【摘 要】
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随着科学技术的不断发展,移动机器人的应用越来越广泛,但是单机器人在很多领域已经很难满足要求。相比于单机器人,多机器人系统在编队巡逻、环境探索、流水线生产等具体应用中展现出极大的优势。在多机器人协作进行环境探索、对大型物体的运输以及对目标的围捕等应用中,多个机器人需要保持稳定的队形,并且能够躲避环境中的障碍物。本文以四轮差速移动机器人为研究对象,对多机器人避障控制进行了研究。其主要研究内容包括:(1
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随着科学技术的不断发展,移动机器人的应用越来越广泛,但是单机器人在很多领域已经很难满足要求。相比于单机器人,多机器人系统在编队巡逻、环境探索、流水线生产等具体应用中展现出极大的优势。在多机器人协作进行环境探索、对大型物体的运输以及对目标的围捕等应用中,多个机器人需要保持稳定的队形,并且能够躲避环境中的障碍物。本文以四轮差速移动机器人为研究对象,对多机器人避障控制进行了研究。其主要研究内容包括:(1)本文对四轮差速移动底盘进行了运动学分析,得到了移动底盘的控制公式。针对环境感知的问题,本文采用激光雷达探测环境中障碍物的信息,然后采用最近邻匹配算法对这些障碍物信息进行聚类得到障碍物的分布,同时利用关联算法对前后两帧数据聚类得到的障碍物矢量模型进行关联性分析,并由此得到动态障碍物的运动信息。(2)针对多机器人避障问题,本文以单机器人避障为基础进行研究,并采用人工势场法作为避障算法。在静态环境下,人工势场法规划的路径存在路径震荡和局部极小点的问题,本文通过添加角度过滤器和采用不同系数计算引力改善了路径震荡的问题,并通过添加虚拟目标点的方法解决了局部极小点问题。在动态环境下,本文提出了基于相对时间的人工势场以及基于相对速度的可变动态障碍物作用域,并针对多种移动速度的障碍物进行了避障仿真。(3)针对多机器人编队控制问题,本文结合了领航跟随法和群集一致性理论,设计了位姿环-速度环串级PID控制器,并分别对领航机器人和跟随机器人设计了总控制器。本文基于队形变换因子以及环境适应度函数设计了多机器人避障策略,并基于人工势场法实现了静态避障和动态避障。(4)介绍了机器人实验平台,并把该实验平台划分为上位机系统和下位机系统,其中下位机系统负责机器人的控制以及定位信息的处理,上位机系统负责运行环境建模算法、编队控制算法以及避障控制算法。最后设计了多种实验验证了本文设计的编队控制算法能够实现编队控制和多机器人避障。
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