多移动机器人协调控制系统的研究与实现

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1、摘要多机器人系统是机器人学发展的一个新方向。一方面，由于某些任务的复杂性，单个机器人会因为自身有限的能力而无法完成全部的工作，在这种情况下，多个机器人可以通过相互之间的协调共同完成任务。另一方面，通过多机器人间的协调，可以提高机器人系统的作业效率。在多机器人系统的研究中，多移动机器人系统的协调控制始终是一个热点主题，也是该领域中一个基础性的研究方向。本文在前人研究的基础上，通过构建一系列新理论及方法，并结合运动协调仿真与实验，对多移动机器人协调控制系统的理论基础和实现技术进行了更加深入的探讨。本文首先研究了一类基于智能体通信机制的体系结构，以获得多移动机器人系统在“相互

2、感知盲区”中的协调运动能力。为达到全双工，可靠的信道传输，该系统结构采用了UDP/TCP双协议、双通道通信模块设计。本论文其余部分的实验设计及实现方法，都是以结构为基础进行展开研究。为对理论研究结果进行分析和验证，本文设计了一类通用的多移动机器人协调控制仿真软件。通过运用基于虚拟2-D激光的感知技术，以及基于线程的程序结构和面向对象的软件设计法，该软件有效地实现了复杂环境下大规模移动机器人系统协调运动的实时模拟。基于l−ϕ闭环控制律的多移动机器人运动协调算法是一类行之有效的多移动机器人控制算法，本文进一步开展了如下研究：对闭环控制律下Leader-Follower编队的

3、基本稳定性问题进行分析与综合；对串联编队与并联编队的稳定性进行分析与比较，并给出了LFS理论下的相应结论；提出了引入“势点”的改进算法，改善了l−ϕ闭环控制律下的多机器人运动过程的动态性能；提出并探讨了多移动机器人运动协调中的容错控制问题，建立并运用队形分级图，初步研究了基于l−ϕ闭环控制律的多机器人运动协调中的容错队形重构。群集运动控制是模拟自然界中生物聚合运动的新型分散式控制方法，本文研究了群集控制律下的多移动机器人运动协调系统，提出了一类有序化群集运动控制算II法，使得群集运动成为有序化控制行为。在此基础上，本文引入“虚拟力”的概念，运用动力学法则解释、分析与设计

4、由agent到移动机器人的控制转化方法，实现了一个较为完善的实用化群集运动控制系统。研究了一类基于“最小稳定时间”的群集运动性能定量分析方法，给出了多机器人群集运动参数调整的数量依据。本文还研究了几类新的算法，对多移动机器人协调避障和避碰运动进行了分析和探讨，主要包括：提出了基于2-D激光信息的融合沿墙行为的移动机器人避障算法，以解决移动机器人势场法避障中存在的局部极小和死锁问题；运用“虚刚体接触力”的概念及其相应算法，解决多机器人之间的避碰问题；研究了一类多移动机器人群集运动中的联合势场法避障策略，构成了一般环境下的可实用化多移动机器人群集运动系统；提出了通用的融合沿

5、墙行为与融合路径跟踪模式等两类多机器人避障算法，以增强中大规模机器人群在复杂环境中的协调能力，并运用以上理论，与基于l−ϕ闭环控制律和群集控制律的运动协调理论相结合，构成一类具有环境自适应能力和较高实时性的多移动机器人运动协调系统。针对目前的研究比较偏重于完全分布式的多移动机器人单任务协调系统的状况，本文研究了多移动机器人多任务协调系统的应用模式与设计方法。在对4D/RCS系统构建进行分析的基础上，本文研究了基于4D/RCS思想，面向一般性多移动机器人群的分级智能体（Hierarchy-Agent）多任务协调控制系统，使具有不同功能的机器人（agent）能够完成包括对象

6、感知、任务规划以及行为控制在内的多任务协调。在此框架内，本文讨论了基于“势点”的多移动机器人协调围捕/拦截策略，完成了“无人车协同作战”模拟实验，将分级智能体多任务协调控制结构初步应用于一个实际的多移动机器人协调系统。关键词：多移动机器人，协调控制，多智能体，l−ϕ闭环控制，群集运动控制，稳定性，容错控制，多任务协调IIIAbstractMulti-robotsystemisthenewaspectofroboticsdevelopment.Ontheonehand,duetothecomplexityofsometasks,singlerobotisnotcompet

7、enttocarryoutalljobsforitslimitcapability,insuchsituations,multiplerobotsareemployedtoachievetaskobjectivesthroughmutualcoordinationandcollaboration.Ontheotherhand,mutualcoordinationamongrobotswillenhancetheworkingefficiencyoftherobotssystem.Intheresearchofmulti-robotsyst