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异构多机器人系统的协同控制研究

异构多机器人系统的协同控制研究

作者：赵晓凤湖北师范大学

学位级别：硕士

随着现代科技的飞速发展与制造应用的需求陡增,作为加快国家经济发展新引擎的机器人技术对于应对这种趋势意义非凡。多机器人系统所具备的灵活性、高效率、强鲁棒性等优良特性使其在实际应用与载体开发方面表现出极大优势,现已受到各个... 详细信息

随着现代科技的飞速发展与制造应用的需求陡增,作为加快国家经济发展新引擎的机器人技术对于应对这种趋势意义非凡。多机器人系统所具备的灵活性、高效率、强鲁棒性等优良特性使其在实际应用与载体开发方面表现出极大优势,现已受到各个领域研究者的广泛关注。然而,现实中所考虑的多机器人系统中的个体通常不完全相同,因而不能用统一的动力学进行建模。对此,本文基于分布式控制协议研究了异构多机器人系统的协同控制问题,分别考虑收敛速率、交互拓扑、通信方式等影响因素,具体研究内容如下:针对受参数不确定性和外部干扰影响的网络异构欧拉-拉格朗日多机器人系统的任务空间预定时间时变编队跟踪问题,提出了一种基于非奇异终端滑模控制方法的分层预定时间控制算法,所提算法允许收敛时间可以作为控制参数预先确定。此外,利用预定义时间稳定控制方法和最近邻交互规则,得到了实现异构多机器人系统任务空间预定时间时变编队跟踪的充分条件。研究了矩阵加权网络下存在输入-输出冗余、不确定动态项和外部干扰的异构多机器人系统的预定义时间协同控制问题,建立了一种由分布式估计器算法和局部控制算法组成的分层控制框架,通过引入预定义时间理论推导出所设计算法能够使系统在预定义时间内收敛的充分判据。此外,将所提算法扩展到了存在领导者的有向矩阵加权通信网络的情况,展示了所提算法的通用性。讨论了矩阵加权网络下存在时变通信延迟和外部干扰的异构多机器人系统的输出比例一致性问题,基于非周期性间歇通信方式设计了一个新颖的由两层构成的非周期性间歇控制框架并提出了相应的控制算法,利用李雅普诺夫稳定性理论和输入-状态稳定性理论得出了实现异构多机器人系统输出比例一致性的充分条件。

关键词：异构多机器人系统协同控制预定义时间控制矩阵加权网络非周期间歇通信

一种基于CORBA的异构多机器人系统的设计与实现

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一种基于CORBA的异构多机器人系统的设计与实现

作者：吕家兴吉林大学

学位级别：硕士

当前,随着相关技术的发展,机器人逐渐被赋予更加强大的能力,多机器人系统逐渐成为机器人相关研究的一大发展趋势。为了简化机器人应用与底层硬件相关的开发,出现了许多功能强大的机器人开发框架,为机器人应用建立了底层硬件的抽象描述,... 详细信息

当前,随着相关技术的发展,机器人逐渐被赋予更加强大的能力,多机器人系统逐渐成为机器人相关研究的一大发展趋势。为了简化机器人应用与底层硬件相关的开发,出现了许多功能强大的机器人开发框架,为机器人应用建立了底层硬件的抽象描述,并提供了许多机器人相关的开发工具、功能库等,极大地缩短了机器人开发的流程。但这也导致了现实世界中的多机器人系统内部的异构问题:采购自不同厂商的机器人可能采用不同的研发路线,导致机器人之间无法进行互操作,而这一问题可能严重影响着多机器人系统相关研究成果的落实。聚焦这一问题,相关项目研究提出的主流解决方案是在机器人框架之上,采用某种中间件技术来形成统一的外部通信总线。方案采用的中间件技术,可能是一些已有的成熟的技术,也可能是新研发的专用技术。但无论怎样,这些技术都要有一定的可扩展、跨异构的互操作能力,来支撑多种多样的机器人软硬件平台。针对上述的多机器人系统在实际应用中存在的各种系统异构问题,本文选择使用CORBA技术,并提出了一种基于CORBA中间件的异构多机器人系统结构与系统构建方法。首先,本文介绍了系统的整体结构与基本原理;然后提出了系统搭建的主要流程,同时对于异构多机器人系统给出了一种分层的IDL接口设计思路,并对设计中出现的接口冲突问题给出了解决方案;最后,按照提出的方法,设计了一个包含编队跟随任务和协同灭火任务的多机器人系统,并通过一系列包含多种异构机器人的实物实验,对系统功能及互操作能力进行了验证。接下来,本文还对相关文献中使用的另一种跨异构互操作技术——RESTful架构,与CORBA技术在无人系统异构场景下的传输效率与稳定性,设计了无人车跟随、探测数据传输两个典型的无人系统互操作用例场景,使用上述两种技术分别实现,并在三辆无人车上进行真实场景下的实物测试。测试结果表明:对于数据量小、并发程度高的交互场景,CORBA传输效率略优于RESTful架构,稳定性差与RESTful架构;对于数据量较大的数据传输场景,CORBA的传输效率以及稳定性都要明显优于RESTful架构,进而说明了CORBA的实时性。

