【摘要】：移動(dòng)機(jī)器人是先進(jìn)制造業(yè)中重要的運(yùn)輸設(shè)備,也是智能制造系統(tǒng)的重要自動(dòng)化單元,具有移動(dòng)、自動(dòng)導(dǎo)航、多傳感器控制、網(wǎng)絡(luò)交互等先進(jìn)功能,廣泛應(yīng)用于機(jī)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(dòng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出爆發(fā)性增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),很多場(chǎng)景中都有多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人在工作,但多數(shù)是移動(dòng)機(jī)器人獨(dú)立工作,功能受限,工作效率不高。研究多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)同控制策略,以使多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)同作業(yè),豐富機(jī)器人功能、提升工作效率。主要研究工作如下:(1)分析了多機(jī)器人系統(tǒng)、多移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃和編隊(duì)控制的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀,并研究多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了一款智能移動(dòng)機(jī)器人,并對(duì)硬件框架結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制方案、軟件平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。同時(shí)對(duì)多移動(dòng)機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)和通信結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究和分析,設(shè)計(jì)了一種分層式體系結(jié)構(gòu),為后期的實(shí)驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。(2)對(duì)路徑規(guī)劃問題進(jìn)行描述,用柵格法建立了環(huán)境模型。對(duì)蟻群算法和粒子群算法進(jìn)行了研究,并對(duì)算法中的主要參數(shù)進(jìn)行了分析。針對(duì)蟻群算法容易陷入局部最優(yōu)的問題,對(duì)蟻群每次出動(dòng)的規(guī)模和信息素更新的規(guī)則進(jìn)行了改進(jìn);針對(duì)粒子群算法有時(shí)不能收斂到最好點(diǎn)的問題,引入了標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)權(quán)重法對(duì)粒子群算法進(jìn)行了改進(jìn)。通過仿真實(shí)驗(yàn)得出,改進(jìn)蟻群算法在前期的搜索過程中隨機(jī)性較強(qiáng),改進(jìn)粒子群算法在求解組合問題很難得到滿意的結(jié)果,所以考慮兩者的優(yōu)缺點(diǎn),對(duì)改進(jìn)蟻群算法和粒子群算法進(jìn)行了融合,并在MATLAB中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,驗(yàn)證了融合算法的優(yōu)越性。(3)研究了多移動(dòng)機(jī)器人的協(xié)同編隊(duì)控制策略。提出了虛擬領(lǐng)航的編隊(duì)控制策略,解決了因?yàn)轭I(lǐng)航者失效導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓的問題;采用改進(jìn)蟻群粒子群融合算法進(jìn)行路徑規(guī)劃,解決了領(lǐng)航者的避障問題。在復(fù)雜程度不同的環(huán)境中進(jìn)行了不同隊(duì)形的MATLAB仿真實(shí)驗(yàn),得出了編隊(duì)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖像和跟隨者與領(lǐng)航者的距離差、角度差圖像,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析,得出了在復(fù)雜程度不同的工作環(huán)境中,編隊(duì)能夠平穩(wěn)、準(zhǔn)確的完成不同隊(duì)形的工作任務(wù),驗(yàn)證了算法的穩(wěn)定性。(4)在搭建的多移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中進(jìn)行試驗(yàn),首先在有障礙和無(wú)障礙的環(huán)境中進(jìn)行了單移動(dòng)機(jī)器人的避障和路徑測(cè)試試驗(yàn),然后進(jìn)行了編隊(duì)控制試驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,得出了編隊(duì)控制的成功率為90%,驗(yàn)證了算法的可行性。
【圖文】：

圖 1-1 CESAR 多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)加拿大 Alberta 大學(xué)開發(fā)的 Collective Robotics 多機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[9]，，如圖 1-2 所示，它是對(duì)昆蟲社會(huì)的一種人工模擬，此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中機(jī)器人之間無(wú)顯示通信，利用分散控制方式實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)作，有利于機(jī)器人的擴(kuò)展；日本東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)出了 SMC（SuperMechano-Colony）多機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[10]，如圖 1-3 所示，它包含一臺(tái)主機(jī)器人和四臺(tái)子機(jī)器人，它有集中式管理和分布式控制結(jié)合的特性，當(dāng)主機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的視野中出現(xiàn)子機(jī)器人時(shí)，此時(shí)各個(gè)子機(jī)器人由主機(jī)器人控制，即用集中式管理。當(dāng)主機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的視野沒有子機(jī)器人時(shí)，子機(jī)器人各自獨(dú)立工作，完成分配的工作任務(wù)，即用分布式自主控制策略；日本名古屋大學(xué)研制了兩種多移動(dòng)機(jī)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(jié)構(gòu)，可以把機(jī)器人、周邊設(shè)備和計(jì)算機(jī)連接到一起，是一種自治多機(jī)器人智能系統(tǒng)，主要特點(diǎn)是系統(tǒng)的單個(gè)動(dòng)作和協(xié)調(diào)合作動(dòng)作并存。CEBOT 系統(tǒng)采用分布式的體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中的每個(gè)機(jī)器人可以自主運(yùn)動(dòng)和決策，它們具有學(xué)習(xí)和適應(yīng)的能力，能夠根據(jù)任務(wù)和環(huán)境的變化重組，該系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

國(guó)內(nèi)對(duì)多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的研究起步相對(duì)較晚，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所建立了多機(jī)器人裝配系統(tǒng) MRCAS[14][15]，并開發(fā)了多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)仿真平臺(tái)，在該平臺(tái)上完成了編隊(duì)控制、路徑規(guī)劃等算法的仿真研究；上海交通大學(xué)的席裕庚等人研制了 Active MediaRobotics 多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)[16][17]，它以多臺(tái) Pioneer2 型智能機(jī)器人為硬件設(shè)備，完成了避障導(dǎo)航和編隊(duì)控制的研究；國(guó)防科技大學(xué)的軍用智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室[18]，用超小型無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人之間、機(jī)器人和主機(jī)之間的通信，建立了友好的人機(jī)交互模式，該多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)在太空探索等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。同時(shí)我國(guó)將多移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的相關(guān)課題交給國(guó)內(nèi)著名的高校及科研單位，比如清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所等，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)多移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，減小了與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距。國(guó)內(nèi)外對(duì)多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的研究實(shí)例主要有：協(xié)作搬運(yùn)任務(wù)、多仿生魚運(yùn)動(dòng)控制、足球機(jī)器人-ROBOCUP 等。如圖 1-4 所示為北京航空航天大學(xué)研制的仿生魚運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，圖 1-5 為多移動(dòng)機(jī)器人足球比賽。
【學(xué)位授予單位】：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP242

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