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多机器鱼编队控制

作　者: 刘舒
导　师: 禹梅; 谢广明
学　校: 华北电力大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 仿生机器鱼水中机器人比赛2D仿真平台编队控制位置反馈椭圆探测避障
分类号: TP242.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着科学技术的发展,机器人技术不断提高,机器人应用领域不断扩张,陆地机器人已经无法满足人类对探索环境和改善生活的需求,上天下地入海三方面都急需机器人进入角色,世界许多先进技术国家纷纷建立研究机构专门研究水下机器人,其中水下仿生机器鱼是最吸引人们视线的。目前很多机构将研究重点集中在分析水下机器人的运动模型和机械结构上,对于任务分析和智能控制方面的研究相对比较少。机器人领域的研究中,多机器人协作执行任务带来的成果是单机器人不能比拟的。在协调控制中,编队控制研究前景广阔,出现了很多优秀的编队控制策略,但是这些策略大多针对发展较为成熟的陆地机器人,甚至一些比较好的编队控制策略只停留在MATLAB仿真阶段。本文将编队控制应用在起步比较晚的水下仿生机器鱼上,提出了有效的队形形成、队形保持以及避障过程的控制策略,并将其实现在全真模拟水环境的仿真平台和实体机器鱼全局视觉平台上,验证了控制算法的有效性。针对队形形成任务,结合常用的编队控制方法引入一种基于位置反馈的队形控制策略。在任意时刻都设定一个保持不动的参考机器鱼,其它机器鱼则根据当前参考机器鱼的位置及机器鱼之间的信息交互来调整其相对位置,使多机器鱼系统在有限时间内实现任意队形的形成。在水中机器人2D仿真平台上进行实验,并给出不同情况的实验结果。仿真结果表明,该方法整体性强、鲁棒性好、计算简单、可实现任意队形,即使是系统中个体数很多的时候,也不会对整个队形造成太大影响。针对队形保持和避障任务提出了一种新颖的虚拟椭圆探测定位避障方法,根据障碍物的位置,对椭圆区域进行压缩和扩张,使整个系统的队形在不同时期实现局部变形和队形变换。这种灵活的预测方式可以使机器鱼快速躲避障碍物,也可以迅速恢复原队形。最后在水中机器人比赛2D仿真平台上验证该方法的有效性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章绪论  9-19
  1.1 引言  9-10
  1.2 多机器人编队控制研究现状  10-13
    1.2.1 国外研究现状  10-12
    1.2.2 国内研究现状  12-13
  1.3 多机器鱼编队控制的研究现状  13-14
    1.3.1 国外研究现状  13
    1.3.2 国内研究现状  13-14
  1.4 多机器人编队控制的主要方法  14-17
    1.4.1 领航者方法  14-15
    1.4.2 基于行为法  15-16
    1.4.3 虚拟结构法  16
    1.4.4 强化学习法  16
    1.4.5 其它方法  16-17
  1.5 论文主要工作  17-19
第2章多机器鱼智能控制环境  19-30
  2.1 水中机器人比赛2D仿真平台  19-29
    2.1.1 开发平台简介  19-20
    2.1.2 仿真机器鱼运动学模型设计  20-22
    2.1.3 静态环境与动态实体实时绘制  22-24
    2.1.4 碰撞检测算法  24-26
    2.1.5 分布式结构  26-29
  2.2 本章小结  29-30
第3章基于位置反馈的多机器鱼队形形成研究  30-40
  3.1 引言  30-31
  3.2 系统描述与队形控制策略  31-36
    3.2.1 位置控制器设计  32-35
    3.2.2 反馈选择器设计  35
    3.2.3 模态调节器设计  35-36
  3.3 仿真测试与实验结果  36-39
    3.3.1 仿真实现  36-38
    3.3.2 误差分析  38-39
    3.3.3 异常情况仿真  39
  3.4 本章小结  39-40
第4章多机器鱼编队控制避障研究  40-48
  4.1 引言  40
  4.2 系统描述与数学模型建立  40-42
  4.3 避障控制策略  42-45
    4.3.1 局部变形个体选取  43
    4.3.2 计算参数矩阵  43-45
  4.4 仿真测试与实验结果  45-46
  4.5 总结  46-48
第5童结论与展望  48-50
参考文献  50-54
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  54-55
攻读硕士学位期间参加的科研工作  55-56
致谢  56

多机器鱼编队控制

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