多移动机器人的协作、协调和路径规划研究

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多机器人系统由多个机器人组成,它们相互协作完成任务或求解问题。多机器人协作系统具有某些显著的特点,例如低成本、并行性和冗余性,从而可以以大大提高系统的效率,改善其柔性和鲁棒性,对加强国家的军事实力具有十分重要的意义。 本文研究了多移动机器人编队运动过程中的若干重要问题,例如组成队形、保持队形运动以及路径规划等。研究内容分为协作协调和路径规划两部分。 协作协调部分主要研究多移动机器人的协作策略与协调控制方法,包含以下三方面内容。首先,从多移动机器人队形结构的角度,分析了机器人队形的基本特征,进而提出了包含队形几何特征、机器人个体运动信息的队形模型,模型他含参照点选择方案和相对位姿参数两部分。在队形模型的基础上,研究了队列的整体行为(运动方式)以及整体与个体之间的运动协调关系。其次,研究了适合编队运动的三层分布式控制框架和基于行为的控制方法。对于向目标点运动子行为,设计了变增益控制方法,使系统的状念单调收敛,避免了机器人田着目标点转圈;机器人实施避障行为时兼顾与队列之间的联系,以减少机器人间的碰撞和掉队情况。再次,针对目标队形较复杂的情况,提出了目标点搜索算法以便合理确定各机器人的对应目标点,避免了机器人在目标区域内绕路,使得多移动机器人能够快速流畅的组成给定队形。 路径规划部分主要研究环境信息未知、队列受到队形约束,多移动机器人编队运动时的路径规划方法。首先,以多移动机器人合作搬运物体为研究背景,研究了队形形状不变时队列的路径规划问题。将障碍物周围的自由空间归纳为三种通道,相应地设计了三种基本的避障方式:绕行、穿越和通道避障方式。其次,以多移动机器人编队行进为研究背景,研究了队形可分时队列的路径规划问题。避障策略分别采用引入虚拟机器人和队列分割这两种方式。前者能够保证避障时队形部分完整,同时避障路径偏离原路径的程度尽量小:后者受流体运动的启发,将队列分割成宽度更窄的子队列,强调子队列的整体行为,能够更流畅、更迅速的恢复队形。
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