关键词：异构多机器人系统无人系统结构 CORBA 互操作技术机器人

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异构非完整多机器人系统协同控制方法研究

异构非完整多机器人系统协同控制方法研究

作者：丁文镝浙江大学

学位级别：硕士

由于多机器人系统在复杂任务中的应用潜力,近年来众多国内外研究者已经在该领域开展了大量研究。然而从目前研究现状来看,多机器人系统在复杂未知环境中的应用仍是该领域面临的主要挑战之一。从这一问题出发,本文利用异构机器人间的优... 详细信息

由于多机器人系统在复杂任务中的应用潜力,近年来众多国内外研究者已经在该领域开展了大量研究。然而从目前研究现状来看,多机器人系统在复杂未知环境中的应用仍是该领域面临的主要挑战之一。从这一问题出发,本文利用异构机器人间的优势互补,提出了由搭载视觉传感器的UAV及多台UGV组成的异构多机器人系统。在多机器人系统的协同运输、区域覆盖等具体任务中,各机器人成员有时需要形成特定的队型结构。随着多机器人系统的发展及学者对生物集群现象研究的深入,编队控制已经成为了多机器人协同领域中的热门课题。围绕上述异构多机器人系统的编队控制问题,本文的主要研究内容如下:1.利用空中视觉传感器的视觉定位,对异构多机器人系统的编队形成问题进行研究。基于多机器人系统编队控制中常用的人工势场法,本文利用UAV的视觉定位信息设计了相应的势场函数,从而同步解决异构多机器人系统的编队形成问题、成员碰撞避免约束及相机视野范围约束。通过分析非完整UGV的运动学模型,本文设计了基于梯度的编队形成控制律,并证明了闭环系统在UAV静止时的渐近稳定性。此外,本文根据工作中的异构多机器人系统搭建了相应的仿真平台与实验平台从而对方法在实际任务及环境中的表现进行验证和分析。2.在异构多机器人系统静态编队的基础上,本文进一步研究了以UAV为领航者的异构多机器人系统的编队跟踪控制。为了实现异构机器人间的优势互补,系统中的UAV应充分发挥其高自由度的运动特性。针对这一动态场景,本文对UAV的投影运动模型进行了分析,并进一步提出了移动参考系下非完整UGV团队的异构运动学模型。基于该模型及李雅普诺夫直接法,本文设计了无需对UAV六自由度运动施加额外约束的异构多机器人系统编队跟踪控制律,并证明了闭环系统在UAV状态反馈准确时的渐近稳定性。该方法的表现及效率也在文中搭建的仿真与实验平台中得到了验证。3.为了将方法推广至通用的低成本机器人平台,本文进一步研究了仅依赖视觉的异构多机器人系统编队跟踪控制方法。利用多机器人系统的异构运动学模型,本文设计了基于视觉定位的领航速度观测器,并在观测器中进一步考虑了视觉定位误差及信号传输延迟的补偿。同时,针对基于视觉定位的势场函数在实际应用中的不足,本文也同样设计了基于图像坐标的势场函数,从而降低相机标定及视觉定位误差对于系统整体的影响。通过对控制律的改进,本文证明了闭环系统在领航速度观测器输出误差有界时的稳定性。该方法在仿真以及与领域内最新方法的对比中取得了良好的表现,同时也在实际的异构多机器人系统实验中有效的完成了预期的编队跟踪任务。

