轮式移动机器人编队避障控制方法研究

摘要

多智能体系统凭借其工作效率高、能量消耗小，鲁棒性强等优点受到越来越多的关注，在军事领域与民生领域内都得到了广泛的应用。在实际应用中，编队经常需要工作在障碍环境中，此时编队的避障能力是系统能否发挥工作效能的关键问题。为此，本文以轮式移动机器人组成的领航跟随编队系统为研究对象，对机器人编队在障碍环境下的避障问题进行研究。 首先，为描述机器人个体及编队内部机器人间的运动耦合关系，分别建立了机器人个体的运动学模型及基于距离-角度的领航跟随编队模型、基于距离-距离的领航跟随编队模型，阐明了系统内部各关键量之间的耦合关系，为后续研究奠定系统模型基础。 其次，结合编队在运动过程中的动态特性，本文将模型预测控制（Model predictive control，MPC）方法引入到编队控制中，分别实现了对距离-距离编队模型与距离-角度编队模型的控制。考虑编队在不同模型的拓扑切换问题，对两种模型在编队运动过程中的转换机制进行探讨。阐明了在不同拓扑联接下多机器人间通讯协议的区别与联系，使编队在当前拓扑失联的情况下能及时切换到其他拓扑模式，以提高编队运动的鲁棒性。 再次，面向在动态障碍环境中的编队整体避障问题，提供了同构/异构两种避障方式，另外，考虑编队在避障过程中的安全性，引入编队内外安全约束的概念以保证编队在变形过程中的安全性。进一步，为使编队能快速确定最优的异构避障队形，本文建立了队形库并引入能够衡量编队避障性能的变形与能耗指标，对编队避障性能进行定量评估。通过将上述约束制度与评价标准相结合，编队能够在障碍环境下快速确定最优避障队形，编队对障碍环境的适应性得到增强。 最后，为提高编队的个体避障能力，将人工势场法（Artificial potential function，APF）应用到编队避障个体的控制中。对于领航机器人，建立障碍物势场，通过APF在速度层面上的控制同时实现轨迹跟踪及避障；对于跟随机器人，采用MPC与APF的复合控制实现跟随者的编队跟踪与个体避障/避碰。通过MPC与APF的复合控制，编队个体可以独立避障且不影响其他机器人，提高了机器人个体在编队避障中的灵活性。 本文对机器人编队的避障问题进行研究，借助Matlab/Simulink平台进行仿真验证，所提出的控制策略能够有效解决编队避障问题。

目录

1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外机器人编队避障控制研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 编队避障控制方法研究

1.4 本文主要内容和结构安排

2 编队领航-跟随系统建模

2.1 轮式移动机器人系统描述

2.1.1 机械结构及参数定义

2.1.2 轮式移动机器人运动模型

2.2 基于距离-角度的领航跟随模型

2.3 基于距离-距离的领航跟随模型

2.4 本章小结

3 基于模型预测的领航跟随编队控制

3.1 模型预测控制

3.1.1 模型预测控制原理

3.1.2 编队控制目标

3.2 基于MPC的SBC/SSC编队控制

3.2.1 领航者轨迹跟踪控制

3.2.2 SBC/SSC跟随者控制

3.3 两种编队模型的切换控制

3.4 仿真分析

3.5 本章小结

4 基于队形自适应的编队整体避障策略

4.1 避障队形变换策略

4.1.1 同构变形避障

4.1.2 异构变形避障

4.2 自适应避障队形决策机制

4.2.1 编队避障性能评价指标及成本函数

4.2.2 自适应避障队形决策机制

4.3 仿真分析

4.4 本章小结

5 基于人工势场的编队个体避障策略

5.1 领航者的人工势场避障控制

5.1.1 障碍势场的建立

5.1.2 APF避障控制器

5.2 跟随者的复合避障控制

5.2.1 外部障碍势场及内部安全势场

5.2.2 跟随者复合避障控制器

5.3 避障控制策略

5.4 仿真分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