群機(jī)器人分布式編隊控制及建模研究.pdf

1、群機(jī)器人學(xué)(Swarm Robotics)是受啟發(fā)于生物群體智能行為而誕生的多學(xué)科交叉領(lǐng)域,涉及的研究內(nèi)容非常廣,涵蓋協(xié)調(diào)行為控制、系統(tǒng)建模及實體系統(tǒng)設(shè)計等,可以擴(kuò)展的研究還包括個體的自適應(yīng)能力、個體之間的通訊設(shè)計等,其最終目的是開發(fā)出由大量簡單個體組成且能通過彼此間局部交互以涌現(xiàn)出所期望全局行為的群機(jī)器人系統(tǒng)。群機(jī)器人在軍事戰(zhàn)爭、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療環(huán)保及日常生活中都具有潛在的應(yīng)用前景。
　　本文針對群機(jī)器人編隊控制存在的問題以及群體

2、建模研究不足的現(xiàn)狀,開展了群機(jī)器人學(xué)研究的部分工作。論文的主要研究工作及創(chuàng)新性成果如下:
　　(1)遵循群機(jī)器人學(xué)中個體行為應(yīng)具備達(dá)成取得全局任務(wù)目標(biāo)的趨向性原則,將三近鄰個體在進(jìn)行E結(jié)構(gòu)編隊過程中的行為分解為調(diào)整過程和內(nèi)聚過程兩個階段,提出了用于三近鄰個體E結(jié)構(gòu)編隊的交互控制算法(TFS),并對三近鄰個體執(zhí)行TFS算法時的E結(jié)構(gòu)編隊進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。仿真結(jié)果表明三近鄰個體通過TFS算法能夠?qū)崿F(xiàn)E結(jié)構(gòu)編隊。
　　(2)對TF

3、S算法進(jìn)行擴(kuò)展得到了實現(xiàn)群體多E網(wǎng)絡(luò)編隊的局部交互控制算法(L-TFS)。為實現(xiàn)群體均勻多E網(wǎng)絡(luò)編隊,對L-TFS算法進(jìn)行修正以彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)中存在空洞的不足得到了修正局部交互控制算法(ML-TFS)。分析了群體執(zhí)行(M)L-TFS算法時的(均勻)多E網(wǎng)絡(luò)編隊的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明群體通過(M)L-TFS算法能從任意初始分布開始編隊成(均勻)多E網(wǎng)絡(luò)且ML-TFS算法表現(xiàn)出良好的擴(kuò)展性和魯棒性。
　　(3)受啟發(fā)于虛擬彈簧網(wǎng)絡(luò)原理,提出

4、了用于三維空間中四近鄰個體RT結(jié)構(gòu)編隊的控制方程,分析了RT結(jié)構(gòu)編隊的穩(wěn)定性,并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)了群體多RT空間網(wǎng)絡(luò)編隊。擴(kuò)展了以點(diǎn)對點(diǎn)通信為基礎(chǔ)的Propeller芯片的多通道通信的功能,通過模擬實驗得到了激光信號在一般水體(海水或淡水)中傳輸?shù)暮线m速率。
　　(4)為有效改善傳統(tǒng)環(huán)境勢場中局部極小值的分布狀況,以兩類簡單目標(biāo)勢函數(shù)和障礙物勢函數(shù)為基礎(chǔ),提出了乘加性結(jié)構(gòu)的環(huán)境勢函數(shù),分析表明此類環(huán)境勢函數(shù)仍然能夠保證群體的穩(wěn)定聚集

5、。并對所提結(jié)構(gòu)環(huán)境勢函數(shù)用于群體聚集移動時遇到的一些典型問題進(jìn)行了分析,分別給出了相應(yīng)勢函數(shù)合適參數(shù)的范圍。
　　(5)以群體協(xié)作覓食為任務(wù)背景,對群體協(xié)助覓食及分工覓食的協(xié)作行為分別進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模,通過仿真實驗對所提群體數(shù)學(xué)模型的有效性進(jìn)行了驗證,通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型描述了各類覓食任務(wù)中處于不同狀態(tài)個體數(shù)的動態(tài)特性,分析了模型中相關(guān)參數(shù)以及有關(guān)控制策略對群體協(xié)作覓食行為的影響。
　　最后總結(jié)了全文的研究成果,并對今后的工作進(jìn)行