关键词：异构多机器人系统编队控制速度观测视野范围约束碰撞避免

基于视觉的异构多机器人协同编队控制系统研究

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基于视觉的异构多机器人协同编队控制系统研究

作者：苑港硕电子科技大学

学位级别：硕士

异构多机器人系统协同控制是自动控制与机器人领域研究热点之一。无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)和地面无人车(Unmanned Ground Vehicle,UGV)组成的空-地异构系统在协同控制过程中形成优势互补,提高控制系统性能。本文研究基于视... 详细信息

异构多机器人系统协同控制是自动控制与机器人领域研究热点之一。无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)和地面无人车(Unmanned Ground Vehicle,UGV)组成的空-地异构系统在协同控制过程中形成优势互补,提高控制系统性能。本文研究基于视觉信息的异构机器人协同控制系统设计与实现,设计面向有/无领导者的编队控制算法,适用于狭窄区域下的编队变换,并搭建物理平台进行实验验证。论文主要内容如下:1)对无人机设计一种基于视觉信息的跟踪控制算法。为获取地面机器人的相对位姿,设计基于位置的视觉伺服(Position-based Visual Servoing,PBVS)控制算法,保证无人机能始终悬停于地面机器人编队上空。并采用基于比例-微分(PD)的控制器来实现无人机的跟踪控制。2)对地面移动机器人设计基于图论的编队控制算法。利用无人机视觉信息计算地面机器人相对位置,分别设计无领导者和有领导者情形下的编队控制算法。同时,提出一种改进人工势场算法,确保地面机器人避免碰撞。3)对地面机器人设计一种面向狭窄区域的编队变换策略。设计基于评价函数的编队变换优化方法,确保机器人在环境约束下实现编队队形最优决策。4)搭建无人机-无人车异构机器人系统编队控制平台。结合机器人操作系统(Robot Operate System,ROS)和Gazebo,完成异构多机器人系统动态仿真和实验检测系统性能。

关键词：异构多机器人系统视觉伺服编队控制编队变换机器人操作系统

基于快速信息共享的多机器人系统重规划模型与算法的研究

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基于快速信息共享的多机器人系统重规划模型与算法的研究

作者：张玉林电子科技大学

学位级别：硕士

随着多机器人系统应用动态性的增强,环境具有较强的不确定性,并且无法被机器人预测,进而导致了协同多机器人系统无法依赖于静态配置,多机器人系统重规划成为了重要挑战。当前多数研究在动态、任务复杂化以及异构机器人组成的多机器人系... 详细信息

随着多机器人系统应用动态性的增强,环境具有较强的不确定性,并且无法被机器人预测,进而导致了协同多机器人系统无法依赖于静态配置,多机器人系统重规划成为了重要挑战。当前多数研究在动态、任务复杂化以及异构机器人组成的多机器人系统应用中,仍然具有一定的缺陷。针对这一问题,本文提出了基于快速信息共享的重规划方法,通过快速信息共享为重规划提供更多的信息支持,以提高重规划效率。为了进行信息共享,最关键的就是要解决异构型机器人系统之间信息表示不一致的问题。本文基于机器人决策的关键信息,对异构型机器人从机器人自身的状态、环境状态以及协同决策上进行了语义化研究,并且基于OWL对这些信息进行了统一化表示,能够将信息的定义以及信息的内容结合到一起,从形式和内容两方面解决了异构信息的问题。基于语义化信息表示,本文分别提出了基于注册和推送的信息共享方法,能够在有限的通信消耗下,为机器人系统提供更多有价值的信息。在注册式信息共享中,本文从机器人的角色和地理位置出发,判断机器人的信息需求,从而提出了基于角色和地理位置的注册方法。在推送式的信息共享中,本文基于机器人知识的语义图模型,通过判断新信息对语义图结构的影响,提出了启发式信息价值估计方法,实现信息推送。注册式信息共享方法能够精确获取机器人的信息需求,提高信息共享精度。而推送式的信息共享方法能够获取机器人系统隐藏的信息需求,并且减少了注册过程中的通信消耗,与注册式的信息共享方法进行了互补。为了讨论信息共享对重规划的影响,本文建立了重规划模型,在该模型中并分析了信息共享能够减少重规划计算复杂度,提高重规划精度。最后本文基于多无人机协同路径规划与重规划建立了应用演示系统,并将信息语义化表示技术,信息共享技术和重规划技术在无人机路径规划中进行了实例化,实现了应用演示系统,验证了基于信息共享方法的有效性。

