多移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)及協(xié)調(diào)控制研究.pdf

1、本文從移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制入手，對(duì)機(jī)器人視覺、激光導(dǎo)航和多機(jī)器人協(xié)調(diào)編隊(duì)的控制問題展開系統(tǒng)的研究，旨在展現(xiàn)從單機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制到多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制的演化過程，同時(shí)解決現(xiàn)有的機(jī)器人控制方法中所存在的一些問題。
　　 首先，本文介紹了研究所涉及的兩類移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)和兩類仿真平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)三類輪式移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析，研究了典型的非完整約束移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。本文所研究的機(jī)器人平臺(tái)：Pioneer II-Dxe型機(jī)器人和

2、Koala型機(jī)器人從模型上都可歸為兩輪型移動(dòng)機(jī)器人。作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)，本文根據(jù)機(jī)器人位姿誤差模型設(shè)計(jì)了一種軌跡跟蹤控制器，解決了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制問題，并通過Matlab仿真驗(yàn)證了控制器對(duì)圓形軌跡的跟蹤效果。
　　 其次，由于機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)依賴于傳感器對(duì)外界環(huán)境的感知，視頻信號(hào)處理在機(jī)器人的研究中起著巨大的作用。然而由于視頻信號(hào)處理復(fù)雜，且易受環(huán)境光線的影響，本文首先通過圖像顏色模型的變換，降低環(huán)境光線對(duì)視頻信號(hào)處理效果的影響

3、，并采用一種基于攝像機(jī)標(biāo)定的三維重構(gòu)原理，實(shí)現(xiàn)了單目視覺在空間環(huán)境下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測(cè)距，而后設(shè)計(jì)分段控制器以減小視頻噪聲干擾，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)識(shí)別和跟蹤。
　　 視覺信號(hào)處理適合于解決具有特征顏色或特征形狀的目標(biāo)物的識(shí)別問題，然而機(jī)器視覺尤其是單目視覺存在著精度低且處理速度慢等缺點(diǎn)，激光傳感器由于精度高而信息量小在機(jī)器人導(dǎo)航中得到廣泛的應(yīng)用。本文基于激光傳感器研究了幾類特殊環(huán)境下的導(dǎo)航問題，首先特設(shè)計(jì)一種融合激光檢測(cè)的視覺校正算

4、法提高了單目視覺的測(cè)量精度，然后分別利用激光傳感器設(shè)計(jì)了機(jī)器人平滑避障、導(dǎo)航，以及特殊環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃控制算法，并通過Player/Stage仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)結(jié)果的比較和分析，改進(jìn)控制器性能，以獲得較好的控制效果。
　　 此外，在結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制和感應(yīng)決策的基礎(chǔ)上，本文對(duì)多機(jī)器人的協(xié)調(diào)編隊(duì)展開研究。本文首先提出了一種在二維環(huán)境下規(guī)模可擴(kuò)展的多機(jī)器人拓?fù)洳呗?，用于解決在多機(jī)器人剛性拓?fù)渚庩?duì)中，由于系統(tǒng)內(nèi)部連接關(guān)系不明確而造

5、成編隊(duì)規(guī)模難以擴(kuò)展的問題；然后以三角形編隊(duì)為例使用矩陣對(duì)編隊(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，并在此基礎(chǔ)上通過基本的數(shù)學(xué)變換實(shí)現(xiàn)特定環(huán)境中的多機(jī)器人編隊(duì)隊(duì)形的協(xié)調(diào)變化。
　　 拓?fù)洳呗允嵌鄼C(jī)器人剛性編隊(duì)控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，需要通過合適的控制器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。本文采用多機(jī)器人編隊(duì)中經(jīng)典的基于實(shí)時(shí)位姿反饋的閉環(huán)控制器，以局部編隊(duì)隊(duì)形中機(jī)器人的相互關(guān)系為控制對(duì)象，按照串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)和多引導(dǎo)者結(jié)構(gòu)三種方式將穩(wěn)定的編隊(duì)結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到整個(gè)編隊(duì)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定編隊(duì)，

6、并基于一種“輸入到狀態(tài)穩(wěn)定性理論（Input-to-State Stability，ISS）”對(duì)上述各種編隊(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得到穩(wěn)定性條件和ISS 穩(wěn)定性指標(biāo)。同時(shí)，為了說明該策略的普適性，本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)三角形編隊(duì)的常見衍生隊(duì)形進(jìn)行了討論。
　　 最后，由于剛性拓?fù)渚庩?duì)策略中處于不同邏輯位置的機(jī)器人的控制策略差異性，因此剛性拓?fù)渚庩?duì)策略在本質(zhì)上不是一種分布式編隊(duì)策略。為了研究全分布式的多機(jī)器人協(xié)調(diào)編隊(duì)問題，同時(shí)避免分布式結(jié)構(gòu)的