基于行星系法多移动机器人编队

摘要

随着分布式计算学科的发展，专家和学者逐渐从对单体机器人的研究，扩展到对多机器人的研究。多机器人系统具有容错性好、鲁棒性强、稳定性好等优点，故多机器人系统在军事、航空航天、工业制造等领域具有广阔的应用前景。多机器人系统研究范围包括编队、协调合作、路径规划、目标跟踪等方面。就多机器人编队而言，常用的控制结构有集中式控制结构和分布式控制结构，常用的编队模式有基于领航者模式、基于行为的模式、基于势场法的模式。为了改进传统编队模式，本文提出了基于行星系法多移动机器人编队模式，并从理论和仿真方面进行了深入的分析和研究。本文主要成果如下：
　　 根据行星系运转规则，提出了基于行星系法多机器人编队方法。行星系法综合利用了势场法、领航者编队法以及基于行为的方法策略，融合了集中式控制结构、分布式控制结构的优点。通过和传统编队方法对比，分析了行星系法的优点。行星系法中的跟随者机器人可以通过改变相对于领航者机器人的距离和方位角来实现整体队形的变换，使机器人群体可以有效避障和通过狭窄路面。
　　 通过构建移动机器人控制系统传递函数，利用终值定理和李亚普诺夫稳定判据证明了基于行星系法多机器机器人编队的稳定性，并给出了机器人控制系统稳定的必要条件。该必要条件探讨了PID控制参数中，比例积分常数和微分常数之间需要满足的关系式。
　　 在基于势场法的基础上，提出了基于行星系法的编队实现方案，并建立了相应的数学模型。该模型中，领航者机器人相当于行星系中的恒星，而跟随者机器人相当于行星系中的行星。领航者机器人和跟随者机器人之间既存在引力，又存在斥力；机器人和目标点之间存在引力；机器人和障碍物之间存在斥力。
　　 建立了基于行星系法多机器人编队的仿真平台。在该仿真平台上，实现了基于行星系法多移动机器人编队仿真实验，验证了基于行星系法多机器人编队策略的正确性和稳定性，并重点定性分析了质量比例系数、弹簧比例系数对多机器人编队的影响。其中，质量比例系数反映了多机器人群体迁移能力和保持在预定轨道上运行的能力，弹簧比例系数反映了多机器人群体保持整体队形的能力。