多機器人協(xié)同覆蓋技術研究.pdf

1、本論文來源于國家基礎研究項目“異質多移動體的協(xié)同機制與重構技術基礎研究”（A1420060159），屬于其子任務“多機器人協(xié)同”的研究方向。本文主要研究了以“覆蓋”為目標任務的多機器人體系結構、通信鏈路、地圖表示、覆蓋單元分解與分配以及覆蓋效果評價等問題。目的在于探索多機器人協(xié)同協(xié)作進行覆蓋任務的有效方法，構建適合覆蓋任務的多機器人體系結構，通信模式以及地圖知識表示方法，從而提高多機器人的協(xié)同協(xié)作水平，最終實現(xiàn)優(yōu)化覆蓋的目的。

2、合理的體系結構是多機器人協(xié)同完成覆蓋任務至關重要的基礎，本文首先將自組重構策略引入分層式多機器人體系結構，形成自組分層式結構。系統(tǒng)由上而下分成三層：指揮層、協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層，采用“指令”通信模式和自適應重組的策略來實現(xiàn)協(xié)作任務。仿真實驗表明自組分層式多機器人體系具有較高的魯棒性和容錯性，對任務和環(huán)境具有較好自適應性。通信是多機器人能實現(xiàn)有效協(xié)同協(xié)作的關鍵，同時也是自組分層式系統(tǒng)的最基本要求。針對實際覆蓋任務中多機器人通信可能中斷的情況下，

3、提出CAM策略、CSM策略和SSS策略三種機器人按需主動建立通信鏈路的方法來保障系統(tǒng)的正常運行。 機器人覆蓋離不開環(huán)境知識，環(huán)境知識的表示方法即地圖表示方法對已知環(huán)境中的多機器人覆蓋尤其重要。因此，論文針對多機器人覆蓋提出了4維環(huán)境地圖的地圖表示方法。空間點的4維坐標由3維空間坐標和1維環(huán)境特征值構成。3維空間坐標由機器人的測距傳感器觀測獲得，同時利用多傳感器信息獲得該點的1維環(huán)境特征值。觀測獲得環(huán)境中許多空間點的4維坐標數(shù)據(jù)，

4、并采用完全二叉樹結構進行存儲后，就獲得該區(qū)域的4維環(huán)境地圖。4維環(huán)境地圖通過Krige法進行插值可生成柵格地圖、利用高程變異算子可生成單元分解地圖以及通過二叉樹查找可生成拓撲地圖。這些地圖，特別是單元分解地圖，都是許多研究者熱衷于研究的機器人覆蓋地圖。 在4維環(huán)境地圖的基礎上，研究了變長切線的單元分解方法。變長切線法通過“切線掃掠”目標區(qū)域，按一定規(guī)則選取由切線與障礙區(qū)產(chǎn)生的切點或交點作為關鍵點來進行單元分解。而在4維環(huán)境地圖中

5、，可以通過簡單的循環(huán)二叉樹查找來獲得這些關鍵點的坐標值。與目前公認較優(yōu)的Boustrophedon單元分解法相比，變長切線法單元分解不僅算法更為簡單而且分解出的單元數(shù)目大大減少。這大大降低多機器人覆蓋單元分配的復雜度，使系統(tǒng)可以用較小的計算量來獲得較優(yōu)的分配與規(guī)劃。在自組分層式系統(tǒng)中，針對單元數(shù)量與機器人數(shù)量的不同關系，分n≈m、n》m和n《m3種情況分別分析討論了基于近似矩形化單元面積估計的單元分配策略。對模擬環(huán)境進行了不同數(shù)量的多機

6、器人協(xié)同覆蓋仿真測試，各種情況下的多機器人系統(tǒng)均能成功實現(xiàn)對目標區(qū)域的覆蓋。而后，嘗試研究了多機器人在未知環(huán)境下的覆蓋策略。在基于Morse理論利用測距傳感器獲得環(huán)境關鍵點的基礎上，提出切線覆蓋和波紋覆蓋2種未知環(huán)境的覆蓋方法。由于機器人進行測距等觀測的同時，實際也完成了4維環(huán)境地圖的建圖，所以這類覆蓋方法又稱為同時覆蓋與建圖。 最后，為分析評價機器人對目標區(qū)域的覆蓋效果，利用甘特圖來描述多機器人系統(tǒng)覆蓋過程。并研究了覆蓋率、時