多移动机器人的协作运动控制研究

论文摘要

随着移动机器人学及其应用技术的不断发展，单个机器人的有限能力已不能满足完成复杂自动化任务的要求，多机器人协作技术成为迫切需要解决的问题。目前，“协作机器人学”已经发展成为一个新兴的交叉学科，它把分布式人工智能学、社会学、管理学和生物学等领域的理论和方法引入机器人学的研究中，从系统的角度探讨机器人群体的各种组织形式、信息交互、合作行为和进化机制等问题。而机器人之间的协调运动能力是完成诸如物体搬运、空间探索和搜索救援等协作任务的保证，多机器人协作控制技术就是在这些新的应用需求下提出的，并随着移动机器人学的迅速发展而逐渐成为一项重要的新课题。 本文首先综述了多移动机器人协作控制的研究现状，并分析比较了当前该领域的主要研究问题，介绍了实现机器人协调操作的主要研究方法和关键技术，并总结了多移动机器人协作控制的特点和发展趋势。其中，环境感知和信息交互是移动机器人协作控制的基本能力。为此本文介绍了机器人用于感知外界信息的各种传感模型，并对多机器人系统的信息交互方式、信息交互协议和信息交互模式进行了阐述和分析。 机器人相对位姿检测与定位技术是实现编队等协作控制的重要前提。针对未知环境下的多移动机器人协作定位问题，本文提出了一种基于扩展卡尔曼滤波算法的相对位姿估计与更新方法，并分析了多移动机器人系统的的定位误差大小。该方法提高了机器人群体的协作定位能力。 多移动机器人的协调规划、决策与任务分配问题属于机器人系统上层控制问题。针对有限空间环境中的物料收集等多机器人协作任务，提出一种基于Petri网理论的机器人协作任务分配与导航策略，并建立了基本路口单元模型和工作空间的Petri网模型。针对多机器人资源环境中存在的冲突问题，提出了一种新的任务分配模型，并对拐角等环境特征的资源冲突给出了多机器人冲突消解方法。 多移动机器人编队控制是一个具有挑战性的问题。非完整自主机器人之间的队形保持与避障策略是编队控制的核心。本文从编队的动力学特性和几何模型方法两个方面分析和构建了机器人队形的数学约束模型。基于编队控制的动力学特性，提出了一种新的复合编队控制方法，该方法根据机器人的期望位置在其运动约束区域内外的不同，分别以一种灵活的反馈线性化算法和最优近似目标算法来建立控制规则，并提出了编队环境中存在静态障碍物时的队形控制策略，从而实现多机器人的稳定编队控制。该方法降低了传统线性反馈控制对编队初始误差范围的要求，克服了碰撞等干扰给编队队形带来的不利影响，并且解决了非完整机器人编队的避障问题。为了消除传统动力学模型中存在

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 多移动机器人研究现状概述
• 1.2 多移动机器人协作控制的基本问题
• 1.2.1 多机器人系统体系结构
• 1.2.2 多传感器信息感知与融合
• 1.2.3 多机器人协作控制机制
• 1.2.4 多机器人任务分配与冲突消解
• 1.3 多移动机器人协作控制的主要研究方法
• 1.3.1 基于多智能体的方法
• 1.3.2 基于学习的方法
• 1.3.3 基于概率模型的方法
• 1.3.4 其他研究方法
• 1.4 多移动机器人控制系统的特点
• 1.4.1 多移动机器人控制系统的基本特点
• 1.4.2 多移动机器人协作控制的优越性和复杂性分析
• 1.5 本文主要工作
• 2 多移动机器人信息感知与交互
• 2.1 机器人传感器及其工作原理
• 2.2 多机器人系统信息交互方式
• 2.3 多机器人通信协议
• 2.3.1 TCP/UDP通信协议
• 2.3.2 SOAP通信协议
• 2.4 多机器人信息交互模型
• 2.4.1 C/S通信模型
• 2.4.2 P2P通信模型
• 2.5 本章小结
• 3 机器人协作运动中的状态估计与更新
• 3.1 协作定位的贝叶斯描述
• 3.2 状态和协方差估计
• 3.3 观测反馈及其估计值更新
• 3.3.1 非线性观测方程及其雅可比矩阵
• 3.3.2 状态和协方差更新
• 3.3.3 多观测目标同时定位实现
• 3.4 实验和讨论
• 3.4.1 实验参数测量方法
• 3.4.2 定位实验结果
• 3.5 本章小结
• 4 基于Petri网的机器人协作任务分配与导航
• 4.1 多移动机器人任务分配与导航研究方法
• 4.2 物料收集协作任务分配与导航问题描述
• 4.1.1 物料收集协作任务模型
• 4.1.2 移动机器人基于路标的自主导航策略
• 4.3 工作环境的Petri网建模
• 4.3.1 Petri网的概念
• 4.3.2 库所/变迁网（P/T网）
• 4.3.3 路口单元和工作空间的Petri网模型
• 4.4 多机器人导航资源冲突关系的解决方法
• 4.4.1 任务分配冲突及其协调控制模型
• 4.4.2 运动路径冲突及其协调控制模型
• 4.5 仿真实验结果
• 4.5.1 无冲突机器人路径选择实验
• 4.5.2 双机器人路径冲突协调实验
• 4.5.3 三机器人路径冲突协调实验
• 4.6 本章小结
• 5 多机器人编队动力学特性分析
• 5.1 引言
• 5.2 编队系统的结构和类型
• 5.2.1 编队系统的结构
• 5.2.2 编队类型
• 5.3 机器人运动约束区域模型
• 5.4 编队复合控制算法设计
• 5.4.1 跟随期望目标位置估计
• 5.4.2 反馈线性化控制算法
• 5.4.3 最优近似目标算法
• 5.4.4 复合编队控制算法的实现
• 5.5 编队避障控制策略
• 5.6 编队控制的仿真与监控系统设计
• 5.6.1 仿真与监控系统的功能结构
• 5.6.2 仿真与监控系统的模块化实现
• 5.6.3 编队机器人位姿遥操作
• 5.7 编队控制算法实验结果及分析
• 5.7.1 编队控制仿真实验
• 5.7.2 基于SmartRob2移动机器人平台的编队实验
• 5.8 本章小结
• 6 多机器人编队几何模型的规划与实现
• 6.1 引言
• 6.2 动态编队框架
• 6.3 编队控制规则
• 6.3.1 领队机器人的运动速度和轨迹曲率调整
• 6.3.2 编队状态更新
• 6.3.3 编队队形结构调整
• 6.4 仿真结果
• 6.4.1 三角编队控制
• 6.4.2 行编队避障控制
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 论文创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书