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基于有限状态机的UUV集群围捕策略研究

舰船电子对抗 2022年第1期45卷 22-27页

作者：李亚哲姚尧冯景祥尤岳江苏自动化研究所江苏连云港222006

针对无人水下航行器(UUV)集群围捕策略问题,提出了一种基于有限状态机的UUV集群围捕策略。首先根据UUV的运动学模型建立了一种基于阿波罗尼斯圆的UUV集群围捕模型,针对UUV集群是否对目标UUV形成包围圈进行讨论,对目标的逃逸策略进行了... 详细信息

针对无人水下航行器(UUV)集群围捕策略问题,提出了一种基于有限状态机的UUV集群围捕策略。首先根据UUV的运动学模型建立了一种基于阿波罗尼斯圆的UUV集群围捕模型,针对UUV集群是否对目标UUV形成包围圈进行讨论,对目标的逃逸策略进行了设计。综合上述研究,提出了基于有限状态机的UUV集群围捕策略,根据目标UUV所处的状态,设计各围捕者的状态转移规则,并通过仿真验证了围捕策略的有效性。仿真结果表明,设计的UUV集群围捕策略可应用于无人水下航行器的围捕任务。

关键词：无人水下航行器集群围捕策略有限状态机

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基于博弈论的多卫星围捕策略研究

基于博弈论的多卫星围捕策略研究

作者：史帅科北京邮电大学

学位级别：硕士

随着空间探索的不断深入,空间技术发展日新月异。发展卫星技术,使其在数据通信等领域得到广泛的应用,推动相关技术的革新,是未来空间探索的必然趋势。在应对复杂空间任务时,使用多个功能与结构较为简单的卫星代替单个具有复杂功能与结... 详细信息

随着空间探索的不断深入,空间技术发展日新月异。发展卫星技术,使其在数据通信等领域得到广泛的应用,推动相关技术的革新,是未来空间探索的必然趋势。在应对复杂空间任务时,使用多个功能与结构较为简单的卫星代替单个具有复杂功能与结构的卫星具有更高的可行性、可靠性与灵活性。在协调多个卫星完成空间任务时,缺乏对卫星之间的协作关系的考虑将导致协作失败,甚至威胁到执行任务的卫星的安全。多卫星围捕作为典型的多卫星协作任务,使用多个追捕卫星围捕目标卫星时,不仅需要协调各追捕卫星的运动,还需深入研究各追捕卫星与目标卫星的追逃策略,缺乏对策略的研究将会导致围捕效率降低或围捕任务的失败,甚至造成追捕卫星之间的碰撞。因此,针对多卫星围捕任务,追捕卫星需要一种高效的围捕策略,对深化卫星技术在我国空间领域的应用具有重要意义。本文以多卫星系统为研究对象,基于博弈论方法,针对多卫星围捕目标卫星问题开展围捕策略研究。具体包括多卫星编队队形形成与调整方法研究、基于零和博弈的多卫星围捕问题建模与求解、多卫星围捕策略设计与优化和多卫星围捕策略仿真实验平台搭建。主要研究工作如下:首先,研究多卫星系统的编队队形形成与调整方法。通过分析卫星相对位置矢量关系推导建立编队卫星相对运动轨道动力学模型;在相对运动轨道动力学模型基础上,利用特征结构配置法设计多卫星队形保持控制器,形成编队卫星编队队形;利用高斯伪谱法求解编队队形重构轨迹并基于PID控制器完成编队队形重构控制器设计,有效完成追捕卫星与目标卫星开始博弈围捕前追捕卫星位置的调整。其次,针对围捕过程中追捕卫星与目标卫星的运动策略选择问题,开展基于零和博弈的多卫星围捕问题建模与求解方法研究。考虑多卫星围捕过程中的博弈特性,对多卫星围捕目标卫星问题进行数学描述,并建立多卫星围捕问题的零和博弈模型,设计综合考虑追捕卫星之间的协作、追逃双方的竞争对抗关系的博弈支付函数;并利用设计的博弈模型求解方法完成求解,获得围捕过程中追捕卫星与目标卫星的运动策略,完成追捕卫星与目标卫星的博弈围捕过程。然后,面向多卫星围捕任务,设计并优化多卫星围捕策略。针对追捕卫星速度小于目标卫星的情形,结合阿波罗尼奥斯圆分析完成围捕任务所需最少追捕卫星数量与博弈围捕开始时追捕卫星位置分布关系;设计将围捕任务分为博弈围捕准备阶段与博弈围捕两个阶段的多卫星围捕策略,提高多卫星围捕任务完成效率与围捕成功率;并进行以完成围捕任务所需博弈次数、卫星使用成本与策略求解复杂度为目标的多目标优化研究,确定完成多卫星围捕任务所需追捕卫星最优数量,优化多卫星围捕任务。最后,针对多卫星队形形成与调整方法、基于零和博弈的多卫星围捕策略开展仿真实验研究,设计并搭建多卫星博弈围捕仿真实验平台,并开展追捕卫星围捕目标卫星的仿真实验,验证本文所提出博弈围捕策略的正确性与有效性。

