摘 要

随着工业4.0和智能制造技术的发展，机器人在各行各业尤其是任务繁重、重复、危险的工业生产以及物流运输等行业发挥着重大的作用。随着工作任务的复杂性与工作环境复杂性的提升，为了追求更高的工作效率和系统稳定性，单个机器人的系统已经无法满足社会的需求，从而使得多机器人系统逐渐成为了机器人研究的重点问题。

本文以RC-ARMamp;WX-II无线传感数据采集机器人为硬件平台，研究了系统结构、协作策略、通信机制、定位方式、智能避障等多个方面，提出了一种基于距离的最小代价协作策略；将多机器人系统通过Zigbee无线组网实现了各个节点之间的通信，并且利用ZStack协议栈开发实现了机器人的全局定位；提出了关于该系统的具体避障方案，设计其硬件电路和软件算法，成功实现对未知环境的局部避障功能。通过通信实验验证了系统组网和数据传输的可行性和可靠性；定位实验证明了本设计定位机制的准确性；智能避障综合实验表明该系统能够以协作策略的方式成功完成协作任务和实现局部避障，验证了该协作系统的高稳定性、鲁棒性和实时性。

关键词：多机器人协作；协作策略；无线通信；定位方法；智能避障

Abstract

With the development of industry 4.0 and intelligent manufacturing technology, robots are playing an important role in all walks of life, especially in industries with heavy tasks, repetitive tasks, dangerous industrial production and logistics and transportation. As the complexity of the complexity of the task and working environment, in order to pursue higher work efficiency and stability of the system, a single robot system has been unable to meet the needs of society, so the multi-robot cooperation system gradually becomes the research hotspot in the field of robot.

In this thesis, RC-ARMamp;WX-II wireless sensor data acquisition robots are used as hardware platforms to study system structure, cooperation strategy, communication mechanism, positioning method, intelligent obstacle avoidance and other aspects. The main content is to propose a minimum cost cooperation strategy based on distance. The multi-robot system realizes the communication between each node through Zigbee wireless networking, and the global positioning of the robot is realized by the development of ZStack protocol stack. This paper proposes a specific obstacle avoidance scheme for the system, designs its hardware circuit and software algorithm, and successfully completes the local obstacle avoidance function for the unknown environment. The feasibility and reliability of system networking and data transmission are verified by communication experiment. The positioning experiment proves the accuracy of the positioning mechanism. Intelligent obstacle avoidance comprehensive experiments show that the system can successfully completed in the form of collaboration strategy collaboration tasks and to achieve local obstacle avoidance, validate the cooperation system of high stability, robustness and real-time performance.

Key Words: multi-robot cooperation；cooperative strategy；wireless communication；positioning method；intelligent obstacle avoidance

目 录

第1章 绪论 1

1.1 目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文研究对象和主要内容 3

1.3.1 研究对象 3

1.3.2 主要内容 6

第2章 多机器人系统体系结构和协作策略 7

2.1 多机器人体系结构研究 7

2.2 本次设计采用的体系结构 9

2.2.1 任务调度层与行为协作层功能结构 10

2.2.2 任务调度层与行为协作层工作流程 11

2.3 协作策略研究 13

2.3.1 简单买卖理论 14

2.3.2 基于距离的最小代价理论 15

2.4 本次设计采用的协作策略 15

第3章 基于无线网络通信的多机器人协作定位机制 18

3.1 无线组网通信方式 18

3.2 基于Zigbee组网的多机器人无线通信 19

3.2.1 多机器人系统的网络结构 19

3.2.2 网络建立过程 20

3.2.3 多机器人通信过程 22

3.3 串口通信 25

3.3.1 串口通信的硬件设计 25

3.3.2 串口通信的程序设计 26

3.4 定位技术研究 27

3.5 基于RSSI三点定位方法 28

3.5.1 RSSI定位原理 28

3.5.2 基于RSSI方法的距离测定 29

3.5.3 RSSI三点定位法的具体实现方法 29

第4章 智能避障系统设计 33

4.1 行为反应法 33

4.2 避障系统硬件设计 34

4.2.1 传感器选择 34

4.2.2 避障电路设计思路 35

4.2.3 实际电路设计 36

4.3 避障系统软件设计 37

4.3.1 避障算法设计思路 38

4.3.2 避障程序实现 40

第5章 实验研究 42

5.1 通信实验 42

5.2 定位实验 43

5.3 避障实验 44

5.4 协作实验 45

5.5 实验结论 46

第6章 总结与展望 48

6.1 全文总结 48

6.2 展望 48

参考文献 50

致 谢 51

第1章 绪论

1.1 目的和意义

机器人的产生和发展是为了更好地服务人类，让机器人具有接近自然人的智能与智慧一直是机器人领域研究的重点问题。随着人工智能的发展，单个机器人的智能化水平已经得到了显著的提高；但是单个机器人的智能化与能力毕竟是有限的，尤其是在面对一些任务量巨大、任务复杂的工作情况下，单个机器人的能力是无法满足系统的工作要求的。