群体机器人系统的群集自组织运动控制

摘要

自然界中的生物大多以群集自组织的形式生存，其意义在于通过增强个体间的信息交流、共同抵御外来侵食者、更高的觅食效率以及较低的运动耗能等群体优势达到族群繁衍生息的目的。目前工程中以解决各类群集应用为目的的多机器人协作控制被广泛探讨，然而针对大规模、微小尺度的群集系统，现有策略无法满足群集运动中个体互联关系的随机切换、特殊个体的掉队与并入以及在复杂环境的多任务自适应等实际需求，同时繁冗复杂的互联关系设计将遇到诸如互联协调失稳、交互信息数据量爆炸等问题而引起群集运动控制的失效。不同于传统方法，群集自组织控制策略具有个体关系平等且独立，无需一一对应关系，且满足任意个体添加或删除等特点，其良好的自适应性、冗余性、容错性、且无由数据集中处理带来的通信和计算瓶颈等优点，显示出了适用于火规模群集运动控制的优势。
　　本文以不同尺度的两类群集系统—宏观智能体系统和微纳米机器人系统为研究对象，分别建立基于松散偏好行为规则和磁-流互联作用的群集自组织控制策略，并以此探讨了群集自组织运动的同步特性、协作行为、智能表现以及系统涌现等群集行为特征。将群集自组织运动分解为系统外统一目标下的驱引行为和系统内个体间的分散行为，以此为研究主线，本文的主要工作和创新点如下:
　　首先，仅以个体的两个最近邻为互联关系对象，建立了二维线（链）型互联的松散偏好行为规则。在统一目标的作用下，探讨基于此规则的二维群集自组织运动行为，并通过仿真及实验实现三类群集运动实例:队形控制、协同搬运及协作围捕。
　　其次，不考虑外部统一目标的作用，仅探求个体间的互联关系对群集行为的影响，并将松散偏好行为规则由二维线（链）型扩展为三维网型互联关系。在基于拓扑互联关系的松散偏好行为规则作用下，通过改变个体的初始位置、互联关系、群体数量等条件系统地分析了群集系统螺旋运动行为的涌现条件和运行机理。通过系统中新个体的并入和旧个体的脱离使系统达到自组织互联的再平衡，以此提出利用“拓扑陷阱”对群集自组织行为的涌现控制。
　　再次，针对微纳米螺旋机器人系统，考虑一种特殊的群集自组织行为形式—同步群集运动。忽略个体间互联关系作用，仅在外部统一磁场的作用下，通过改进制备工艺方法和旋转磁场的控制信号，实现大规模微纳米螺旋机器人在平面上进行同步群集运动，并利用具有个体差异的群体完成差异化控制和协作微操作。
　　最后，以微纳米机器人系统的运载功能实现为目标，通过建立磁-流互联作用关系解决磁控机器人在大规模群集过程中彼此粘连问题，并在外部统一磁场的控制下，探讨微纳米螺旋机器人系统在微流道中的三维自组织运动行为。
　　本文的研究表明：
　　(1)基于松散偏好行为规则的群集自组织运动控制策略可有效实现大规模群体的协作任务;
　　(2)个体间的互联关系决定了群集自组织运动的螺旋行为涌现的产生，通过“拓扑陷阱”对其控制可有效实现涌现行为的再组织;
　　(3)仅通过外部统一磁场的作用可有效实现微纳米机器人的同步群集运动及协作微操作;
　　(4)磁-流互联作用关系的建立使群体微螺旋在微流道中自组织靶向药物传送成为可能。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 “群集自组织运动行为”的初步认识

1．1．1 自然界中熟知的群集自组织运动行为实例

1．1．2 群体机器人系统的群集实例

1．1．3 “群集自组织运动控制”的相关概念阐述

1．2 研究意义

1．2．1 群集自组织运动控制研究的仿生学意义

1．2．2 宏观智能体系统群集自组织运动控制的研究意义

1．2．3 群体微纳米机器人群集自组织运动控制的研究意义

1．3 研究方法及内容

1．4 研究进展

1．4．1 宏观智能体系统群集运动控制的研究进展

1．4．2 微纳米机器人系统群集运动控制的研究进展

1．5 本文研究思路

1．5．1 目前研究亟待解决的问题

1．5．2 本文的研究内容

1．6 本文章节概述

2 群集自组织运动控制的理论研究

2．1 研究背景

2．2 个体运动行为模型及相关定义

2．3 群集自组织算法

2．3．1 松散偏好行为规则模型的建立

2．3．2 群集自组织算法步骤

2．3．3 群集自组织运动控制的一般说明

2．3．4 稳定性分析

2．5 本章小结

3 群集自组织行为控制的应用实例

3．1 椭圆队形自组织生成

3．1．1 基于宽松偏好规则的最近邻一致性算法

3．1．2 针对队形变换任务的自由运动控制器设计

3．1．3 仿真结果与分析

3．2 协作搬运

3．2．1 搬运机器人的相关设计和运动模型的建立

3．2．2 针对搬运任务的自由运动控制器设计

3．2．3 仿真结果与分析

3．3 协作围捕

3．3．1 围捕任务的描述

3．3．2 针对围捕任务的自由运动控制器设计

3．3．3 仿真结果与分析

3．3．4 实验结果与分析

3．4 自组织与其他策略的对比分析

3．5 本章小结

4 群集自组织系统的运动行为涌现控制

4．1 本章引言

4．2 涌现系统模型的建立

4．3 稳定性分析及证明

4．4 涌现控制的实验与仿真

4．5 本章小结

5 群体磁控微螺旋的同步群集运动及协作控制

5．1 磁控微螺旋机器人的制备技术

5．2 磁控微纳米机器人的磁控驱动及个体功能化

5．3 群体微纳米机器人的同步群集运动

5．4 群体微纳米机器人集群的协作控制

5．5 本章小结

6 群体微纳米机器人的运载功能实现及自组织运动控制

6．1 运载功能化研究背景及问题提出

6．2 运载功能化结构的一体成型制备工艺实现

6．3 运载机器人的装载功能测试

6．4 群体运载机器人的差异化控制及微螺旋自组织行为研究

6．5 群体微螺旋自组织行为的仿真分析

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介