关键词：多卫星系统编队飞行零和博弈围捕策略

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基于狼群算法的多水下机器人协同围捕策略

基于狼群算法的多水下机器人协同围捕策略

作者：李宏达沈阳建筑大学

学位级别：硕士

随着人类对海洋的开发不断加快和深入,水下机器人技术成为人类探索海洋的一大重要手段,引起了众多科研人员的极度重视,进而开始蓬勃发展。近年来自主水下机器人(AUV)在海洋环境监测、数据采集、区域搜索及海地目标探测等方面扮演着越来... 详细信息

随着人类对海洋的开发不断加快和深入,水下机器人技术成为人类探索海洋的一大重要手段,引起了众多科研人员的极度重视,进而开始蓬勃发展。近年来自主水下机器人(AUV)在海洋环境监测、数据采集、区域搜索及海地目标探测等方面扮演着越来越重要的角色。但是因水下机器人承担的任务复杂度越来越大,单个AUV已经开始无法满足工作需要。由此,研究人员开始对多水下机器人系统进行深入研究。多水下机器人系统空间分布能力及在任务执行过程中所展现的高效性、鲁棒性和灵活性都是单个水下机器人所力不能及的。多水下机器人协同围捕问题是多水下机器人协同任务自组织研究中极为重要的一部分,其中的关键技术将会被运用于民事、工业、军事等领域。本文中所研究的多水下机器人围捕问题是指由多个水下机器人组成的群体,通过协同合作,对一目标体进行围捕。将狼群算法应用于多水下机器人系统当中,可以提高系统稳定性。在本文中主要研究了二维空间中的多水下机器人协同围捕问题。狼群算法通过模拟狼群捕食方式抽象出游走、召唤奔袭、围攻目标3种群体智能行为,从而提出的一种新的集群智能算法。首先,介绍了多水下机器人系统及多水下机器人围捕问题的相关背景、国内外研究现状。同时,本文也针对狼群算法进行了详细的介绍。其次,本文将多水下机器人围捕问题中涉及到的被围捕目标分为静态目标与动态目标两种,并给围捕问题分别设定了围捕成功的具体标准。建立了 AUV模型和狼群算法模型,设计了基于狼群算法的协同围捕策略。并优化了基本狼群算法,并将其应用于多水下机器人协同围捕问题中。最后,利用MATLAB进行仿真实验,验证了基本狼群算法可以应用于解决多水下机器人协同围捕问题和其有效性。同时验证了目标不同逃逸策略时狼群算法模型对围捕成功率的影响,并且进行了仿真,分析其对协同围捕问题的影响。实验结果证明,改进狼群算法模型可以改进围捕成功的效果。

关键词：多水下机器人狼群算法协同围捕策略

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能量受限的多自主移动机器人围捕策略研究

工业仪表与自动化装置 2013年第3期 100-103页

作者：梁家海黄雪燕钦州学院数学与计算机科学学院广西钦州535000

从真实机器人的性能特点出发研究能量受限的自主移动机器人的运动规律,提出一种基于能量受限状态下的自主移动机器人的围捕策略,该策略首先建立由虚拟围捕点组成的目标机器人的围捕圈,然后建立模型评价围捕机器人到目标机器人的距离和... 详细信息

