群機(jī)器人分布式編隊(duì)控制及建模研究.pdf

1、群機(jī)器人學(xué)(Swarm Robotics)是受啟發(fā)于生物群體智能行為而誕生的多學(xué)科交叉領(lǐng)域,涉及的研究?jī)?nèi)容非常廣,涵蓋協(xié)調(diào)行為控制、系統(tǒng)建模及實(shí)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)等,可以擴(kuò)展的研究還包括個(gè)體的自適應(yīng)能力、個(gè)體之間的通訊設(shè)計(jì)等,其最終目的是開(kāi)發(fā)出由大量簡(jiǎn)單個(gè)體組成且能通過(guò)彼此間局部交互以涌現(xiàn)出所期望全局行為的群機(jī)器人系統(tǒng)。群機(jī)器人在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療環(huán)保及日常生活中都具有潛在的應(yīng)用前景。
　　本文針對(duì)群機(jī)器人編隊(duì)控制存在的問(wèn)題以及群體

2、建模研究不足的現(xiàn)狀,開(kāi)展了群機(jī)器人學(xué)研究的部分工作。論文的主要研究工作及創(chuàng)新性成果如下:
　　(1)遵循群機(jī)器人學(xué)中個(gè)體行為應(yīng)具備達(dá)成取得全局任務(wù)目標(biāo)的趨向性原則,將三近鄰個(gè)體在進(jìn)行E結(jié)構(gòu)編隊(duì)過(guò)程中的行為分解為調(diào)整過(guò)程和內(nèi)聚過(guò)程兩個(gè)階段,提出了用于三近鄰個(gè)體E結(jié)構(gòu)編隊(duì)的交互控制算法(TFS),并對(duì)三近鄰個(gè)體執(zhí)行TFS算法時(shí)的E結(jié)構(gòu)編隊(duì)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。仿真結(jié)果表明三近鄰個(gè)體通過(guò)TFS算法能夠?qū)崿F(xiàn)E結(jié)構(gòu)編隊(duì)。
　　(2)對(duì)TF

3、S算法進(jìn)行擴(kuò)展得到了實(shí)現(xiàn)群體多E網(wǎng)絡(luò)編隊(duì)的局部交互控制算法(L-TFS)。為實(shí)現(xiàn)群體均勻多E網(wǎng)絡(luò)編隊(duì),對(duì)L-TFS算法進(jìn)行修正以彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)中存在空洞的不足得到了修正局部交互控制算法(ML-TFS)。分析了群體執(zhí)行(M)L-TFS算法時(shí)的(均勻)多E網(wǎng)絡(luò)編隊(duì)的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明群體通過(guò)(M)L-TFS算法能從任意初始分布開(kāi)始編隊(duì)成(均勻)多E網(wǎng)絡(luò)且ML-TFS算法表現(xiàn)出良好的擴(kuò)展性和魯棒性。
　　(3)受啟發(fā)于虛擬彈簧網(wǎng)絡(luò)原理,提出

4、了用于三維空間中四近鄰個(gè)體RT結(jié)構(gòu)編隊(duì)的控制方程,分析了RT結(jié)構(gòu)編隊(duì)的穩(wěn)定性,并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了群體多RT空間網(wǎng)絡(luò)編隊(duì)。擴(kuò)展了以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信為基礎(chǔ)的Propeller芯片的多通道通信的功能,通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)得到了激光信號(hào)在一般水體(海水或淡水)中傳輸?shù)暮线m速率。
　　(4)為有效改善傳統(tǒng)環(huán)境勢(shì)場(chǎng)中局部極小值的分布狀況,以?xún)深?lèi)簡(jiǎn)單目標(biāo)勢(shì)函數(shù)和障礙物勢(shì)函數(shù)為基礎(chǔ),提出了乘加性結(jié)構(gòu)的環(huán)境勢(shì)函數(shù),分析表明此類(lèi)環(huán)境勢(shì)函數(shù)仍然能夠保證群體的穩(wěn)定聚集

5、。并對(duì)所提結(jié)構(gòu)環(huán)境勢(shì)函數(shù)用于群體聚集移動(dòng)時(shí)遇到的一些典型問(wèn)題進(jìn)行了分析,分別給出了相應(yīng)勢(shì)函數(shù)合適參數(shù)的范圍。
　　(5)以群體協(xié)作覓食為任務(wù)背景,對(duì)群體協(xié)助覓食及分工覓食的協(xié)作行為分別進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模,通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)所提群體數(shù)學(xué)模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證,通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型描述了各類(lèi)覓食任務(wù)中處于不同狀態(tài)個(gè)體數(shù)的動(dòng)態(tài)特性,分析了模型中相關(guān)參數(shù)以及有關(guān)控制策略對(duì)群體協(xié)作覓食行為的影響。
　　最后總結(jié)了全文的研究成果,并對(duì)今后的工作進(jìn)行