关键词：异构多机器人系统重规划快速信息共享

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异构多机器人编队相互通信时延精确控制

计算机工程与应用 2018年第12期54卷 258-263页

作者：贾枭张国良徐君杜柏阳林志林火箭军工程大学301教研室西安710025

编队控制是多机器人协同控制领域研究的重点问题。考虑实际复杂环境,对异构多机器人系统的编队控制研究更具工程意义。再者,当异构多机器人编队系统存在通信时延时,同时对系统中不同阶机器人进行一致性分析的难度增大。针对以上问题,提... 详细信息

编队控制是多机器人协同控制领域研究的重点问题。考虑实际复杂环境,对异构多机器人系统的编队控制研究更具工程意义。再者,当异构多机器人编队系统存在通信时延时,同时对系统中不同阶机器人进行一致性分析的难度增大。针对以上问题,提出一种基于一致性理论的异构系统编队控制算法。考虑零时延与固定时延两种情况,首先,利用一致性思想将领航跟随者模式下的异构多机器人系统编队控制问题转换为稳定性问题。然后,根据矩阵分析与Routh-Hurwitz定理,推导出零时延系统实现编队控制的充要条件。进一步构造Lyapunov-Razumikhin函数,利用Newton-Leibniz公式与Lyapunov定理,推导出固定时延系统实现编队控制的充分条件。仿真结果表明:基于一致性算法的异构多机器人系统能够实现相互通信时延条件下的编队精确控制。

关键词：编队控制时延异构多机器人系统一致性领航跟随者

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双无人机车载系统路径规划研究

双无人机车载系统路径规划研究

作者：任诗文武汉科技大学

学位级别：硕士

在多机器人的研究中,异构机器人系统因其个体具有不同性能特点能够实现优势互补得到了广泛的应用,尤其是在一些复杂多变、危险未知的环境中,起到了重要的作用。针对单一异构机器人系统因能耗补充导致的工作效率低下的问题,本文对一类双... 详细信息

在多机器人的研究中,异构机器人系统因其个体具有不同性能特点能够实现优势互补得到了广泛的应用,尤其是在一些复杂多变、危险未知的环境中,起到了重要的作用。针对单一异构机器人系统因能耗补充导致的工作效率低下的问题,本文对一类双无人机车载异构机器人系统的路径规划问题展开研究,并提出了新的路径规划方案。本文主要研究工作及创新内容如下:(1)基于多机器人系统的应用发展与路径规划问题的研究现状,在参阅大量文献的基础上,对现有的多机器人系统路径规划方法进行了研究,分别从经典算法和现代算法角度进行分类、归纳、总结与分析,为本课题路径规划问题求解与改进提供了思路。(2)提出了一类双无人机车载异构机器人系统最优路径规划问题的解决方法。通过引入逻辑变量确定异构个体之间的交互关系,并结合机器人个体约束,解决了无人机个体行为及协作调度难以统一的难题。同时,考虑到目标点的访问顺序有时并不固定,本文在对该系统进行优化求解的同时进行访问顺序优化,以获得在最优访问顺序下无人机的最佳起降点。(3)在前期调研的基础上,提出了一类改进的樽海鞘算法并对所提模型进行了仿真实验,通过与单一异构机器人系统以及不同算法间的结果对比,验证了所提模型的有效性和可行性及改进算法在求解性能和算法效率方面的优越性。实验还验证了加入访问顺序优化后的方案,结果表明该方法能够进一步优化待求路径。