从真实机器人的性能特点出发研究能量受限的自主移动机器人的运动规律,提出一种基于能量受限状态下的自主移动机器人的围捕策略,该策略首先建立由虚拟围捕点组成的目标机器人的围捕圈,然后建立模型评价围捕机器人到目标机器人的距离和自身能量的综合指标,选择该指标最优的围捕机器人,让该机器人总以高于目标机器人的速度及以目标机器人的当前运动方向的围捕点为目标运动,其他机器人采用节能的方式向各自的围捕点运动,同时改进了机器人的避障策略;最后对该策略进行仿真,仿真结果表明:多个能量受限的机器人利用总能量的优势,通过对围捕机器人的能量合理的分配能较好地完成对目标机器人的围捕任务。

关键词：能量受限自主移动机器人围捕策略

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基于博弈论的群体机器人围捕策略研究

机械制造 2014年第5期52卷 5-7页

作者：杨萍魏征李春玲兰州理工大学机电工程学院兰州730050

为了提高群体机器人围捕效率,在博弈论框架下对群体机器人围捕行为进行研究,将围捕者与围捕目标之间的行为确定为2个局中人的博弈行为。建立博弈模型,并分析了影响围捕行为中博弈双方走步策略的要素。对群体机器人围捕策略进行优化,并... 详细信息

为了提高群体机器人围捕效率,在博弈论框架下对群体机器人围捕行为进行研究,将围捕者与围捕目标之间的行为确定为2个局中人的博弈行为。建立博弈模型,并分析了影响围捕行为中博弈双方走步策略的要素。对群体机器人围捕策略进行优化,并提出了基于博弈论的策略选择算法。通过仿真实验表明,所建模型和算法在群体机器人围捕策略研究中的可行性和优越性。

关键词：群体机器人博弈论围捕策略

基于实时动态混合算法的多机器人追逃研究及仿真

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信息与电脑 2022年第15期34卷 58-60页

作者：张旭张莉莉王贤立洛阳师范学院物理与电子信息学院河南洛阳471934

针对存在障碍物环境的多机器人追捕问题,首先将已改进的人工势场算法与博弈算法融合应用,即根据微分博弈的求解分析结果,实时动态更新人工势场算法中的目标点。其次,提出基于主从追捕机器人的围捕策略,进一步改进博弈算法中的目标点计算... 详细信息

针对存在障碍物环境的多机器人追捕问题,首先将已改进的人工势场算法与博弈算法融合应用,即根据微分博弈的求解分析结果,实时动态更新人工势场算法中的目标点。其次,提出基于主从追捕机器人的围捕策略,进一步改进博弈算法中的目标点计算,使每一步追捕机器人的运动方向呈现四面包围的形势。仿真结果表明,本文的改进实时动态混合算法能够很好解决存在障碍物的多机器人追捕问题。

关键词：算法融合主从追捕机器人实时动态围捕策略

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基于Agent的多机器人协作研究与仿真

基于Agent的多机器人协作研究与仿真

作者：龚荣沈阳工业大学

学位级别：硕士

多机器人协作是多机器人技术领域的重点研究内容,多机器人围捕运动是研究多机器人协作技术的一个典型平台。随着机器人由传统的“工业机器人”经“‘有感觉’的机器人”到“智能机器人”的实现,多机器人协作技术成为众多学者关注的研究... 详细信息

