)器人覆蓋地圖。 在4維環(huán)境地圖的基礎(chǔ)上,研究了變長(zhǎng)切線的單元分解方法。變長(zhǎng)切線法通過(guò)“切線掃掠”目標(biāo)區(qū)域,按一定規(guī)則選取由切線與障礙區(qū)產(chǎn)生的切點(diǎn)或交點(diǎn)作為關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)進(jìn)行單元分解。而在4維環(huán)境地圖中

5、,可以通過(guò)簡(jiǎn)單的循環(huán)二叉樹查找來(lái)獲得這些關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)值。與目前公認(rèn)較優(yōu)的Boustrophedon單元分解法相比,變長(zhǎng)切線法單元分解不僅算法更為簡(jiǎn)單而且分解出的單元數(shù)目大大減少。這大大降低多機(jī)器人覆蓋單元分配的復(fù)雜度,使系統(tǒng)可以用較小的計(jì)算量來(lái)獲得較優(yōu)的分配與規(guī)劃。在自組分層式系統(tǒng)中,針對(duì)單元數(shù)量與機(jī)器人數(shù)量的不同關(guān)系,分n≈m、n》m和n《m3種情況分別分析討論了基于近似矩形化單元面積估計(jì)的單元分配策略。對(duì)模擬環(huán)境進(jìn)行了不同數(shù)量的多機(jī)

6、器人協(xié)同覆蓋仿真測(cè)試,各種情況下的多機(jī)器人系統(tǒng)均能成功實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋。而后,嘗試研究了多機(jī)器人在未知環(huán)境下的覆蓋策略。在基于Morse理論利用測(cè)距傳感器獲得環(huán)境關(guān)鍵點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出切線覆蓋和波紋覆蓋2種未知環(huán)境的覆蓋方法。由于機(jī)器人進(jìn)行測(cè)距等觀測(cè)的同時(shí),實(shí)際也完成了4維環(huán)境地圖的建圖,所以這類覆蓋方法又稱為同時(shí)覆蓋與建圖。 最后,為分析評(píng)價(jià)機(jī)器人對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋效果,利用甘特圖來(lái)描述多機(jī)器人系統(tǒng)覆蓋過(guò)程。并研究了覆蓋率、時(shí)

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