【摘要】：移動機器人是先進制造業(yè)中重要的運輸設備,也是智能制造系統(tǒng)的重要自動化單元,具有移動、自動導航、多傳感器控制、網(wǎng)絡交互等先進功能,廣泛應用于機械、電子、物流、紡織、煙草、醫(yī)療、餐飲、造紙等行業(yè)。近年來,移動機器人產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出爆發(fā)性增長態(tài)勢,很多場景中都有多個移動機器人在工作,但多數(shù)是移動機器人獨立工作,功能受限,工作效率不高。研究多移動機器人協(xié)同控制策略,以使多移動機器人協(xié)同作業(yè),豐富機器人功能、提升工作效率。主要研究工作如下:(1)分析了多機器人系統(tǒng)、多移動機器人路徑規(guī)劃和編隊控制的國內(nèi)外現(xiàn)狀,并研究多移動機器人系統(tǒng)體系結構。設計了一款智能移動機器人,并對硬件框架結構、運動控制方案、軟件平臺進行了設計。同時對多移動機器人的控制結構和通信結構進行了研究和分析,設計了一種分層式體系結構,為后期的實驗研究奠定了基礎。(2)對路徑規(guī)劃問題進行描述,用柵格法建立了環(huán)境模型。對蟻群算法和粒子群算法進行了研究,并對算法中的主要參數(shù)進行了分析。針對蟻群算法容易陷入局部最優(yōu)的問題,對蟻群每次出動的規(guī)模和信息素更新的規(guī)則進行了改進;針對粒子群算法有時不能收斂到最好點的問題,引入了標準正態(tài)分布的隨機權重法對粒子群算法進行了改進。通過仿真實驗得出,改進蟻群算法在前期的搜索過程中隨機性較強,改進粒子群算法在求解組合問題很難得到滿意的結果,所以考慮兩者的優(yōu)缺點,對改進蟻群算法和粒子群算法進行了融合,并在MATLAB中進行了實驗驗證,對實驗結果進行了對比分析,驗證了融合算法的優(yōu)越性。(3)研究了多移動機器人的協(xié)同編隊控制策略。提出了虛擬領航的編隊控制策略,解決了因為領航者失效導致系統(tǒng)癱瘓的問題;采用改進蟻群粒子群融合算法進行路徑規(guī)劃,解決了領航者的避障問題。在復雜程度不同的環(huán)境中進行了不同隊形的MATLAB仿真實驗,得出了編隊的運動軌跡圖像和跟隨者與領航者的距離差、角度差圖像,對實驗結果進行了分析,得出了在復雜程度不同的工作環(huán)境中,編隊能夠平穩(wěn)、準確的完成不同隊形的工作任務,驗證了算法的穩(wěn)定性。(4)在搭建的多移動機器人實驗平臺中進行試驗,首先在有障礙和無障礙的環(huán)境中進行了單移動機器人的避障和路徑測試試驗,然后進行了編隊控制試驗,通過實驗結果分析,得出了編隊控制的成功率為90%,驗證了算法的可行性。
【圖文】：

圖 1-1 CESAR 多移動機器人系統(tǒng)加拿大 Alberta 大學開發(fā)的 Collective Robotics 多機器人實驗系統(tǒng)[9]，，如圖 1-2 所示，它是對昆蟲社會的一種人工模擬，此實驗系統(tǒng)中機器人之間無顯示通信，利用分散控制方式實現(xiàn)多機器人系統(tǒng)的協(xié)作，有利于機器人的擴展；日本東京工業(yè)大學開發(fā)出了 SMC（SuperMechano-Colony）多機器人實驗系統(tǒng)[10]，如圖 1-3 所示，它包含一臺主機器人和四臺子機器人，它有集中式管理和分布式控制結合的特性，當主機器人監(jiān)控系統(tǒng)的視野中出現(xiàn)子機器人時，此時各個子機器人由主機器人控制，即用集中式管理。當主機器人監(jiān)控系統(tǒng)的視野沒有子機器人時，子機器人各自獨立工作，完成分配的工作任務，即用分布式自主控制策略；日本名古屋大學研制了兩種多移動機器人系統(tǒng)[11]，分別是 ACTRESS 系統(tǒng)[12]和 CEBOT 系統(tǒng)[13]，ACTRESS 系統(tǒng)具有底層的通信結構，可以把機器人、周邊設備和計算機連接到一起，是一種自治多機器人智能系統(tǒng)，主要特點是系統(tǒng)的單個動作和協(xié)調(diào)合作動作并存。CEBOT 系統(tǒng)采用分布式的體系結構，系統(tǒng)中的每個機器人可以自主運動和決策，它們具有學習和適應的能力，能夠根據(jù)任務和環(huán)境的變化重組，該系統(tǒng)在動態(tài)變化的環(huán)境中具有較強的實用性。

國內(nèi)對多移動機器人系統(tǒng)的研究起步相對較晚，中科院沈陽自動化研究所建立了多機器人裝配系統(tǒng) MRCAS[14][15]，并開發(fā)了多移動機器人系統(tǒng)仿真平臺，在該平臺上完成了編隊控制、路徑規(guī)劃等算法的仿真研究；上海交通大學的席裕庚等人研制了 Active MediaRobotics 多移動機器人系統(tǒng)平臺[16][17]，它以多臺 Pioneer2 型智能機器人為硬件設備，完成了避障導航和編隊控制的研究；國防科技大學的軍用智能機器人實驗室[18]，用超小型無線通信技術，實現(xiàn)機器人之間、機器人和主機之間的通信，建立了友好的人機交互模式，該多移動機器人系統(tǒng)在太空探索等領域具有很大的應用前景。同時我國將多移動機器人技術的相關課題交給國內(nèi)著名的高校及科研單位，比如清華大學、哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學、中國科學院自動化研究所等，促進了國內(nèi)多移動機器人技術的發(fā)展，減小了與國外先進技術的差距。國內(nèi)外對多移動機器人系統(tǒng)的研究實例主要有：協(xié)作搬運任務、多仿生魚運動控制、足球機器人-ROBOCUP 等。如圖 1-4 所示為北京航空航天大學研制的仿生魚運動控制系統(tǒng)，圖 1-5 為多移動機器人足球比賽。
【學位授予單位】：天津職業(yè)技術師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP242

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