多移动机器人规划与调度关键技术研究

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多移动机器人系统(Multi-Mobile Robot System,MMRS)在柔性制造、智能仓储等领域的应用日益广泛,应用场景的多样化和复杂化也给系统的稳定、高效运行带来了挑战。首先,环境的复杂性需要系统对环境有一个动态和普适性的建模,以便系统能应用到各类复杂的环境中。再者,异构机器人和变尺寸机器人的存在对多移动机器人的规划和调度带来了挑战。所以,在动态的环境模型下,对运动规划、路径规划、充电调度等规划和调度技术的研究具有重要意义。围绕多移动机器人规划和调度的关键技术,本文开展的研究工作和得出的结论主要有:(1)基于路线图,本文提出粘连节点这一动态的概念,并对其属性和计算方法进行了研究。粘连节点基于移动机器人的路径、位置和尺寸等实时数据,动态计算节点间的粘连关系,而不必对环境地图进行手动的区域设计。这使得空间资源的冲突可以基于路线图和移动机器人的实时数据直接计算,既增加了方法的普适性又提升了空间利用率,为本文的研究提供了基础。(2)提出了一种申请-预留式的交互框架,以实现节点资源在异构机器人间有序分配。同时,基于申请-预留机制和粘连节点提出一种移动机器人间的碰撞避免算法以及空闲机器人的让路控制算法。既能保证移动机器人间不发生碰撞,也能避免空闲机器人长时间阻挡工作机器人的现象。(3)研究了MMRS中的死锁问题,对直接死锁和间接死锁的成因、原理和属性进行了分析。基于粘连节点,本文提出了直接死锁和间接死锁的检测与避免方法。实验结果表明,只避免直接死锁不能完全避免死锁的发生,且基于粘连节点的碰撞和死锁避免算法相较于静态的区域控制方法具有明显的优势。(4)实现了考虑路径平滑、交通拥堵和死锁避免在内的路径规划算法,并研究了不同因素对路径规划效果的影响。对不可避免的死锁进行分析和研究,提出一种通过修改路径实现自动解锁的死锁解锁算法。死锁解锁与死锁检测、死锁避免一起,构成了MMRS中完整的死锁处理体系。(5)研究了MMRS中的充电调度问题,设计了多阈值分级充电调度策略解决了何时充电的问题,提出了充电桩的选择以及竞争的处理策略,解决了何处充电问题,并与任务派发结合设计了充电调度算法。所设计的算法应用到了智能仓储、智能制造、自动化码头在内的多个真实项目中,所有实验均基于真实的工业项目场景进行仿真,进一步验证了本文所提方法的有效性和应用价值。
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