基于一致性理论的多机器人系统队形控制

首先回顾了多机器人系统队形控制方面的成果;然后提出一个多机器人队形控制的模型．该模型可描述多机器人之间相互作用固定和动态切换两种通信拓朴结构,也能描述多机器人系统队形的分布式控制方法和基于leader的控制方法,还能表示多机器人系统奔向目标点的行为,在此基础上,利用一致性理论,对系统的稳定性条件进行分析．最后通过仿真证明了该方法的有效性．     

基于Motor Schema的多移动机器人队形优化控制

针对多移动机器人的队形优化控制任务,引入4种基本行为,即奔向目标行为、保持队形行为、避免与静态障碍物碰撞行为、避免与其它机器人碰撞行为.为了实现行为的决策,机器人采用基于MotorSchema的结构,并通过遗传算法优化行为合成所需的控制参数.仿真结果表明,所提出的方法是可行的.     

双参考点切换的多移动机器人队形运动控制方法

为描述机器人队列的运动过程,从相对位姿的角度定义了多移动机器人的队形模型.在传统leader-following队形控制的基础上,引入切换控制思想,每对领路机器人与跟随机器人之间设计3个控制器,对应跟随机器人中轴线上两参考点分别设计两个运动子控制器,控制领路机器人与跟随机器人之间的相对位姿;切换控制器根据系统处于平衡状态时,跟随机器人线速度的符号切换运动控制器,从而保证队列收敛到目标队形.仿真实验结果表明,机器人队列表现出良好的整体一致性,队列运动更加平稳.     

多移动机器人避障编队控制

研究多移动机器人避障优化设计,针对多移动机器人在障碍物环境下的编队控制问题,为了保持整体合理避障和控制系统的稳定性和安全性,提出一种多机器人避障编队控制策略.首先获得多移动机器人编队的队形结构模型,结合多机器人完成避障编队任务的问题描述;在此基础上引入导航函数采用一种避障编队控制算法,使移动机器人能以设定的队形运动到目标点,可保证编队运动过程中未与障碍物发生碰撞.进行仿真的结果证明,所提算法解决了多机器人编队与避障问题,并保证了闭环系统的稳定性与安全性,验证了设计方法的有效性.     

多机器人队形保持与变换仿真研究

针对多机器人的队形保持与变换任务,采用基于行为的控制方法,设计了五种子行为,即奔向目标、躲避障碍物、围绕障碍物、随机扰动和保持队形.对有障碍物环境下的队形保持进行了仿真,并针对机器人队伍无法保持队形通过的地形,采用邻居参照点法与领航参照点法相结合的策略,改进了控制方法.仿真结果表明,使用改进的控制方法,机器人队伍可以安全地通过大直径障碍物,并且提高了队形稳定性.     

基于动态目标点的行为分解编队算法

多机器人编队可以分解为队形形成和队形保持控制两部分.针对多机器人编队控制任务中的队形形成问题,提出了一种基于动态目标点的行为分解编队算法.此算法是一种改进的基于行为的编队控制方法,这种控制方法的思路为,首先要求各机器人在每一时刻确定一个运动目标点,此运动目标点是根据运动过程中机器人实时的位置运算出来的,是一个动态的目标点.根据此目标点进而产生一个运动需求.再将此运动需求按照有限状态机(FSM)原理分解为不同的子行为,然后给这些子行为分别赋予不同的权值,并求出一组控制变量,最终对这组控制变量加权平均产生一个综合控制变量.仿真实验表明,该方法能快速有效地实现多机器人的编队控制.此编队算法可以有效应用于军事搜索、围捕或机器搬运等多个领域.     

移动机器人队形控制关键技术及其进展

在明确了多机器人队形控制国内外发展现状的基础上,以地面移动机器人为研究对象,从系统结构、机器人模型、队形形状表示方法、参考框架及编队控制策略等方面,对多机器人编队控制的研究成果进行了概述.同时,对队形形状生成、编队跟踪与协调、队形变换与重组以及编队避障等队形控制子问题的国内外研究近况进行了总结和分析.最终指出:研究统一有效的编队控制框架、障碍环境下的队形优化变换、降低系统对通讯能力的要求以及编队控制在实际物理环境下的应用是移动机器人队形控制领域未来可能的研究主题.     

