多機器人系統(tǒng)隊形控制研究.pdf

1、內(nèi)容摘要基于隊形控制的多機器人系統(tǒng)在軍事、娛樂、生產(chǎn)等各個領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，因此自1990年以來受到眾多研究者的關(guān)注。本文在對多機器人研究的主要內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)進行了梳理后，側(cè)重于機器人運動協(xié)調(diào)問題的研究，對多機器人隊形控制問題進行深入的探討。隊形控制問題是指多個移動機器人在前進的過程中，整個多機器人團隊建立和保持預(yù)先決定的幾何形態(tài)即隊形，同時又要適應(yīng)環(huán)境約束的控制技術(shù)。隊形控制問題在高層次上是一個具有典型性和通用性的多機器人協(xié)調(diào)問題

2、，在低層次上是各機器人的運動控制問題。本文主要側(cè)重于隊形控制問題的高層控制問題，即隊形中機器人之間的信息共享，協(xié)調(diào)合作的決策機制問題。對隊形控制問題進行了深入的剖析，提出了一個統(tǒng)一的隊形表示框架，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計實現(xiàn)了整個隊形控制系統(tǒng)。首先，本文提出了層次性的可擴展的隊形表示框架HEFF。在以前的隊形控制研究中由于缺乏對隊形結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一有效的表示框架，使得靈活的隊形控制難以實現(xiàn)，限制了隊形控制的研究。統(tǒng)一的隊形表示框架表示為一個由關(guān)鍵節(jié)點

3、和關(guān)鍵邊組成的有向圖，稱為關(guān)鍵圖。關(guān)鍵圖中的節(jié)點可以分派給機器人，而圖中的關(guān)鍵邊可擴展新的節(jié)點。節(jié)點有4種角色:LeaderConductorAssistantFollower.每個節(jié)點同時可有多個角色。通過關(guān)鍵圖和各角色之間的關(guān)系，實現(xiàn)了HEFF內(nèi)在的層次性和結(jié)構(gòu)性。這個框架能表示所有能用直線段組成的隊形。然后，借助于可擴展隊形表示框架，研究并實現(xiàn)了隊形的各種基本操作行為。隊形基本操作行為有:隊形的擴展、收縮操作，以應(yīng)對隊形中機器人的

4、增加或減少隊形的生成操作，即如何生成隊形隊形的伸縮操作，即機器人隊形擴大和縮小。本文還分析和設(shè)計了相應(yīng)機制，使得隊形在機器人增加或減少的情況下仍能盡可能地保持原隊形。進一步，利用隊形表示框架的層次性組織改進了基于虛擬結(jié)構(gòu)的多機器人隊形控制方法，本文提出了動態(tài)可擴展的虛擬結(jié)構(gòu)方法DEVS。采用動態(tài)可擴展的虛擬結(jié)構(gòu)方法、基于行為的方法兩者結(jié)合的形式實現(xiàn)了多機器隊形的運動控制。ABSTRACTHavingagroupofrobotsmovei

5、nformationwouldbebeneficialtomanyapplicationsinrealworldenvironments:exploringanareaforsurveillancesearchandrescuemilitarymissionsetc.Wefocusontherobotformationcontrolafterreviewingtheresearchworkinthefieldofmultirobotsy

6、stem.Formationisdefinedasgroupsofmobilerobotsestablishingandmaintainingsomepredeterminedgeometricshapewhilemoving.Onthehighleveltheformationcontrolisatypicalandgeneralcaseofmultirobotcooperationwhileonthelowlevelitisther

7、obotmotioncontrol.hthedissertationwewillpaytheattentiontotheformerwhichisabouthowtosharetheinformationandhowtocooperatewithotherrobotsthatareinformation.Weproposeaunifiedframetodescribetheformationafterreviewingtheworkha

8、vebeendoneinthefieldofformationcontrol.Basingontheframewethendesignaformationcontrolsystem.AtthefirstwedesignaframetodescribeformationnamedHEFF(HierarchicalExtendFormationFrame).Inthepreviousresearchtheflexibleformationc

9、antberealizedduetoabsenceoftheunifiedframetodescribethedifferentformation.TheHEFFisacyclicdigraphcalledkeyGraphwhichconsistofsomekeynodesandsomekeyedges.Nodecanbeallocatedtorobotandedgecanbeextendedtogetmorenodes.Wealsod

10、efinefourdifferentroletypesfornodenamedleaderconductorassistantandfolower.Usingkeygraphandrolesrelationshipwecanorganizetheformationinhierarchicalstructure.TheHEFFcanbeusedtodescribemanykindofformationshapethatconsistsof

11、linesegments.WedesignsomeelementaryformationmaneuversusingtheHEFEsuchasestablishingtheformationextendingtheformationscalingtheformation.ThenwefindaneffectivemethodtomaketheformationrobustnesstorobotfailureWeimprovetheVir