关键词：双无人机异构多机器人系统路径规划访问顺序优化樽海鞘算法

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异构多移动机器人的动态定位问题研究

异构多移动机器人的动态定位问题研究

作者：穆尚群电子科技大学

学位级别：硕士

定位是多机器人协同控制的核心问题,动态定位至今还存在诸多挑战。为了得到复杂环境中多移动机器人的位置信息,有助于实现多移动机器人协同控制,本文主要围绕空地异构机器人系统的动态定位问题开展研究。本文异构机器人系统涉及无人机... 详细信息

定位是多机器人协同控制的核心问题,动态定位至今还存在诸多挑战。为了得到复杂环境中多移动机器人的位置信息,有助于实现多移动机器人协同控制,本文主要围绕空地异构机器人系统的动态定位问题开展研究。本文异构机器人系统涉及无人机和无人车,利用无人机和无人车的视觉信息,分别设计了标签检测定位和视觉/激光即时定位与地图构建（Simultaneous Localization and Mapping,SLAM）混合定位算法,并对定位结果进行误差分析和可视化实现。本文还搭建了异构多机器人动态定位平台,对定位算法进行实验验证。论文主要内容如下:1)设计SLAM+AprilTag的动态定位系统。通过领导者小车进行SLAM建图,结合无人机广角相机提供的动态视觉信息,对移动无人车设计动态定位算法,分析定位算法精度,在动态定位系统上对移动无人车轨迹实现可视化。2)设计增强定位系统鲁棒性的自适应调节方法。针对无人车队形变换问题,设计无人机自适应高度调节方法,提高无人车动态定位精度,降低无人车在移动过程出现位置丢失可能性。针对无人车位置丢失情形,对无人机设计抗干扰紧急找回算法,保障动态定位算法可靠性。3)设计并搭建了异构多机器人平台,通过实验验证异构动态定位算法的有效性和可行性。

关键词：异构多机器人系统动态定位 AprilTag定位 SLAM 机器人操作系统

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具有非完整约束的多移动机器人覆盖控制研究

具有非完整约束的多移动机器人覆盖控制研究

作者：张景鑫西南交通大学

学位级别：硕士

随着机器人实际应用的不断发展,多机器人协作开始吸引越来越多研究人员的关注,并逐渐成为计算机应用以及电气工程等领域新兴的研究热点。相比于单机器人,多机器人系统在任务执行效率、环境信息探测与捕获、任务执行灵活性等方面有着不... 详细信息

随着机器人实际应用的不断发展,多机器人协作开始吸引越来越多研究人员的关注,并逐渐成为计算机应用以及电气工程等领域新兴的研究热点。相比于单机器人,多机器人系统在任务执行效率、环境信息探测与捕获、任务执行灵活性等方面有着不可替代的优势,并具备复杂任务环境中较强的适应与容错能力。作为多机器人协作研究的重要课题,多移动机器人覆盖控制近年来取得了重要进展,并且在环境监测、灾难现场救援、工业设备监控、多目标追踪以及军事情报获取等领域有着广泛的应用前景。本文工作主要关注具有非完整约束的异构多机器人系统的覆盖控制问题。多机器人系统中任一移动机器人均被认为具有“存滚动、无滑动”的非完整运动约束。在分布式覆盖控制律的作用下,移动机器人从各自的初始状态向其Voronoi区域的质心位置进行覆盖运动;同时利用携带的传感器对环境信息进行探测与感知,并根据环境信息的密度分布,实时调整目标状态,最终收敛到达任务区域的最优感知分布。对于未知环境中的应用,通过引入参数估计自适应律,对Voronoi区域的质心位置进行估计;同时利用一致性算法,使系统中各移动机器人对于环境信息分布的认知快速达到一致。在覆盖运动过程中,针对不同类型移动机器人的运动学特征,采取相应的运动控制方法与协同策略,驱动移动机器人向目标状态移动,进而赋予原有抽象算法更为直观而丰富的含义,使经典分布式覆盖算法得以应用于异构多机器人系统的覆盖控制过程。本文最后利用MATLAB软件对提出的改进算法进行仿真。通过对不同实验场景下仿真结果的分析,验证改进算法在异构多机器人系统覆盖控制过程中的有效性与可靠性,为算法在实际系统中的应用提供参考与评估。

关键词：分布式覆盖控制异构多机器人系统非完整约束移动机器人运动控制