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基于网络模型的多机器人编队优化研究_论文

第3 0卷 第 6 期  20 0 8年 1   2月  武 汉 理 工 大 学 学 报 ?信 息 与 管 理  程 版  J R A   F WU (N O MA I N& MA A E E q E G N E I G) OU N LO   T IF R TO N G M N  N IE RN   、o . O  ,1 3 NO.   6 De C.2 008   文章 编 号 :0 7—14 2 0 )6—06 0   10 4 X(0 8 0 8 5— 4 基 于 网络 模 型 的 多机 器 人 编 队优 化 研 究  方丹辉  丁秋峰  龙晓林。 , ,   (. 1 武汉理 工大学 研究生院( ) 湖北 武汉 4 0 7 ;. 筹 , 30 0 2 上海交通大学 电子信息 与电气工程学院 , 上海 2 0 4 ; 0 20  3 武汉理工大学 自动化学院 , . 湖北 武汉 4 0 7 ) 3 0 0  摘 要: 多个机器人要形成一个稳定 的队形 , 系统 内必须有信息 的传递 和交换 。根据多机器人的物理约束 、 信  息交换 和控制策 略建立 了多机 器人编队的网络模 型 , 出了改进 的粒子 群多 目标优化 算法 ( S , 利月  提 MP O) 并 】 该算法对多机器人编 队系统实 现了优化 控制。从 仿真结果看 , 6个机器人能快速地 从三角形 状变换 到直线编  队 , 变 换 过 程 中没 有 相 互 的 碰 撞 , 且 队形 误 差 也 很 小 。   关键词 : 多机器人编 队 ; 代数 图论 ;网络模型 ; 粒子群优化算 法 ; 优化控制  中 图 法 分 类 号 :P 4 .  T226 文 献 标 志码 :  A 队形控 制 在一组 无 人驾驶 车辆 或机 器 人 的协  层 跟随 , 即总体有 一个 领 队 , 面有 1 后 —2个跟 随 ,   然后 又各 自有 1~2个跟 随 , 此递 阶 , 成 一 个  如 组 完整 的 队形 。这 种 模 式 较 大 的优 点 是 , 有 可 扩  具 展性 , 队形 中 的 机 器 人 可 以任 意 地 增 加 或 减 少 。   下面 给 出两种基 本 的反 馈 控制 模 型 :一 模 型 和  Z  Z 模 型 J  —Z 。 1 1 1 f   模 型  . .  一 作控制中是一个很重要 的研究方向, 多机器人在  保持期望队形的同时跟踪既定的轨迹。这种系统  具 有 系统耗 费低 、 鲁棒 性强 和柔 韧性 好等 优点 , 广  泛应 用 于无人 驾 驶 飞 机 的 侦察 或 搜 索 、 险状 况  危 下 的救援 和卫 星群 的飞 行控 制等 领域 ¨ 。     在 多机器 人 的 队形 控 制 设 计 中 , 用 较 多 的  应 控制 策 略为基 于行 为 主义 方 法 、 拟 结 构  和 领  虚 队 一跟 随  等 方 法 。多 机 器 人 在 行 进 和 队形 重  在 这种 模式 下 , 有两 个非 完 整的移 动机 器人 ,   其 中一 个是 领 队 , 一个是 跟 随 , 图 1所示 。每  另 如 个 机器人 有 两个 可 控 制 的 自由度 , 个 机 器人 之  两 间没 有 物理 耦 合 关 系 , 者 间 的 距 离 表 示 为 f 两   跟随 相对 于领 队 的方 位 角 为  。 目标 是 行 进 过    。 组 过 程 中 的 优 化 控 制 是 众 多 研 究 者 关 注 的 问  题  , 笔 者 的研 究 兴 趣 所 在 。各 机 器人 在  也是 运动和相互通信受限的情况下 , 如何有效避开障  碍物 , 以最小 的队形 误 差 和轨 迹 跟踪 误 差形 成 稳  定 的 队形 是 笔者 研究 的重点 。   程中跟随和领队问保持期望 的距 离  和方位角  。 领 队与跟 随 的动态 方程 分别 如 式 ( ) 1  1 模型建立  每个机器人配备有声纳 、 激光 、 压力和视觉传  感器 , 各机 器人 之 间采 用 无 线 通 信 。多 机 器人 间  和式 ( ) 2 所示 。   f ~ l0   - c   ? =1  【  s0     l Y i  1 n :   ( 1 )   的协作可以看成是一个移动的多智能体 网络的关  系, 因此 , 于这 种具 有相 互联 系 的离散 系统 可 以  对 用 网络 图来 建模 , 由此 , 可以得 到多 机器 人编 队 的  l2 : 2C S 1一V  O   1 l     O  1C S 2+ dt2sn y1 o   i    运动学模型和通信模型。   1 1 运 动学模 型  . t=    0 = 2   s   1-2 i  ̄ d 2 o ' - J i I2 1 s y + t  sY f  n/ 3 n /   o c ] 2 多移 动机 器人 编 队采 用 领 队 一跟 随模 式 , 分  () 2  收稿 日期:0 8— 6— 1 20 0 2 .   作者简介: 方丹辉 (9 6一 , , 17 ) 女 湖北荆 门人 , 武汉理工大学研究生院 ( ) 筹 工程师  基金项 目: 国家 自 然科学基金资助项 目(0 70 5 . 6 6 55 )   86 6  武汉理 工大学学报 ? 信息 与管理工程 版  20 0 8年 l 2月  支撑   支撑 轮  撑 轮  图 1 Z   模 型    一 图 2 f l 型    —模 式 中 ,。 .  。—  d为 机 器人 前 轮 与两 运 动  Y =0 + 2 0 ; 轮轴 心 的距 离 ;   ( =12 分 别 为机 器 人 的 线   、 i , ) 速度 和角 速度 , 也为 控制输 入 。   型: 物理网络 、 通信网络和控制网络 。