群體機(jī)器人系統(tǒng)合作控制問題研究.pdf

1、近年來，隨著多機(jī)器人系統(tǒng)規(guī)模的不斷增大，系統(tǒng)控制復(fù)雜度及機(jī)器人之間的通信量成指數(shù)倍地增加，難以利用傳統(tǒng)的方法解決。而自然界中廣泛存在的蟻群、鳥群和魚群等社會(huì)生物群體所涌現(xiàn)出的群體智能(Swarm Intelligence)，給多機(jī)器人研究提供了很好的啟發(fā)，于是產(chǎn)生了一個(gè)新的研究領(lǐng)域——群體機(jī)器人學(xué)(Swarm Robotics)。與結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜的單個(gè)機(jī)器人和傳統(tǒng)的多機(jī)器人系統(tǒng)相比，群體機(jī)器人系統(tǒng)的魯棒性、可擴(kuò)展性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性都占有

2、更大優(yōu)勢(shì)，具有廣泛的應(yīng)用前景。本論文針對(duì)群體機(jī)器人系統(tǒng)合作控制中的一些關(guān)鍵理論、技術(shù)和典型任務(wù)進(jìn)行了深入的研究，提出了一些新的方法。本文的主要內(nèi)容有：
　　 1.合作控制中的一致性理論和方法。合作控制中的一個(gè)關(guān)鍵問題就是設(shè)計(jì)合適的一致性方法和策略，使群體間共享的信息形成一致性。針對(duì)這個(gè)問題，本文基于代數(shù)圖論提出了表征群體機(jī)器人個(gè)體之間信息交互關(guān)系和狀態(tài)的“信息交互圖”和“信息交互矩陣”等概念，并利用矩陣論和控制論等理論知識(shí)，證明

3、了群體系統(tǒng)形成一致的充要條件。在此基礎(chǔ)上，研究了群體機(jī)器人一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)在固定交互拓?fù)浜蛣?dòng)態(tài)交互拓?fù)淝闆r下的一致性策略和方法，并針對(duì)存在誤差、擾動(dòng)、延時(shí)以及輸入受限等情況下的一致性方法做出了相應(yīng)的分析，同時(shí)結(jié)合仿真實(shí)例對(duì)所提一致性方法做出了驗(yàn)證。
　　 2.群體機(jī)器人的編隊(duì)控制問題。編隊(duì)控制是群體機(jī)器人合作控制問題中的一個(gè)典型任務(wù)。本文在“boids”模型的基礎(chǔ)上利用一致性理論分析了一階系統(tǒng)“boids”模型的一致性方法；同

4、時(shí)，通過構(gòu)建虛擬勢(shì)場(chǎng)力以及相應(yīng)的一致性策略，提出了一種二階系統(tǒng)的群體機(jī)器人編隊(duì)控制方法，并根據(jù)代數(shù)圖論和LaSalle不變性原理證明了其穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，利用行為融合的方法提出了一種有障礙物環(huán)境中的群集編隊(duì)控制方法。
　　 3.群體機(jī)器人的目標(biāo)搜索問題。目標(biāo)搜索是在指一群機(jī)器人在一個(gè)給定的環(huán)境中通過合作尋找一個(gè)未知的目標(biāo)點(diǎn)，這也是一個(gè)典型的合作控制問題。本文分別從群體機(jī)器人的通信拓?fù)潢P(guān)系，以及實(shí)際的搜尋策略與方法兩個(gè)方面對(duì)目標(biāo)

5、搜索問題進(jìn)行闡述。介紹了一種基于粒子群優(yōu)化(PSO)的搜索方法來控制一群機(jī)器人在未知環(huán)境中搜索目標(biāo)，和標(biāo)準(zhǔn)PSO算法比較，該方法考慮了機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)特性和工作環(huán)境約束。同時(shí)，針對(duì)群體機(jī)器人目標(biāo)搜索中的通信拓?fù)潢P(guān)系，利用一致性理論進(jìn)行了闡述，給出了目標(biāo)搜索任務(wù)能夠完成的條件。
　　 4.群體機(jī)器人的可控問題。群體機(jī)器人系統(tǒng)存在著一個(gè)顯著的問題：即控制結(jié)果往往不可控，很難達(dá)到一個(gè)期望的狀態(tài)。本文把這個(gè)問題稱之為群體機(jī)器人系統(tǒng)的“可

6、控問題”：即如何在不改變機(jī)器人個(gè)體現(xiàn)有一致性規(guī)則的情況下，控制群體機(jī)器人達(dá)到一個(gè)期望的狀態(tài)。針對(duì)這個(gè)問題，本文分別介紹了兩種一階系統(tǒng)的一致性跟蹤方法，以使群體機(jī)器人的狀態(tài)與一個(gè)時(shí)不變或是時(shí)變的參考狀態(tài)漸進(jìn)形成一致。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和群體機(jī)器人系統(tǒng)的特點(diǎn)，介紹了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的“虛形體”技術(shù)。利用在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上構(gòu)造具有群體系統(tǒng)其他實(shí)體特征的虛形體，通過虛形體干預(yù)機(jī)器人實(shí)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使實(shí)體機(jī)器人群體運(yùn)動(dòng)有序可控，