多移动机器人团队的系统设计与编队问题研究

摘要

移动机器人是基于多学科知识融合的一个智能平台,采用移动机器人平台的多机器人协作系统拓宽了机器人应用的范围,弥补了单机器人应用中的一些不足之处,可以获得更高的工作效率和更经济的使用成本.如何有效地组织由多个机器人构成的团队,以及在这样的团队中如何实现协调与合作,是多机器人系统研究所面临的主要挑战.多移动机器人系统的研究目前还处于发展阶段,许多技术从无到有,正在逐步走向成熟,因此也就对其走出实验室、实现商用化提出了更高的期望.针对上述问题,本文研究了多移动机器人系统设计与编队控制问题,为提高多移动机器人团队的可用性、实用性、易用性进行了理论和实践等多方面的研究. .本论文主要工作包括以下几个方面: ●针对多机器人系统任务描述中存在进行团队级抽象的需要,定义了多移动机器人团队概念,包括分级的坐标系定义、团队内部的角色定义和团队级的行为定义,设计了一组团队级行为模块,并以有限状态机链图的形式来实现团队任务的描述,降低了任务设计中对机器人底层硬件和个体机器人行为的依赖性,提高了整个系统的易用性和扩展性,实例分析了半结构环境下的编队任务的描述,显示了所提出方法的有效性. ●由异构移动机器人组成的多机器人团队可以发挥不同的软硬件和传感器的优势,在实际使用中具有广泛的需求,通过分析异构多移动机器人之间的差异,着重描述了Pioneer和Frontier两类机器人在软硬件上的区别,以无线局域网为组织结构,提出了基于套接字通讯的本地和远程混合IPC机制的组队实现方法,以异构多移动机器人的容错控制实验作为实例说明了该方法的有效性. ●针对现有多移动机器人应用软件中存在的集成度低、结构松散、灵活性差的问题,从工程实践的角度出发,设计了一个面向多移动机器人团队的通用软件平台TeamLab,它具有一个上下两级共四层的混杂系统结构和一个可视化的集成编程环境,通过团队行为模块的图形化编程和数据组态来实现简易编程,以三机器人编队跟踪的实验展示了该软件平台的实用性和易用性. ●针对多移动机器人编队控制中实现联合避障存在的抖动和卡位现象,在行为法编队策略和Motor-Schema行为融合的基础上,基于多机器人环境信息共享的方法改进了避障的行为,实现队形的紧密保持,以室外环境下的单障碍编队和室内环境下的两障碍编队实验验证了该方法的有效性和可靠性. ●针对变队形编队中已知终端队形形状、而未知队形结构的问题,研究了基于最小队形转换矩阵的终端队形选择方法,设计队形变换的控制律,并通过半结构环境下三机器人编队实验说明了该方法的实用性.然后针对终端队形不确定的情况,定义了受环境约束的队形误差,并以队形误差的变化来进行终端队形的选择,仿真实验验证了其所具有的环境适应能力.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2移动机器人研究

1.2.1传感器技术

1.2.2定位技术

1.2.3路径规划技术

1.3多机器人系统研究

1.3.1体系结构

1.3.2典型任务

1.3.3通讯技术

1.4编队控制

1.4.1应用领域

1.4.2代表性研究

1.4.3队形定义

1.4.4编队过程

1.4.5队形控制

1.5本文要解决的主要问题

1.6本文结构安排

1.7本章小结

第二章面向团队的多移动机器人任务描述

2.1引言

2.2多移动机器人团队定义

2.2.1团队坐标空间

2.2.2角色分配

2.2.3团队级行为

2.3团队行为模块

2.3.1模块设计

2.3.2模块封装与继承

2.4编队任务描述实例

2.5本章小结

第三章异构多移动机器人实验团队

3.1引言

3.2异构机器人

3.2.1 Pioneer

3.2.2 Frontier

3.3混合IPC机制设计与实现

3.3.1混合IPC机制

3.3.2基于WLAN和Socket的实现

3.4异构特征的实现

3.4.1操作平台

3.4.2硬件抽象

3.5实验研究

3.6本章小结

第四章多移动机器人通用软件平台设计

4.1引言

4.2系统结构

4.2.1团队构建

4.2.2团队规划

4.2.3数据中心

4.2.4个体控制

4.3图形化编程

4.4实验研究

4.5本章小结

第五章多移动机器人编队控制的联合避障实现

5.1引言

5.2编队控制律设计

5.2.1个体行为设计

5.2.2行为融合

5.3联合避障的实现

5.3.1基于传感器信息共享的实现

5.3.2基于共享地图的实现

5.3.3基于通讯黑板的实现

5.4实验研究

5.5本章小结

第六章多移动机器人变队形编队研究

6.1引言

6.2有限终端队形选择的变队形编队

6.2.1最小队形变化矩阵

6.2.2编队控制律

6.2.3实验研究

6.3基于队形误差的终端队形选择

6.3.1图论基本概念

6.3.2队形误差定义

6.3.3终端队形选择算法

6.3.4仿真研究

6.4本章小结

第七章总结与展望

7.1主要研究工作总结

7.2进一步研究工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的主要学术成果