多机器人协作是多机器人技术领域的重点研究内容,多机器人围捕运动是研究多机器人协作技术的一个典型平台。随着机器人由传统的“工业机器人”经“‘有感觉’的机器人”到“智能机器人”的实现,多机器人协作技术成为众多学者关注的研究方向,多机器人协作围捕成为研究的热点问题之一,其中,目标机器人的逃逸策略和围捕机器人的围捕策略,以及如何更有效的实现成功围捕,是该问题的重点研究内容。本文研究了多机器人对移动目标的协作围捕问题,针对机器人的规模、速度、初始条件、围捕运动状态、围捕成功条件进行了分析和讨论,并对目标机器人和追捕机器人的运动做出动态性调整,提出了夹角最大原则的逃逸策略,确定了迎面阻截与虚拟势点相结合的围捕策略,并分别对提出的逃逸策略和围捕策略与原有策略进行仿真比较,结果表明：本中提出的逃逸策略提高了目标机器人逃逸的成功率,延长了被成功围捕的平均时间;文中提出的追捕机器人的围捕策略提高了围捕成功率,缩短了成功围捕的时间,表明了课题所提出的动态调整策略的有效性。为了科学合理分配多机器人系统的资源,高效有组织的完成任务,本中对多机器人协作任务分配问题进行了研究,将智能体联盟机制应用到多机器人协作系统的任务分配问题中,针对多机器人系统围捕任务的分配问题,从单一围捕任务分配和多围捕任务协调分配两个方面分别进行分析,对目标机器人和追捕机器人的速度、数量、距离和任务组中各成员的相对位置影响任务分配的因素进行讨论,建立数学模型,运用遗传算法进行优化求解,并进行了仿真实验,仿真结果在一定程度上表明了文中所提出的多机器人协作围捕任务分配模型的有效性。

关键词：多机器人系统协作围捕围捕策略任务分配

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基于局部感知的群体机器人协同围捕方法研究

基于局部感知的群体机器人协同围捕方法研究

作者：方涛生国防科技大学

学位级别：硕士

在跨学科融合的背景下产生了基于电子技术、控制技术等多技术交叉融合的新型研究领域:群体机器人。群体机器人一个主要研究是使大量相对便宜、功能较简单的机器人通过个体与个体之间局部交互、个体与环境之间的局部感知,涌现出所预期的... 详细信息

在跨学科融合的背景下产生了基于电子技术、控制技术等多技术交叉融合的新型研究领域:群体机器人。群体机器人一个主要研究是使大量相对便宜、功能较简单的机器人通过个体与个体之间局部交互、个体与环境之间的局部感知,涌现出所预期的群体行为和现象。群体机器人的巨大优势在于通过协同合作可以完成单体机器人难以胜任或无法完成的工作。围捕是大自然中各种捕食动物经常可以观察到的现象,如狮群协作完成捕获牛群中的目标。受此启发,群体机器人想完成预期的任务,只有相互协作,制定策略,方才有可能完成任务。协同围捕研究同时也是群体机器人中一个典型的研究任务,对群体机器人展开围捕研究有着客观的现实需求和理论意义。基于此,本文以多个简单机器人组成的群体机器人通过协同合作完成围捕任务为出发点,开展基于局部感知的群体机器人协同围捕方法研究,具体工作总结如下:（1）介绍了一种群体机器人形态生成与转换的调控方法。针对形态生成与转化这个问题,将多细胞生物和群体机器人之间建立映射机制,利用控制生物形态发生的遗传和细胞机制来进行群体机器人模式的形成。基于此,提出分层基因调控网络方法来控制形态生成,详细介绍了分层基因调控网络上下两层结构如何实现围捕形态生成与转化。（2）设计了一种群体机器人协同围捕的策略。协同围捕策略的好坏是事关能否围捕成功的重要一环,故展开对群体机器人协同围捕策略设计研究很有必要。具体来说,本文创新性提出预包围结合目标安全域的协同围捕策略,有效避免了目标提前发现围捕机器人而发生逃跑的情况,同时预包围设计也优化了围捕策略,提高了围捕的成功率。（3）构建了一种群体机器人协同围捕的模型。针对分层基因调控网络不能在搜索目标阶段进行合适的群体形态规划,本文设计了三角形触角模型,该模型借鉴动物触角的作用,能更早发现目标,便于更早进入预围捕状态,促进更快完成围捕任务,能在一定程度上提高围捕的效率。（4）进行了系列群体机器人协同围捕仿真及实机实验。本文通过在Matlab、Kilomobo等相关仿真平台和Kilobots实体机器人上,展开一系列实验验证围捕算法的有效性和可行性,同时通过对比实验得出本文所提出算法的优越性。

关键词：群体机器人协同围捕形态生成与转换围捕策略触角模型