移動(dòng)機(jī)器人覆蓋問題的研究.pdf

1、覆蓋問題是目前移動(dòng)機(jī)器人與控制學(xué)科研究的前沿課題之一，它反映了機(jī)器人移動(dòng)、感知和協(xié)作之間的關(guān)系。覆蓋問題的本質(zhì)是機(jī)器人或機(jī)器人團(tuán)隊(duì)利用其移動(dòng)性將其感知范圍逐步覆蓋整個(gè)環(huán)境。在覆蓋過程中，每個(gè)機(jī)器人個(gè)體只利用其所能得到的信息來決策其運(yùn)動(dòng)，在多個(gè)或群體機(jī)器人問題中，則可進(jìn)一步通過有限的通信獲取其鄰居的信息協(xié)助其自身決策，并在整體上實(shí)現(xiàn)覆蓋任務(wù)。研究覆蓋的目的是，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人模型和任務(wù)本質(zhì)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人個(gè)體通過協(xié)作產(chǎn)生整體行為的規(guī)律，并

2、應(yīng)用這些規(guī)律設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)和解決實(shí)際應(yīng)用中的問題。本文對(duì)單個(gè)、多個(gè)和群體移動(dòng)機(jī)器人的覆蓋問題研究了其建模、控制設(shè)計(jì)與分析，主要包括以下三個(gè)方面： ⑴針對(duì)單個(gè)機(jī)器人的目標(biāo)探測(cè)和動(dòng)態(tài)覆蓋任務(wù)，在理論和算法層次利用其約束運(yùn)動(dòng)模型和可達(dá)區(qū)進(jìn)行問題描述和求解。首先建立了移動(dòng)機(jī)器人約束運(yùn)動(dòng)模型和傳感器模型用于描述機(jī)器人的移動(dòng)和感知，給出了可達(dá)區(qū)定義，即機(jī)器人在有限步內(nèi)可能到達(dá)的區(qū)域，在此基礎(chǔ)上證明了在七步不同運(yùn)動(dòng)模式下多達(dá)2k個(gè)可達(dá)區(qū)的

3、計(jì)算可以降為k+1個(gè)可達(dá)區(qū)的計(jì)算，并提出了k步可達(dá)區(qū)由k+1個(gè)扇形組成的計(jì)算算法?；诩s束運(yùn)動(dòng)模型和k步可達(dá)區(qū)，給出了目標(biāo)探測(cè)和動(dòng)態(tài)覆蓋的問題描述和求解。針對(duì)目標(biāo)探測(cè)問題，定義了可探測(cè)區(qū)，即機(jī)器人在有限步內(nèi)可能探測(cè)到的區(qū)域，并提出了探測(cè)目標(biāo)點(diǎn)和最優(yōu)路徑規(guī)劃算法。對(duì)于動(dòng)態(tài)覆蓋問題，采用k步已探測(cè)區(qū)表示機(jī)器人通過運(yùn)動(dòng)已經(jīng)探測(cè)到的區(qū)域，提出了動(dòng)態(tài)覆蓋策略和遞歸算法，并通過仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法覆蓋多邊形環(huán)境的有效性。 ⑵針對(duì)多個(gè)機(jī)器人如何

4、充分利用通信信息完成覆蓋任務(wù)的問題，在算法和應(yīng)用層次提出一種改進(jìn)市場(chǎng)法實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人覆蓋的任務(wù)分配。針對(duì)市場(chǎng)法只根據(jù)本地地圖計(jì)算代價(jià)的局限性，使用標(biāo)的信息，采用數(shù)據(jù)融合中的Bayes統(tǒng)計(jì)方法更新本地地圖，這種改進(jìn)市場(chǎng)法在連通條件下用以計(jì)算原先無法計(jì)算的目標(biāo)點(diǎn)代價(jià)，并且沒有增加額外的通信量。地圖創(chuàng)建采用帶有占有概率的柵格地圖，同時(shí)利用概率論處理不確定性信息，在使用標(biāo)的信息更新地圖時(shí)，同樣采用概率方法，從而達(dá)到整體方法的一致性。我們還提出用目

5、標(biāo)點(diǎn)切換率這一新指標(biāo)來衡量機(jī)器人間的協(xié)作程度。仿真實(shí)驗(yàn)以及實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本算法優(yōu)于原先的市場(chǎng)法。 ⑶針對(duì)群體機(jī)器人編隊(duì)和覆蓋任務(wù)中機(jī)器人缺失和加入情況，在理論和算法層次提出了移動(dòng)機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)接力式切換拓?fù)淇刂品椒?，從整體和個(gè)體關(guān)系的新角度研究覆蓋問題，形成大規(guī)模機(jī)器人群體建模和控制的理論框架。我們首先建立了結(jié)合基于圖論的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜突诮换?dòng)力模型的個(gè)體運(yùn)動(dòng)模型的移動(dòng)機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)模型。對(duì)應(yīng)地，控制設(shè)計(jì)也分為上述兩個(gè)層次：在拓?fù)鋵哟?/p>

6、，通過分析增加和缺失機(jī)器人個(gè)體對(duì)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆绊懀岢鼍哂凶杂院涂蓴U(kuò)展性的接力式拓?fù)淇刂疲涸趥€(gè)體層次，將拓?fù)淇刂妻D(zhuǎn)化為基于局部交互的具有分布式特征的個(gè)體控制算法。此外，還提出了一套評(píng)價(jià)控制算法的指標(biāo)體系，包括：連通性、收斂性、自愈性、可擴(kuò)展性、魯棒性和穩(wěn)定性，表明了在相同恢復(fù)結(jié)果下所提出算法的白愈性比已有算法高，關(guān)于通信連接缺失的魯棒性也較高，在切換拓?fù)涞倪^程中可以保證網(wǎng)絡(luò)是連通的，并且該算法是收斂的和可擴(kuò)展的，還給出了具有切換拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)