基于诱饵-捕食的分布式编队队形切换控制

队形切换是多机器人编队的重要研究内容。针对未指定各机器人ID与目标位置对应关系情况下如何实现分布式多机器人编队队形切换的问题,本文结合自然界鸟群、鱼群等群生物的觅食行为建立了一种新的诱饵-捕食者系统,并将该系统应用到分布式多机器人编队的队形切换控制中。视编队中各机器人为捕食者,各目标位置为诱饵,通过捕食者与诱饵之间的相互作用,实现不同队形之间的切换。同时针对捕食者所受到的各种影响都建立了具体的数学模型。该方法在解决队形切换过程中无需预先规划各机器人的运动路径,可在分布性较强的编队中应用。仿真实验表明该控制策略对于分布式多机器人编队的队形切换有较好的适用性,为多机器人编队进行队形切换提供了新的思路和方法。     

移动机器人编队的运动控制策略

为实现移动机器人编队的多样性、稳定性和队形变换连续性,并解决移动机器人编队运动中的避障、避碰、到达目标的问题,对基本队形进行分析,提出队形参数化的思路,建立基本队形虚结构的参数化数学模型,通过调整参数使队形在基本队形及其衍生的队形间进行变换;机器人在运行的过程中,利用行为融合方法、跟随领航者法、人工势场法和虚结构法对机器人进行运动控制,实现了机器人的避障、避碰、队形归建等目标。对上述策略进行了仿真实验,实验结果表明,使用本策略既保留了虚结构法队形稳定、队形归建迅速的优点,又改进了其灵活性差的不足。     

基于行为的多机器人队形控制仿真研究

采用基于行为的控制方法,设计了多机器人队形控制的五个子行为:奔向目标、躲避障碍物、围绕障碍物、保持队形和随机扰动。在子行为设计中引入了阶梯控制区法,提高了队形控制的容错性。使用Teambots仿真平台对典型的直线队形控制进行了仿真。针对单向虚拟参照点法队形控制不稳定的情况,采用双向虚拟参考点法对控制方法进行改进,根据运行时间对改进的队形控制方法进行了评估,实验结果表明,改进的方法大幅提高了队形控制的稳定性与系统运行效率。     

多移动机器人的领航-跟随编队避障控制

针对多移动机器人的编队控制问题,提出了一种结合Polar Histogram避障法的领航-跟随协调编队控制算法。该算法在领航-跟随l-φ编队控制结构的基础上引入虚拟跟随机器人,将编队控制转化为跟随机器人对虚拟跟随机器人的轨迹跟踪控制。结合移动机器人自身传感器技术,在简单甚至复杂的环境下为机器人提供相应的路径运动策略,实现实时导航的目的。以两轮差动Qbot移动机器人为研究对象,搭建半实物仿真平台,进行仿真实验。仿真结果表明:该方法可以有效地实现多移动机器人协调编队和避障控制。     

基于行为的多机器人任意队形的控制

针对多机器人队形优化控制任务,提出一种快速收敛的机器人任意队形的控制算法。各机器人在奔向目标的过程中以队形的几何中心为参考点,自主地确定队形向量。在保持队形的过程中,采用动态死区法,通过对各个区域大小的控制达到对机器人速度的控制,维持规定队形。采用反向避碰、切线避障,根据各机器人间的位置,引入整体队形向量约束机器人的方向,达到机器人整体队形的方向与机器人运动方向一致。实验结果表明该算法可以快速、有效地完成各种编队任务。     

A generalized framework of dynamic role assignment for robot formation control

A dynamic role assignment algorithm is proposed in the paper for formation control of multiple mobile robots. The goal of the algorithm is to reassign a role for each robot automatically during a formation is forming or switching. Many formation control systems have been successfully implemented and validated by supporting experimental results. Nevertheless, this research aims at providing an efficient algorithm of role assignment for a class of formation control systems employing the concept of combinational optimization problems. Specifically, by exploring spatial relationship between robots and information of obstacles surrounding the robots, a character cost function is found to represent the degree of difficulty for a robot been assigned a specified role in a formation. Instead of using complex cost minimization procedure, a solution is provided by calculating the largest value of character set fitness, and a new formation is selected for robots accordingly. The developed algorithm is applied to the formation control of a group omni-directional driven robots. Simulation and experimentation are performed with real platform to verify the proposed algorithm and the results show that the performance of the proposed dynamic role assignment algorithm is efficient for robot formation control.     

