单向移动多机器人系统的环形编队控制研究

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本文研究了关于一组简单的移动机器人的环形编队问题。移动机器人需要形成一个编队在一个给定的环形上移动。该编队中每个机器人受限制只能在逆时针方向上绕一维空间圆周移动，并且只能单向移动。本文采用分布式协作数据采样控制策略，只取非负值。本文假定所有机器人从始至终都在固定的圆环上运动，并且每个机器人只能感知其前后两个紧邻机器人的位置信息，利用相邻机器人的位置信息，对每个机器人设计分布式控制律。在这样的约束控制输入下的多机器人系统，可以被引导到指定的环形上均匀分布并保证机器人之间不发生碰撞。在此基础上，本文还对饱和单向多移动机器人环形编队问题进行了探讨。43123

毕业论文关键词环形编队多机器人系统分布式控制数据采样控制

Title Controlling mobile multi-agent with unidirectionallocomotion to form a formation on a circle

Abstract This paper studies the circle forming problem about a group of anonymous mobileagents. Mobile agents are required to form a formation when moving on a givencircle. The agents are constrained to move in the one-dimensional space of thecircle only in the counterclockwise direction, but not the opposite way.Distributed, cooperative, sampled-data control strategies are designed that onlytake non negative values. This paper assuming that the agents move on a fixed circleall the time, and every agent can only sense the position information of its twoneighbor agents that are immediately in front of or behind itself. This paperproposes distributed control law for every agent in use of the position informationbetween two adjacent agents. This paper proves that the multi-agent system undersuch constrained control input can be guided to reach the prescribed circleformation asymptotically with the additional guarantee that no collision betweenagents ever takes place. The theoretical analysis is further validated throughsimulations.On this basis, the paper also discusses the problem about circularformation control for multi-agent systems with input saturation.

Keywords Circle formation, Multi-agent system, Distributed control, Sampled-datacontrol

1绪论1

1.1课题背景1

1.2国内外研究和应用现状...1

1.3本文的主要研究内容...2

2多移动机器人环形编队控制..3

2.1多移动机器人环形编队研究现状..3

2.2环形编队问题描述...3

3单向多移动机器人环形编队控制.7

3.1多移动机器人环形编队控制..8

3.2单向多移动机器人环形编队控制..9

3.3饱和单向多移动机器人环形编队控制...14

4仿真结果.16

4.1多移动机器人环形编队控制仿真结果...16

4.2单向多移动机器人环形编队控制仿真结果...18

4.3饱和单向多移动机器人环形编队控制仿真结果..21

结论24

致谢25

参考文献.26
1 绪论
1.1 课题背景机器人是当今世界研究的热点问题。伴随着计算机技术、集成电路、控制理论、传感器技术的成熟和发展，机器人的应用领域得到不断的扩展。单独机器人自身的能力、鲁棒性、可靠性、效率都有很大的提升。但面对一些复杂的、需要协作完成的任务时-优尔`文~论^文.网www.youerw.com，单个机器人难以胜任，例如监视、探测、追踪、搜捕等。所以对于机器人系统而言，多机器人之间保持一定的队形具就有许多优点。对于一个整体系统而言，每个机器人个体所获得的信息可以在整个系统中进行共享和传递，以便我们更加全面地了解系统所处的环境，除此之外，还能提高信息搜集的效率，更好地提高系统的鲁棒性。近年来，多机器人系统受到越来越多的关注，这得益于自身广阔的应用前景。在多机器人系统中，一个典型的研究方向就是如何让机器人有效地形成编队。关于编队的控制问题，主要是分为两个问题。一个是队形的形成问题。该问题主要是研究如何将系统中杂乱无章的多个机器人形成有序的编队，而且要求这个编队满足一些设计者所需要的特性，比如形状、覆盖范围等。这是使整个系统能够协调工作的前提。在此之上，我们进一步要考虑的就是如何对形成的编队进行控制。在实际情况中，我们设计的机器人编队在进行协调工作时，整个系统在随着外界环境的改变的同时，本身稳定性一定会受到影响，甚至在遭遇突发状况时，稳定性还可能受到破坏。这就要求我们要能够对编队进行控制，在系统稳定性受到影响时，机器人能够通过个体之间的共享信息，来调整自身位置，从而使系统再次趋于稳定，以致系统能够继续完成任务。所以，能够对编队进行控制是多机器人系统协调工作的保障。当采用一个编队的自主移动机器人进行环境监测和探测任务时，这种策略有时是利于保持机器人的编队具有一定的几何形状，从而提高数据收集的集体或群体运动对随机环境干扰的鲁棒性的质量[1-3]。这种模式的多个机器人编队问题的难点在于，机器人通常不能依靠集中协调，所以必须使用本地信息来实现分布式控制策略，利用多台计算机分别控制不同对象，各自构成子系统，各子系统间进行信息交换，系统对总体目标进行协调和分配任务。1.2 国内外研究和应用现状较为典型的多机器人编队控制研究开始于美国，该研的目的是建立野外机器人侦查小队，研究人员用安装了多种传感器的无人车来作为机器人，研究采用了基于行为的队形控制技术，实现了多个机器人在各种困难环境中的协调工作。除此之外，多机器人编队系统在航空航天领域也具有很大的潜在应用价值。回到国内，有关多机器人编队控制的研究从 20世纪 90年代开始起步。目前，已有越来越多的人关注这方面的研究。很多大学也正在研究多移动机器人的编队技术。然而，多数研究都是以机器人足球系统为研究环境和实验手段。