自组织集群机器人系统的设计与实现

摘要

集群机器人为解决诸多问题提供了新的解决方案，然而针对集群机器人的研究侧重于算法等理论研究，因为一个实际的集群机器人系统囊括机器人硬件、通信、定位和协调算法等内容，复杂的系统需要在人力、时间与资源方面投入较高的成本，然而要将集群机器人用于生产、生活等领域，离不开对集群机器人实体系统的研究。为此，本文设计并实现了基于Arduino的二轮自平衡智能小车的自组织集群机器人系统。
　　本文采用自上而下的研究思路，首先提出了自组织集群机器人系统的整体框架，将整个系统分为机器人实体、通信系统、定位系统、协调算法以及联合调试方案五大部分，从而将复杂系统分割化、简单化。针对机器人的移动与任务执行功能，本设计采用基于Arduino的二轮自平衡智能小车作为机器人实体;针对集群机器人系统中的通信问题，本文选用基于WiFi的无线通信方案以及总线形拓扑结构和基于C/S的通信模型，利用广播的方式进行信息传播;针对室内环境下机器人的定位问题，本文采用基于霍尔码盘和惯性传感器的联合定位策略。针对机器人之间的协调算法，本文对人工鱼群算法进行了研究、改进与仿真;最后，本文以一个基于速度保持的编队为例验证了本课题设计的自组织集群机器人系统的可行性。
　　通过研究、设计与实验，本课题实现了机器人的移动与平衡功能，机器人能够完成基本的前进、转向等简单动作;本文设计的集群机器人通信系统也能够满足机器人的通信需求，实现了速度信息的传递;主控器单独获取到了惯性传感器数据，在一维方向上，本课题实现了定位的目的，为下一步研究更加完善的定位系统铺垫了道路;基于人工鱼群算法的集群编队仿真实验实现了一种编队队形，另外，基于速度保持的编队调试也验证了本文设计的自组织集群机器人系统的可行性。

目录

声明

摘要

插图和附表清单

第一章 绪论

1．1研究背景

1．2研究目的和意义

1．3国内外研究现状

1．4系统任务说明及本文技术路线

第二章自组织集群机器人系统整体框架

2．1自组织集群机器人系统平台框架

2．2机器人之间的通信网络架构

2．3机器人定位系统

2．4机器人协调控制算法

2．5自组织集群机器人系统联合调试方案

2．6本章小结

第三章自组织集群机器人系统平台搭建

3．1引言

3．2机器人硬件系统设计与实现

3．3机器人平衡与运动程序设计

3．4本章小结

第四章自组织集群机器人通信系统设计与实现

4．1引言

4．2常见的近距离无线通信方式

4．3集群机器人通信系统整体架构

4．4网络测试与验证

4．5本章小结

第五章自组织集群机器人定位系统设计与实现

5．1引言

5．2室内定位方式研究

5．3基于霍尔码盘和惯性传感器的定位方式

5．4定位实验验证

5．5 MPU9250数据获取实验

5．6本章小结

第六章基于AFSA的自组织集群机器人编队研究

6．1引言

6．2人工鱼群算法在自组织集群机器人系统中的应用

6．3人工鱼群算法概述

6．4算法改进与仿真

6．5本章小结

第七章自组织集群机器人系统联合调试与验证

7．1引言

7．2自组织集群机器人系统调试方案设置

7．3单个机器人移动测试

7．4多机器人集群测试——以速度保持为例

7．5本章小结

第八章总结与展望

8．1研究工作总结

8．2课题研究展望

参考文献

致谢

个人简历及论文发表情况