Distributed Constraint Force Approach for Coordination of Multiple Mobile Robots

A new approach to coordination of multiple mobile robots is presented in this paper. The approach relies on the notion of constraint forces which are used in the development of the dynamics of a system of constrained particles with inertia. A familiar class of dynamic, nonholonomic robots are considered. The goal is to design a distributed coordination control algorithm for each robot in the group to achieve, and maintain, a particular formation while ensuring navigation of the group. The theory of constraint forces is used to generate a stable control algorithm for each mobile robot that will achieve, and maintain, a given formation. The advantage of the proposed method is that the formation keeping forces (constraint forces) cancel only those applied forces which act against the constraints. Another feature of the proposed distributed control algorithm is that it allows to add/remove other mobile robots into/from the formation gracefully with simple modifications of the control input. Further, the algorithm is scalable. To corroborate the theoretical approach, simulation results on a group of six robots are shown and discussed.     

一类有序化多移动机器人群集运动控制系统

群集运动控制(flocking control)是一种新型的多移动机器人运动协调控制, 目前的研究多集中于无leader模式下群集运动控制器的设计. 为此, 本文阐述了一类多移动机器人有序化群集运动系统控制方案及其性能评价方法. 首先, 在前人的研究基础上, 本文介绍了基于Agent的有序化编队控制机制; 然后, 运用非完整约束下移动机器人的动力学原理, 设计了由Agent到移动机器人的控制转化方法; 并进一步提出了基于“最小稳定时间”的群集运动分析法, 可对有序化群集运动系统进行分析; 最后, 运用仿真实例, 描述了多移动机器人有序化群集运动的控制及分析过程. 实验结果验证了此控制方案的有效性.     

移动机器人编队自修复的切换拓扑控制

针对机器人缺失后的移动机器人编队自修复问题, 构建了结合切换拓扑和交互动力模型的移动机器人编队模型, 通过分析机器人缺失后的拓扑变化情况, 提出了网络切换拓扑控制, 该算法利用递归实现自修复, 并且是收敛的. 通过设计相应的分布式算法, 本文将拓扑控制转化为基于局部交互的递归自修复个体控制, 证明了编队自修复个体控制的稳定性. 最后针对编队任务, 通过仿真验证了切换拓扑控制的有效性, 和其他方法比较具有低恢复时间和低功率消耗的优点.     

A Synchronization Approach to Trajectory Tracking of Multiple Mobile Robots While Maintaining Time-Varying Formations

In this paper, we present a synchronization approach to trajectory tracking of multiple mobile robots while maintaining time-varying formations. The main idea is to control each robot to track its desired trajectory while synchronizing its motion with those of other robots to keep relative kinematics relationships, as required by the formation. First, we pose the formation-control problem as a synchronization control problem and identify the synchronization control goal according to the formation requirement. The formation error is measured by the position synchronization error, which is defined based on the established robot network. Second, we develop a synchronous controller for each robot's translation to guarantee that both position and synchronization errors approach zero asymptotically. The rotary controller is also designed to ensure that the robot is always oriented toward its desired position. Both translational and rotary controls are supported by a centralized high-level planer for task monitoring and robot global localization. Finally, we perform simulations and experiments to demonstrate the effectiveness of the proposed synchronization control approach in the formation control tasks.     

多机器人任意队形分布式控制研究

本文针对多智能体协作完成特定任务时难以在全自主控制的前提下协作形成任意队 形和队形向量不易确定的问题，通过由各智能体自主简单的确定自己的队形向量，从理论上 扩展基于队形向量的队形控制原理以生成任意队形，改进机器人的运动方式以提高收敛速度 ，提出一种快速收敛的机器人部队任意队形分布式控制算法．为了解决智能体机器人之间的 冲突问题，提出了一个通信协调模型．仿真实验和实际机器人实验均表明了算法的可行性和 有效性．     

快速收敛的机器人部队任意队形分布式控制算法

针对多智能体协作完成特定任务时难以在全自主控制的前提下协作形成任意队形和队形向量不易确定的问题 ,通过由各智能体自主简单的确定自己的队形向量 ,从理论上扩展基于队形向量的队形控制原理以生成任意队形 ,改进机器人的运动方式以提高收敛速度 ,提出一种快速收敛的机器人部队任意队形分布式控制算法 .仿真结果表明 ,该算法可以形成任意队形 ,比现有控制算法的收敛速度快 ,队形收敛所需的时间仅为现有算法的 10 %左右