多水下机器人系统合作与协调技术研究

论文摘要

水下机器人是人类认识海洋、开发利用海洋的主要手段之一。多水下机器人系统是水下机器人研究的重要组成部分，具有重要的研究意义和使用价值。本文综述了多机器人系统、多水下机器人系统的研究现状，全面地总结了多水下机器人系统研究的关键技术、主要研究结果和存在的问题。针对复杂的海洋环境，提出多水下机器人系统设计的评价标准，提出一种适用于多水下机器人系统的体系结构，分别给出了系统中通信控制有效和通信控制失败时的控制方法。多机器人协调与协作机制与系统的体系结构密切相关，系统的动态组织与自组织依赖于不同的协调与协作机制，同时系统的体系结构也限制着协调与协作机制的选择。以多水下机器人编队为应用背景，对系统协调与协作机制进行深入研究。给出编队中单个水下机器人的运动控制方法；针对队形形成问题，提出基于行为效用理论的编队协调方法，以解决多机器人多目标点决策问题；针对队形保持问题，提出用于规划及控制多个水下机器人在动态环境中编队控制的一种有效机制，给出了编队规划协调算法、环境探索及路径获取和轨迹生成的方法，计算机仿真验证了编队控制的有效性和可行性。讨论了多水下机器人系统编队时通信的应用及面临的困难。建立了多水下机器人通信系统，设计了系统中通信协议的媒介访问控制层(MAC层)协议，与基于竞争的Simple协议相对比，提高了水下通信的吞吐量和通信效率。计算机仿真结果表明设计的新协议在一定使用范围内具有更好的性能。以水下机器人试验样机和移动机器人为实验平台，分别进行了两机器人跟随实验、协作推箱实验和水池实验，验证了队形保持控制中，编队规划协调、路径获取和轨迹生成方法的合理性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 多机器人系统研究的发展
• 1.2.1 多水下机器人系统研究综述
• 1.2.2 多水下机器人系统研究的关键技术
• 1.2.3 国内多水下机器人系统研究现状
• 1.2.4 国外多水下机器人系统研究现状
• 1.2.5 多水下机器人通信系统研究现状
• 1.3 多水下机器人系统设计的评价标准
• 1.4 课题的来源
• 1.5 本文主要研究工作
• 第2章 多水下机器人系统体系结构
• 2.1 引言
• 2.2 多水下机器人系统的体系结构
• 2.3 感知
• 2.4 通信
• 2.5 协调协作机制
• 2.6 多机器人系统路径规划
• 2.6.1 多机器人路径规划方法
• 2.6.2 最短路径算法
• 2.7 多机器人系统队形控制
• 2.8 一种适用于多水下机器人系统控制的体系结构
• 2.9 本章小结
• 第3章 动态环境中的编队控制
• 3.1 引言
• 3.2 队形形成问题
• 3.2.1 行为效用理论
• 3.2.2 队形形成问题描述
• 3.2.3 编队问题协调控制策略
• 3.2.4 基于行为效用理论的基本协调方案
• 3.2.5 避免重复决策的改进协调方案
• 3.2.6 考虑偏远目标的改进协调方案
• 3.2.7 仿真分析
• 3.3 队形保持问题
• 3.3.1 编队控制机制
• 3.3.2 编队规划协调算法
• 3.3.3 环境探索及路径获取
• 3.3.4 轨迹生成
• 3.3.5 仿真结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 多水下机器人通信系统
• 4.1 引言
• 4.2 多水下机器人通信系统环境
• 4.3 多水下机器人通信系统的体系结构
• 4.3.1 多水下机器人通信系统的 MAC 层协议
• 4.3.2 多水下机器人通信系统的路由层协议
• 4.4 仿真结果与分析
• 4.4.1 仿真软件简介
• 4.4.2 仿真环境
• 4.4.3 仿真数据分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 多水下机器人协调模型实验与分析
• 5.1 实验平台介绍
• 5.1.1 移动机器人实验平台介绍
• 5.1.2 “海狸”号实验平台介绍
• 5.2 移动机器人实验软件介绍
• 5.3 实验与结果分析
• 5.3.1 跟随实验
• 5.3.2 推箱实验
• 5.3.3 水池中的跟随实验
• 5.3.4 实验结论
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历