基于领航-跟随策略的异构机器人协同控制技术研究

作     者：石贤伟 

作者单位：西京学院 

学位级别：硕士

导师姓名：蔡红专;赵红训

授予年度：2023年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：异构机器人系统 多二维码 领航-跟随策略 阵形变换 

摘      要：自动控制和多机器人领域的研究热点之一,便是异构机器人协同控制技术。空-地异构系统的主要组成分别为空中机器人(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)、地面多移动机器人(Multi-Unmanned Ground Vehicle,MUGV)和笔记本控制端,两者可依靠自身优势,在协同过程中优势互补,并由笔记本控制端进行控制共同完成救援任务。本文研究基于领航-跟随策略的异构机器人协同控制系统设计与实现,构建异构机器人协同方案,分别设计了多二维码定位算法及基于距离-动态角度融合虚拟结构的线性反馈领航-跟随策略,将阵形变换策略用于自主避障,搭建出仿真实验平台,用于实验验证。主要研究内容:(1)对异构机器人系统进行总体结构设计。为满足异构机器人系统的救援任务工作需要,对异构机器人系统的组成进行分析,设计出UAV、MUGV协同方案,并对关键技术进行阐述,以便选取合适定位方案与编队技术。(2)对UAV设计多二维码定位算法。为减少计算量和去除图像内无关特征、噪声,对图像预处理,对比相关的图像处理算法,并定位图像内二维码区域对二维码编码和解码,并获取实验场景中二维码真实位置,设计基于视觉图像的多二维码定位算法,将其融入激光雷达的定位实验中,以达到提供全局位置信息,提升传统激光雷达定位算法的准确度。(3)对MUGV设计领航-跟随策略及阵形编队策略。建立单车运动学模型,设计基于距离-角度融合虚拟结构的领航-跟随策略。考虑到编队过程中编队阵形不可靠,以上述策略为基础,设计基于距离-动态角度融合虚拟结构的线性反馈领航-跟随策略,以提升编队过程中稳定性,并根据评价指标、环境感知、探测距离信息,设计阵形变换策略,用于躲避实验场景内障碍物。(4)搭建异构机器人系统仿真实验平台。对依靠激光雷达传感器的自适应蒙特卡洛(adaptive Monte Carlo Localization,AMCL)定位算法进行仿真实验,并与融合多二维码定位的AMCL算法对比,实验结果表明多二维码具备修正坐标作用。对MUGV的基于距离-角度融合虚拟结构的领航-跟随策略和基于距离-动态角度融合虚拟结构的线性反馈领航-跟随策略进行仿真实验,实验结果表明编队的稳定性得到提升。对异构机器人系统进行协同救援实验,实验结果表明异构机器人系统在允许的误差内,能够较好的完成救援任务。