多机器人编队的协调控制与容错性研究

论文摘要

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问题,也是该领域中一个基础性的研究方向。一方面,单个机器人由于受自身能力的限制,必须依赖多机器人之间的相互协调才能完成某些复杂性的工作;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。本文以美国ActivMedia Robotics公司生产的Pioneer 2-Dxe型机器人为研究对象,对多机器人编队的协调控制和容错性进行了深入系统的研究,其主要内容如下:首先从移动机器人发展的历史和现状出发,对比了国内外的不同发展状况。然后简单介绍了移动机器人的软硬件特性,着重介绍了多移动机器人系统。其次,在基于智能体（agent）的群集控制理论研究的基础上,提出了两种关于agent的控制策略。随后,引入“虚拟力”的概念,从而可以运用动力学法则来解释、分析与设计由agent到移动机器人的控制转化方法,这为后面的容错控制提供了很好的理论基础。接着在基于行为的多移动机器人编队控制算法的基础上,引入图论的概念,将编队与矩阵联系起来,提出了用相邻矩阵来描述多机器人编队控制,并给出了编队容错控制算法。最后,由于容错控制实际上是编队稳定性问题,鉴于输入到状态稳定理论（Input-to-State Stability简称ISS理论）可以很好的对误差大小进行量化等优点,我们引入该理论,将leader的输入和编队内部状态联系起来,建立编队内部误差动态方程,分别分析了串联编队和并联编队的稳定性。针对上述算法和控制策略,仿真结果证明了使用的原理和算法的有效性和正确性。结尾对全文进行了总结并对移动机器人编队控制的研究热点进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 多移动机器人系统
• 1.3 国内外多移动机器人研究发展概况
• 1.4 论文研究背景、目的和意义
• 1.5 论文主要内容
• 2 PioneerII 移动机器人简介及多机器人编队控制系统
• 2.1 引言
• 2.2 移动机器人软硬件特性
• 2.3 单个移动机器人的完整控制结构
• 2.4 多机器人编队控制概述
• 2.5 编队中的队形稳定性研究
• 2.6 本章小结
• 3 基于群集控制律的多移动机器人运动协调
• 3.1 引言
• 3.2 基于agent 的无leader 群集运动理论
• 3.3 基于Agent 的有序化群集运动
• 3.4 从Agent 到移动机器人的控制转化方法研究
• 3.5 本章小结
• 4 多移动机器人编队协调及其容错控制
• 4.1 引言
• 4.2 多移动机器人编队协调控制算法
• 4.3 编队容错控制研究
• 4.4 本章小结
• 5 基于输入到状态稳定性理论的编队稳定性分析
• 5.1 有关预备知识
• 5.2 编队内部误差动态方程
• 5.3 基于输入到状态稳定性理论的编队稳定性分析
• 5.4 实验结果与分析
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间完成论文