多移動機(jī)器人編隊及協(xié)調(diào)控制研究.pdf

1、本文從移動機(jī)器人運(yùn)動控制入手，對機(jī)器人視覺、激光導(dǎo)航和多機(jī)器人協(xié)調(diào)編隊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)動控制到多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制的演化過程，同時解決現(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機(jī)器人平臺和兩類仿真平臺，在此基礎(chǔ)上，通過對三類輪式移動機(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機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型。本文所研究的機(jī)器人平臺：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)計了一種軌跡跟蹤控制器，解決了機(jī)器人的運(yùn)動控制問題，并通過Matlab仿真驗(yàn)證了控制器對圓形軌跡的跟蹤效果。
　　 其次，由于機(jī)器人的自主運(yùn)動依賴于傳感器對外界環(huán)境的感知，視頻信號處理在機(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)境光線對視頻信號處理效果的影響

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)動目標(biāo)的測距，而后設(shè)計分段控制器以減小視頻噪聲干擾，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動態(tài)識別和跟蹤。
　　 視覺信號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)計一種融合激光檢測的視覺校正算

4、法提高了單目視覺的測量精度，然后分別利用激光傳感器設(shè)計了機(jī)器人平滑避障、導(dǎo)航，以及特殊環(huán)境下的運(yùn)動規(guī)劃控制算法，并通過Player/Stage仿真平臺進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。通過對結(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)動控制和感應(yīng)決策的基礎(chǔ)上，本文對多機(jī)器人的協(xié)調(diào)編隊展開研究。本文首先提出了一種在二維環(huán)境下規(guī)?？蓴U(kuò)展的多機(jī)器人拓?fù)洳呗裕糜诮鉀Q在多機(jī)器人剛性拓?fù)渚庩犞?，由于系統(tǒng)內(nèi)部連接關(guān)系不明確而造

5、成編隊規(guī)模難以擴(kuò)展的問題；然后以三角形編隊為例使用矩陣對編隊結(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)器人編隊隊形的協(xié)調(diào)變化。
　　 拓?fù)洳呗允嵌鄼C(jī)器人剛性編隊控制的數(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)器人編隊中經(jīng)典的基于實(shí)時位姿反饋的閉環(huán)控制器，以局部編隊隊形中機(jī)器人的相互關(guān)系為控制對象，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)定的編隊結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到整個編隊，以實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的穩(wěn)定編隊，

6、并基于一種“輸入到狀態(tài)穩(wěn)定性理論（Input-to-State Stability，ISS）”對上述各種編隊結(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，為了說明該策略的普適性，本文對標(biāo)準(zhǔn)三角形編隊的常見衍生隊形進(jìn)行了討論。
　　 最后，由于剛性拓?fù)渚庩牪呗灾刑幱诓煌壿嬑恢玫臋C(jī)器人的控制策略差異性，因此剛性拓?fù)渚庩牪呗栽诒举|(zhì)上不是一種分布式編隊策略。為了研究全分布式的多機(jī)器人協(xié)調(diào)編隊問題，同時避免分布式結(jié)構(gòu)的