基于黃蜂群算法的群機(jī)器人區(qū)域覆蓋問(wèn)題研究.pdf

1、群機(jī)器人系統(tǒng)是由數(shù)量眾多，功能和結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的自主移動(dòng)機(jī)器人所組成的系統(tǒng)，可通過(guò)有限的感知和交互，協(xié)作完成單個(gè)機(jī)器人所不能勝任的任務(wù)，具有魯棒性、靈活性和規(guī)?？缮炜s等特點(diǎn)。其協(xié)調(diào)控制策略受啟發(fā)于生物群體的自組織行為，具有規(guī)則簡(jiǎn)單，分散控制，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。本文圍繞區(qū)域覆蓋問(wèn)題，受啟發(fā)于黃蜂群響應(yīng)閾值模型，進(jìn)行群機(jī)器人控制策略及仿真研究。所進(jìn)行的工作和取得的研究成果如下:
　　(1)在綜述機(jī)器人區(qū)域覆蓋的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，形式化

2、描述了區(qū)域覆蓋問(wèn)題。建立固定響應(yīng)閾值模型與區(qū)域覆蓋問(wèn)題之間的映射關(guān)系，提出了基于固定響應(yīng)閾值模型的黃蜂群區(qū)域覆蓋算法。通過(guò)將環(huán)境建模為無(wú)障礙的封閉柵格環(huán)境，機(jī)器人根據(jù)單元格的刺激量使用響應(yīng)函數(shù)決定移動(dòng)方向。在自由環(huán)境下的仿真實(shí)驗(yàn)，表明了該法的可行性。
　　(2)對(duì)黃蜂群區(qū)域覆蓋算法進(jìn)行微觀和宏觀的數(shù)學(xué)分析，從而更有效地指導(dǎo)參數(shù)的選擇。采用概率平均方法分析黃蜂群區(qū)域覆蓋算法的覆蓋率和重復(fù)覆蓋次數(shù)。通過(guò)考察響應(yīng)閾值、刺激量、刺激量修改

3、參數(shù)等參數(shù)對(duì)覆蓋性能的影響，結(jié)果表明，機(jī)器人群體的平均移動(dòng)概率理論分析可在一定條件下適用。為該算法的研究和應(yīng)用提供可靠的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。
　　(3)采用離散隨機(jī)過(guò)程的分析方法對(duì)基于響應(yīng)閾值模型的區(qū)域覆蓋算法的覆蓋性能進(jìn)行分析和計(jì)算。結(jié)果表明該分析方法在一定條件下，不僅靈活而且有效。這種離散隨機(jī)過(guò)程方法的優(yōu)點(diǎn)是可以分析各參數(shù)的作用以及指導(dǎo)各參數(shù)的選取。
　　(4)提出障礙環(huán)境下的基于固定響應(yīng)閾值模型的黃蜂群區(qū)域覆蓋移動(dòng)策略，具體說(shuō)明

4、了機(jī)器人的建模，移動(dòng)決策和避障等。在仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)置不同形狀的障礙，分析和驗(yàn)證黃蜂群區(qū)域覆蓋算法在障礙環(huán)境下的覆蓋效率。說(shuō)明在不同的障礙環(huán)境下算法參數(shù)對(duì)覆蓋性能的影響。仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明該移動(dòng)策略的有效性。
　　(5)在分析固定響應(yīng)閾值模型的區(qū)域覆蓋算法所存在的不足的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)的黃蜂群區(qū)域覆蓋算法。改進(jìn)的黃蜂群區(qū)域覆蓋算法受啟發(fā)于自強(qiáng)化模型，機(jī)器人在覆蓋過(guò)程中根據(jù)外界信息和自身狀態(tài)自主調(diào)節(jié)響應(yīng)閾值，從而更靈活地響應(yīng)外界任務(wù)，提

5、高算法的性能，仿真結(jié)果表明，該方法可有效提高覆蓋性能。
　　(6)針對(duì)群機(jī)器人多目標(biāo)搜索的任務(wù)分配問(wèn)題，提出基于黃蜂群響應(yīng)閾值模型的任務(wù)分配策略。群機(jī)器人的多目標(biāo)搜索問(wèn)題可分解為全局搜索和局部搜索，以及機(jī)器人的目標(biāo)選取問(wèn)題。針對(duì)目標(biāo)選取問(wèn)題，將機(jī)器人的狀態(tài)分為漫游、搜索、等待、決策等狀態(tài)，源于黃蜂群勞動(dòng)分工的啟發(fā)，提出基于黃蜂群的響應(yīng)閾值模型的任務(wù)分配策略，用于目標(biāo)選取。在仿真實(shí)驗(yàn)中，在局部搜索階段采用擴(kuò)展微粒群算法，在全局搜索階