多机器人系统中队形控制及避障算法研究

摘要

多机器人系统的研究是对单机器人系统研究的扩展，相比单机器人系统，多个机器人组成的系统潜在的空间分布、功能分布、时间分布等特点决定了其在任务完成效率、能力范围的方面都强于单机器人系统。队形控制是指多个机器人在到达目的地的过程中，既要保持所设定队形又要适应环境约束的控制技术，是多移动机器人研究的基础。本文对多机器人系统队形控制及避障问题展开研究，工作重点针对队伍在行进过程中保持队形不变和遇到障碍物时某个机器人暂时脱离队伍，之后迅速回到队列两方面的内容开展。 本文首先综述了多机器人系统的特点，队形控制研究的发展方向及国内外研究现状。多机器人系统由单个机器人组成，本文接着对机器人系统内部硬件和软件的组成结构、功能分配、管理方式等问题即个体控制结构进行了研究，指出了各种个体控制结构的优缺点和使用场合。然后阐述了多机器人体系结构的控制方式和分布式控制方式的关键问题，分析和比较了各种队形控制方法。 采用了基于行为法和跟随领航者法相结合来解决保持机器人队伍在运动过程中队形不变的问题，引入切换领航机器人的方法来解决系统死锁，设置了领航机器人检验环节来避免领航机器人随机扰动行为的盲目性，并采用动态死区法来解决目标点附近可能出现的固定步长带来的震荡问题。针对第二个研究内容，采用了基于行为的方法来控制单个机器人，设计虚拟机器人来使脱离队列的机器人找回其在原队列中的位置，又不影响其他机器人的运动，结合围捕算法，引用其对机器人集合进行划分的策略，提出了一种与障碍物形状无关的队形控制方法，并进行了仿真实验，分析了仿真结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景及意义

1.2多机器人系统国内外研究的现状

1.3多机器人系统的特点

1.4队形控制研究的发展方向

1.5本文的主要内容

第2章系统体系结构和队形控制方法概述

2.1引言

2.2机器人个体控制结构

2.2.1传统控制结构

2.2.2分层递阶式控制结构

2.2.3混合式控制结构

2.3多机器人系统体系结构

2.4队形控制方法

2.4.1虚拟结构法

2.4.2人工势场法

2.4.3其他方法

2.5本章小节

第3章基于行为的实时队形保持

3.1引言

3.2算法策略

3.2.1行为设计

3.2.2个体机器人控制结构及行为的选取

3.2.3队伍避障方法

3.2.4算法流程

3.3算法仿真实验

3.4改进算法及仿真实验

3.4.1改进算法1

3.4.2改进算法2

3.5本章小节

第4章多机器人目标围捕算法

4.1引言

4.2系统模型及队形描述

4.3算法思想及控制流程

4.3.1确定队形向量

4.3.2机器人团队协作策略

4.3.3算法流程

4.4仿真实验

4.5本章小节

第5章局部队形保持算法

5.1引言

5.2问题描述及队形定义

5.3算法思想

5.4机器人控制方法

5.4.1向目标点运动

5.4.2避障控制

5.5控制流程

5.6仿真实验

5.7多机器人局部队形保持改进算法

5.7.1算法思想

5.7.2仿真实验

5.8本章小节

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果

致 谢