群體機器人系統(tǒng)的群集自組織運動控制.pdf

1、自然界中的生物大多以群集自組織的形式生存，其意義在于通過增強個體間的信息交流、共同抵御外來侵食者、更高的覓食效率以及較低的運動耗能等群體優(yōu)勢達到族群繁衍生息的目的。目前工程中以解決各類群集應用為目的的多機器人協(xié)作控制被廣泛探討，然而針對大規(guī)模、微小尺度的群集系統(tǒng)，現(xiàn)有策略無法滿足群集運動中個體互聯(lián)關(guān)系的隨機切換、特殊個體的掉隊與并入以及在復雜環(huán)境的多任務自適應等實際需求，同時繁冗復雜的互聯(lián)關(guān)系設計將遇到諸如互聯(lián)協(xié)調(diào)失穩(wěn)、交互信息數(shù)據(jù)量爆

2、炸等問題而引起群集運動控制的失效。不同于傳統(tǒng)方法，群集自組織控制策略具有個體關(guān)系平等且獨立，無需一一對應關(guān)系，且滿足任意個體添加或刪除等特點，其良好的自適應性、冗余性、容錯性、且無由數(shù)據(jù)集中處理帶來的通信和計算瓶頸等優(yōu)點，顯示出了適用于火規(guī)模群集運動控制的優(yōu)勢。
　　本文以不同尺度的兩類群集系統(tǒng)—宏觀智能體系統(tǒng)和微納米機器人系統(tǒng)為研究對象，分別建立基于松散偏好行為規(guī)則和磁-流互聯(lián)作用的群集自組織控制策略，并以此探討了群集自組織運動

3、的同步特性、協(xié)作行為、智能表現(xiàn)以及系統(tǒng)涌現(xiàn)等群集行為特征。將群集自組織運動分解為系統(tǒng)外統(tǒng)一目標下的驅(qū)引行為和系統(tǒng)內(nèi)個體間的分散行為，以此為研究主線，本文的主要工作和創(chuàng)新點如下:
　　首先，僅以個體的兩個最近鄰為互聯(lián)關(guān)系對象，建立了二維線（鏈）型互聯(lián)的松散偏好行為規(guī)則。在統(tǒng)一目標的作用下，探討基于此規(guī)則的二維群集自組織運動行為，并通過仿真及實驗實現(xiàn)三類群集運動實例:隊形控制、協(xié)同搬運及協(xié)作圍捕。
　　其次，不考慮外部統(tǒng)一目標的

4、作用，僅探求個體間的互聯(lián)關(guān)系對群集行為的影響，并將松散偏好行為規(guī)則由二維線（鏈）型擴展為三維網(wǎng)型互聯(lián)關(guān)系。在基于拓撲互聯(lián)關(guān)系的松散偏好行為規(guī)則作用下，通過改變個體的初始位置、互聯(lián)關(guān)系、群體數(shù)量等條件系統(tǒng)地分析了群集系統(tǒng)螺旋運動行為的涌現(xiàn)條件和運行機理。通過系統(tǒng)中新個體的并入和舊個體的脫離使系統(tǒng)達到自組織互聯(lián)的再平衡，以此提出利用“拓撲陷阱”對群集自組織行為的涌現(xiàn)控制。
　　再次，針對微納米螺旋機器人系統(tǒng)，考慮一種特殊的群集自組織行

5、為形式—同步群集運動。忽略個體間互聯(lián)關(guān)系作用，僅在外部統(tǒng)一磁場的作用下，通過改進制備工藝方法和旋轉(zhuǎn)磁場的控制信號，實現(xiàn)大規(guī)模微納米螺旋機器人在平面上進行同步群集運動，并利用具有個體差異的群體完成差異化控制和協(xié)作微操作。
　　最后，以微納米機器人系統(tǒng)的運載功能實現(xiàn)為目標，通過建立磁-流互聯(lián)作用關(guān)系解決磁控機器人在大規(guī)模群集過程中彼此粘連問題，并在外部統(tǒng)一磁場的控制下，探討微納米螺旋機器人系統(tǒng)在微流道中的三維自組織運動行為。