水中仿真机器鱼协作编队策略的研究

摘要

多水中机器人的编队控制技术是多机器人协作领域中最基本的问题，其是指由多水中机器人系统在存有未知障碍物且具有不确定性因素的环境中，各水中机器人之间根据当前位姿关系，协调地形成并保持某种指定几何图形的控制技术。多水中机器人系统通过编队控制技术，可以充分获取当前场上的环境状态，从而提高多水中机器人系统的灵活性和应急性。该技术的实现可以完成人类无法到达的深海领域进行探索，因此，对多水中机器人编队控制技术的研究具有非常重要的实用价值。在此背景下，本文基于全国水中机器人大赛的2D仿真平台，研究了多仿真机器鱼编队控制的相关问题并进行了实验验证。论文主要内容如下: 本文首先研究了机器鱼协作编队控制的基础，即机器鱼的路径规划问题。针对仿真机器鱼2D水球斯诺克比赛项目对机器鱼的路径规划方法进行了研究。根据比赛要求，机器鱼分别设定水球和球洞作为目标，在选择最佳球和最优球洞的基础上，机器鱼采用人工势场法进行路径规划，并采用中间牵引点的方法来解决机器鱼陷入局部稳定区域的情形。将所提出的算法在仿真机器鱼2D水球斯诺克项目上进行仿真实验，结果表明，机器鱼采用人工势场法规划的路径是一条无碰撞的安全路径，且实验效果明显。 其次，针对仿真机器鱼的编队任务，提出了一种基于行为规划法结合领航者法的编队控制方法，其是指将多仿真机器鱼编队的运动行为分解为正常运动、队形形成、避碰避障以及队形恢复这四个基本行为。编队初始阶段，采用基于leader作为编队系统参照点的思想来形成队形;避碰避障中，引用行为向量法约束机器鱼的运动方向，确保机器鱼可以实现安全避障;当队形被打乱时，各机器鱼之间采用互相作为参照点的方法快速恢复队形。将该方法进行仿真实验研究，结果表明多机器鱼编队群组能够确保系统的整体协调性和完成任务的高效性。 最后，就仿真机器鱼编队控制的实际应用，研究了多机器鱼在成功搜索到目标的前提下进行协作围捕的问题。该策略针对多机器鱼的群组数量、成功搜索目标的条件提出了分区全局搜索策略，进而针对围捕机器鱼围捕成功或失败的情形，采用一种基于动态包围点的合围策略，同时为入侵机器鱼设计了智能逃逸策略，充分体现了二者的博弈对抗行为。最后对所提出的策略进行仿真实验，结果表明多机器鱼在快速搜索到目标的基础上，能够实现高效的围捕任务。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 课题研究意义

1．3 多机器人编队系统

1．3．1 多机器人编队技术的研究现状

1．3．2 多水中机器人编队技术的研究现状

1．4 水中机器人2D仿真平台

1．4．1 URWPGSim2D仿真平台架构

1．4．2 URWPGSim2D仿真平台的参数设置

1．4．3 仿真系统比赛的控制

1．5 本文组织思路

第2章 机器鱼路径规划技术的研究

2．1 引言

2．2 机器人常用的路径规划方法

2．2．1 动态规划法

2．2．2 合作博弈法

2．2．3 人工势场法

2．3 水球斯诺克项目简介

2．4 基于人工势场的机器鱼路径规划算法

2．4．1 引力和斥力函数的确定

2．4．2 机器鱼运动方向的确定

2．5 人工势场法陷入死锁状态的分析与处理

2．6 机器鱼路径规划算法的流程

2．6．1 目标水球的选择策略

2．6．2 最佳球洞的选择策略

2．6．3 函数的实现

2．7 仿真实验

2．8 本章小结

第3章 基于行为规划的多机器鱼编队策略的研究

3．1 引言

3．2 多机器人编队控制方法

3．2．1 基于行为法

3．2．2 基于领航-跟随者的编队控制方法

3．2．3 虚拟结构法

3．2．4 一致性理论法

3．3 编队问题描述

3．4 基于行为规划算法的设计思想

3．5 编队控制方法的实现

3．5．1 奔向目标点控制方法

3．5．2 队形形成控制方法

3．5．3 避碰避障的控制方法

3．5．4 编队控制算法流程

3．6 仿真实验

3．7 本章小结

第4章 多机器鱼目标搜索与协作围捕策略的研究

4．1 引言

4．2 问题描述

4．3 多机器鱼分区全局搜索算法

4．4 基于“动态包围点”协作围捕的设计与实现

4．4．1 基于“动态包围点”的协作围捕设计

4．4．2 基于“动态包围点”协作围捕算法实现

4．5 入侵机器鱼的智能逃逸策略

4．6 仿真实验与结果分析

4．6．1 仿真实验设计

4．6．2 实验结果

4．7 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 进一步的研究工作

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