论文总字数：20351字

摘 要

随着计算机技术和无线通信技术的飞速发展，多个机器人组成的群体系统通过协调、合作来完成原本由单个机器人无法或难以完成的工作已经成为可能。群体移动机器人系统具有丰富广泛的环境感知能力，并行执行的高工作效率，优秀稳定的鲁棒性和卓越出众的容错能力等众多单机器人难以拥有的优势，而多机器人编队问题是目前对多机器人协调合作问题进行研究的重要基础，是国内外进行多机器人研究的热门课题。

本课题属于机器人群体智能类理论性课题，在联合搜索与救援、地雷排除、空间探索、 卫星和无人车辆或飞行器的控制中都有广泛应用。设计简单的一致性算法，使得机器人群体运动状态趋于一致。

本文在综合前人研究的基础上，提出基于一致性的编队算法对多机器人编队实现控制， 通过MATLAB 理论仿真成功的验证了这种编队控制算法的有效性，并针对仿真中出现的问题提出了分析和修正。

关键词：群体机器人 编队控制 一致性

Abstract

As developing of computer technology and wireless communication technology, it is possible for multi-robot system to complete the task through the coordination and cooperation which is difficult for single robot. The multi-robot system has many advantages which is difficult to have for single robot, such as rich environment awareness, high efficiency of parallel execution, excellent robustness, and outstanding fault tolerance. The topic of multi-robot formation is important foundation of multi-robot cooperation research, and is hot topics of multi-robot research in domestic and foreign.

This topic belongs to robot swarm intelligence theory topic, joint search and rescue, the removal of land mines, space exploration, satellite and unmanned vehicle or aircraft control have widely used in. The simple consistency algorithm is designed, which makes the robot group move to the same state..

This paper on the foundation of previous studies proposed consistent formation algorithm for multi robot formation control based on, through the MATLAB simulation successfully verify the effectiveness of the formation control algorithm, and gives the analysis and correction for simulation.

Keywords: multi-robot system；formation algorithm； consistency

目 录

摘　要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 机器人群体队形控制的概述 1

1.2 机器人群体队形控制的研究背景及意义 1

1.3 机器人群体队形控制的研究现状 3

1.3.1 领航跟随法 3

1.3.2 人工势场法 4

1.3.3 基于行为法 4

1.3.4 虚拟结构法 5

1.3.5 基于一致性机器人群体队形控制 5

1.4 本文工作内容与结构 6

第二章 机器人群体队形控制中一致性问题阐述 7

2.1 图论基础 7

2.2 矩阵论基础 9

2.3一致性问题数学描述及一致性协议 9

2.3.1基于连续时间的一致性协议 9

2.3.2基于离散时间的一致性协议 10

2.3.3基于切换拓扑结构的一致性协议 10

2.3.4带时滞一致性协议 10

2.4平均一致性引理 11

2.5本章小结 12

第三章 机器人群体队形一致性方案 13

3.1关于一致性的三个问题 13

3.1.1可一致性 13

3.1.2一致性条件 13

3.1.3一致性协议设计 13

3.2网络化多智能体系统 13

3.3一阶积分系统 14

3.3.1一阶积分器 14

3.3.1一阶积分系统一致性 14

3.3.3一阶积分系统采样周期 15

3.3.4一阶积分系统时延 15

3.4基于状态反馈一致性协议 16

3.5本章小结 16

第四章 实验仿真及结果分析 17

4.1一致性软件程序设计 17

4.1.1无时延程序简述 17

4.1.2存在时延程序简述 17

4.2三个智能体一致性的仿真 18

4.3十个智能体一致性仿真 20

4.4存在网络时延下的一致性仿真 24

4.5 结果分析 26

结语 27

参考文献 28

第一章 绪论

1.1 机器人群体队形控制的概述

机器人在上个世纪被发明出来时，就被称为是最伟大的发明之一。许多研究者投身于对机器人的研究中，因此机器人技术的发展速度可以说是一日千里，在最近这些年内更是发生了翻天覆地的变化。机器人技术已然成为高新技术领域的卓越代表。机器人的横空出世,不但使传统的工业生产效率提高数倍,而且将对人类社会的诸多方面产生深远长久的影响。随着人类的生产规模，生活范围的不断扩大，仅仅靠人力的生产活动早已经不能满足日益增长需求。所以，研究者们发明群体机器系统^[1]人来代替人类进行生产、探索活动。现在，群体机器人系统已经小有成就，有大致有如下几项应用：农业生产、远地作业、协助军事侦查、灾后搜救、自动化工厂生产等等。群体机器人^[2]作为机器人领域的一个分支,比较单机器人较新，是近几年才被提出来。一直到现在,群体机器人的发展都还处于研究初期，并不是很完善，有很多问题需要解决。群体机器人系统内各个机器人之间如何能够较好的协调运动成为研究群体机器人系统的研究重点。群体机器人系统与单机器人系统相比较有着很多方面的优势:①具有良好的鲁棒性^[3]:即在执行任务中，如果出现干扰或者系统中有某个个体失去作用时,群体机器人系统不受影响，依然能够继续执行既定任务;②、具有很强的环境适应性:即群体机器人系统有能力解决单机器人系统不能够完成的复杂任务;③、具有可扩展性:群体机器人系统中个体数量的增减都不会影响系统的正常执行任务。这些优势对群体机器人系统的研究具有重要的意义。而且，深入的研究群体机器人系统,对解释自然界中复杂集群行为的意义更有帮助,生物群体的智能行为也能够被更直观的展示出来。并且随着科学技术的不断发展,机械制造的技术提高,机器人制造的成本减小,在未来，群体机器人系统都将被广泛应用于战场、医疗领域、航天领域以及工业领域。

1.2 机器人群体队形控制的研究背景及意义

在动物的世界里，彼此之间以一定队形集体行动的行为随处可见，比如鱼群以一定角速度聚集的行为如图（1-1）和鸟群组成队形行为如图（1-2），这些行为为群体中的每一个个体通过彼此之间的合作来获得更多的食物，也是它们安全的保障。处在队形中的动物个体既要遵循于维持在队形中的位置，同时还要保证各自的安全而保持相互间距离而不会发生撞击，从而所有个体一起构成了完整的队形。由于单个个体在拥有一定队形的群体中具有了很多原来单一时没有的优势，随着不断深入的研究生物学，研究人员发现它们复杂的群体智能行为是通过简单的局部交互产生的。从这些群体具有的系统级特征中研究人员意识到理解了这些将为未来多机器人系统实现类似编队行为提供了全新的思路。

图1-1 鱼群以一致角速度聚集

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