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多机器人协调与协作技术的研究

作　者: 梁天喜
导　师: 赵锦芝
学　校: 中原工学院
专　业: 机械电子工程
关键词: 多机器人系统 A星算法行为控制 OpenGL仿真
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文首先对国内外多机器人系统的研究状况、进展及出现的问题作了详细介绍。在这基础之上，讨论了多机器人系统体系结构及组成。在研究机器人运动学问题时，是三自由度机器人为研究对象，建立了运动学方程，得出了机器人的正运动学正解（即机器人所在的初始位姿），推导求解了机器人逆运动学逆解。在正逆解的基础上讨论了雅克比矩阵。然后利用matlab仿真软件计算并绘制了机器人的工作空间，在这基础之上，分析了机器人末端的位姿，找出了机器人末端点的可选择区域，最后对机器人的末端进行了工作路径的轨迹规划。针对传统的人工势场法，指出了静态环境中的目标不可达问题及局部极小点的问题，通过改变斥力势场函数来解决了目标不可达问题；通过引入机器人沿障碍物边界线行进的策略，解决了局部极小点的问题。并将改进后的人工势场法应用于多机器人与静态设置好的障碍物（机器人彼此之间视为障碍物）的避障算法中，通过对不同方向的障碍物给予不同考虑，改善了静态环境中单个机器人的运动轨迹，使得该轨迹更加接近最优路径。最后通过Visual C++软件实现了相应的仿真结果。本文介绍了OpenGL仿真软件的应用及其实现方法，利用OpenGL软件的绘制函数对机器人进行了建模，并在Visual C++和OpenGL环境下采用MFC面向对象的程序设计方法建立了多机器人仿真平台。其次，详细介绍了A星寻路算法理论及其在机器人领域中的应用，然后提出了一种基于行为的差分方向控制的方法，即将机器人的地盘运动设置为全向运动，融入了两轮的思想，就是将其中一个机器人视为左轮，另外一个机器人视为右轮，机器人的运动信息反映在两轮上。在这基础之上，对多机器人系统中协作搬运杆件的问题展开了详细讨论，比如杆件在搬运过程是否脱落或者与目标不一致。最后在已构建好的多机器人仿真平台上，融合了基于行为的差分方向控制的方法和A星算法实现了多机器人搬运协作问题。这样不仅获得了多机器人协作搬运的最优路径，还对单个机器人的行为进行了几何规划，解决了机器人搬运过程中比如物体的脱落或者各机器人动作不一致的问题，并给出了机器人在平面区域的运动方位信息。仿真结果验证了提出的协作算法的正确性和可行性。这对机器人的设计、制造有一定的参考价值。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1．绪论  11-16
  1.1 课题来源、研究背景及意义  11-12
    1.1.1 课题来源  11
    1.1.2 课题研究的背景及意义  11-12
  1.2 国内外的研究现状  12-14
  1.3 本课题研究的主要内容  14-16
2．基于人工势场法的多机器人避障  16-30
  2.1 引言  16
  2.2 多机器人系统结构设计  16-17
  2.3 人工势场法  17-18
  2.4 传统人工势场法  18-20
    2.4.1 斥力场函数  18-20
    2.4.2 引力场函数  20
  2.5 传统人工势场法存在的缺陷  20-22
  2.6 人工势场法的改进  22-26
    2.6.1 机器人目标不可达的问题  22-25
    2.6.2 机器人陷入局部极小点的问题  25-26
  2.7 仿真实验与分析  26-29
    2.7.1 无障碍环境中机器人的路径规划  26-27
    2.7.2 较少障碍环境下的路径规划  27-28
    2.7.3 较复杂障碍环境中机器人的路径规划  28-29
  2.8 本章小结  29-30
3．机器人运动学  30-53
  3.1 引言  30
  3.2 空间点与坐标系  30-31
    3.2.1 空间中点的向量  30-31
    3.2.2 坐标系在固定参考坐标系中的表示  31
  3.3 坐标系的变换  31-35
    3.3.1 齐次型变换  31-34
    3.3.2 坐标系相对于旋转坐标系的变换  34-35
    3.3.3 变换矩阵的逆  35
  3.4 机器人的正运动学与逆运动学  35-43
    3.4.1 正运动学的 D-H 表示法  36-38
    3.4.2 机器人的正运动学求解  38-41
    3.4.3 机器人逆运动学方程的求解  41-43
  3.5 机器人的雅可比矩阵  43-44
  3.6 机器人的工作空间  44-46
  3.7 轨迹规划分析  46-52
    3.7.1 轨迹规划理论分析  46-49
    3.7.2 轨迹规划仿真分析  49-52
  3.8 本章小结  52-53
4．多机器人仿真平台的设计与实现  53-77
  4.1 OpenGL 概述  53-57
    4.1.1 配置 OpenGL 环境  54
    4.1.2 OpenGL 绘制环境的设置  54-57
  4.2 多机器人三维模型的建立  57-59
  4.3 机器人路径搜索  59-64
    4.3.1 启发式搜索算法  59-60
    4.3.2 A 星算法基本原理  60-63
    4.3.3 构建栅格地图  63
    4.3.4 A 星算法仿真实验  63-64
  4.4 行为方法设计  64-68
    4.4.1 机器人行为设计  65-67
    4.4.2 基于行为的差分方向控制的策略  67-68
  4.5 多机器人搬运的实现  68-75
    4.5.1 多机器人仿真平台  68-70
    4.5.2 多机器人协作仿真  70-75
  4.6 小结  75-77
5．结论与展望  77-79
  5.1 研究结论  77-78
  5.2 研究展望  78-79
参考文献  79-83
附录:攻读硕士学位期间发表的论文  83-84
致谢  84-85

多机器人协调与协作技术的研究

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