群機器人分布式編隊控制及建模研究.pdf

1、群機器人學(Swarm Robotics)是受啟發(fā)于生物群體智能行為而誕生的多學科交叉領域,涉及的研究內(nèi)容非常廣,涵蓋協(xié)調(diào)行為控制、系統(tǒng)建模及實體系統(tǒng)設計等,可以擴展的研究還包括個體的自適應能力、個體之間的通訊設計等,其最終目的是開發(fā)出由大量簡單個體組成且能通過彼此間局部交互以涌現(xiàn)出所期望全局行為的群機器人系統(tǒng)。群機器人在軍事戰(zhàn)爭、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療環(huán)保及日常生活中都具有潛在的應用前景。
　　本文針對群機器人編隊控制存在的問題以及群體

2、建模研究不足的現(xiàn)狀,開展了群機器人學研究的部分工作。論文的主要研究工作及創(chuàng)新性成果如下:
　　(1)遵循群機器人學中個體行為應具備達成取得全局任務目標的趨向性原則,將三近鄰個體在進行E結(jié)構(gòu)編隊過程中的行為分解為調(diào)整過程和內(nèi)聚過程兩個階段,提出了用于三近鄰個體E結(jié)構(gòu)編隊的交互控制算法(TFS),并對三近鄰個體執(zhí)行TFS算法時的E結(jié)構(gòu)編隊進行了穩(wěn)定性分析。仿真結(jié)果表明三近鄰個體通過TFS算法能夠?qū)崿F(xiàn)E結(jié)構(gòu)編隊。
　　(2)對TF

3、S算法進行擴展得到了實現(xiàn)群體多E網(wǎng)絡編隊的局部交互控制算法(L-TFS)。為實現(xiàn)群體均勻多E網(wǎng)絡編隊,對L-TFS算法進行修正以彌補網(wǎng)絡中存在空洞的不足得到了修正局部交互控制算法(ML-TFS)。分析了群體執(zhí)行(M)L-TFS算法時的(均勻)多E網(wǎng)絡編隊的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明群體通過(M)L-TFS算法能從任意初始分布開始編隊成(均勻)多E網(wǎng)絡且ML-TFS算法表現(xiàn)出良好的擴展性和魯棒性。
　　(3)受啟發(fā)于虛擬彈簧網(wǎng)絡原理,提出

4、了用于三維空間中四近鄰個體RT結(jié)構(gòu)編隊的控制方程,分析了RT結(jié)構(gòu)編隊的穩(wěn)定性,并以此為基礎實現(xiàn)了群體多RT空間網(wǎng)絡編隊。擴展了以點對點通信為基礎的Propeller芯片的多通道通信的功能,通過模擬實驗得到了激光信號在一般水體(海水或淡水)中傳輸?shù)暮线m速率。
　　(4)為有效改善傳統(tǒng)環(huán)境勢場中局部極小值的分布狀況,以兩類簡單目標勢函數(shù)和障礙物勢函數(shù)為基礎,提出了乘加性結(jié)構(gòu)的環(huán)境勢函數(shù),分析表明此類環(huán)境勢函數(shù)仍然能夠保證群體的穩(wěn)定聚集

5、。并對所提結(jié)構(gòu)環(huán)境勢函數(shù)用于群體聚集移動時遇到的一些典型問題進行了分析,分別給出了相應勢函數(shù)合適參數(shù)的范圍。
　　(5)以群體協(xié)作覓食為任務背景,對群體協(xié)助覓食及分工覓食的協(xié)作行為分別進行了數(shù)學建模,通過仿真實驗對所提群體數(shù)學模型的有效性進行了驗證,通過構(gòu)建數(shù)學模型描述了各類覓食任務中處于不同狀態(tài)個體數(shù)的動態(tài)特性,分析了模型中相關參數(shù)以及有關控制策略對群體協(xié)作覓食行為的影響。
　　最后總結(jié)了全文的研究成果,并對今后的工作進行