多機器人協(xié)同控制技術

第1章　緒論 001
1.1　多機器人協(xié)同定位發(fā)展現(xiàn)狀 004
1.2　多機器人協(xié)同通信發(fā)展現(xiàn)狀 006
1.3　移動機器人環(huán)境感知與自主探索發(fā)展現(xiàn)狀 007
1.4　移動機器人軌跡跟蹤控制技術 008
1.5　移動機器人分布式控制技術 010
1.6　模塊化機器人國內外發(fā)展現(xiàn)狀 011
參考文獻 017
第2章　多機器人協(xié)同通信與定位技術 023
2.1　概述 023
2.2　多機器人協(xié)同通信技術 024
2.2.1　基于TCP/IP 協(xié)議的多機器人協(xié)同通信 027
2.2.2　基于UDP 協(xié)議的多機器人協(xié)同通信 029
2.2.3　基于ICMP 協(xié)議的多機器人協(xié)同通信 030
2.2.4　基于ROS 的多機器人協(xié)同通信 032
2.2.5　復雜場景下的協(xié)同通信 036
2.3　定位感知技術 037
2.3.1　絕對式定位感知技術 037
2.3.2　相對式定位感知技術 045
2.4　基于濾波的多機器人定位感知算法 052
2.4.1　卡爾曼濾波算法 052
2.4.2　粒子濾波算法 053
2.5　基于優(yōu)化的多機器人定位感知算法 054
2.5.1　滾動時域法 054
2.5.2　粒子群優(yōu)化法 056
2.5.3　梯度下降法 057
2.6　基于分布式擴展卡爾曼濾波算法的相對位姿優(yōu)化估算 058
2.6.1　多平臺擴展卡爾曼算法集中建模 059
2.6.2　分布式擴展卡爾曼濾波耦合 061
2.6.3　分布式濾波系統(tǒng)自適應誤差優(yōu)化 065
2.7　多機器人相對位姿估計方法與協(xié)同定位方法 066
2.7.1　初始相對位姿估計解算 066
2.7.2　基于定位置信度的傳感器信息融合 070
2.7.3　基于擴展容積卡爾曼濾波的協(xié)同定位 072
2.7.4　仿真與物理平臺實驗 073
參考文獻 080
第3章　多機器人協(xié)同導航與自主探索技術 081
3.1　概述 081
3.2　多機器人協(xié)同導航技術 082
3.2.1　傳感器技術在多機器人導航中的應用 082
3.2.2　多機器人導航控制策略概述 084
3.3　多機器人導航中的路徑規(guī)劃算法 087
3.3.1　常見的全局路徑規(guī)劃算法 087
3.3.2　常見的局部路徑規(guī)劃算法 091
3.3.3　多機器人導航技術發(fā)展趨勢 093
3.4　基于多線激光雷達的透明障礙物識別與重建方法 094
3.4.1　基于反射強度特征和局部結構特征的透明障礙物識別方法 094
3.4.2　基于環(huán)境信息的透明障礙物重建方法 103
3.5　透明障礙物環(huán)境地圖構建方法           106
3.5.1　基于對稱特征的反射錯誤點識別與修正方法 106
3.5.2　透明障礙物場景優(yōu)化SLAM 方法 112
3.6　透明障礙物環(huán)境下機器人自主探索策略 114
3.6.1　基于雙RRT 的局部探索 115
3.6.2　目標點評估模型 120
3.6.3　基于拓撲路徑圖的全局調整 122
3.6.4　透明障礙物環(huán)境探索優(yōu)化策略 122
3.7　綜合實驗驗證與分析 123
3.7.1　實驗平臺 123
3.7.2　實驗驗證 124
3.7.3　結果分析 127
參考文獻 128
第4章　多機器人編隊協(xié)同運動控制 129
4.1　概述 129
4.2　多機器人協(xié)同運動建模 129
4.3　協(xié)同跟隨控制器 130
4.4　最優(yōu)控制參數(shù)選取 132
4.4.1　遺傳算法 132
4.4.2　種群初始化 132
4.4.3　適應度函數(shù) 133
4.4.4　精英選擇 133
4.4.5　交叉和突變 134
4.5　多機器人編隊協(xié)同運動策略 135
4.5.1　編隊控制相關方法 135
4.5.2　基于行為法 141
4.5.3　系列優(yōu)化方法 143
4.5.4　圖論概念 149
4.5.5　隊形結構描述 150
4.5.6　聚合靠攏 151
4.5.7　分散隊形變換 152
4.5.8　協(xié)同隊形控制流程 154
4.6　分布式多機器人編隊控制策略           155
4.6.1　多機器人系統(tǒng)圖論及編隊模型 155
4.6.2　領航者機器人路徑生成 156
4.6.3　編隊控制律分析 158
4.6.4　編隊形成仿真實驗 159
4.7　基于改進APF 的多機器人系統(tǒng)分布式避障算法 160
4.8　多機器人行為決策設計 162
4.8.1　行為加權融合方法 162
4.8.2　避障與隊形切換仿真實驗 163
參考文獻 164
第5章　機器人戶外復雜環(huán)境感知與地圖構建 166
5.1　概述 166
5.1.1　感知定位與建圖方法 167
5.1.2　基于因子圖優(yōu)化的狀態(tài)估計方法 167
5.1.3　傳感器因子節(jié)點構建方法 168
5.1.4　多因子圖優(yōu)化設計 174
5.1.5　基于SegNet 的動態(tài)環(huán)境建圖方法 177
5.2　機器人戶外環(huán)境感知與規(guī)劃方法實驗分析 183
5.2.1　系統(tǒng)硬件選型設計 184
5.2.2　仿真平臺搭建 186
5.2.3　仿真實驗 188
5.2.4　樣機實驗分析 192
參考文獻 198
第6章　機器人起伏地形軌跡規(guī)劃與跟蹤控制 199
6.1　概述 199
6.1.1　規(guī)劃問題描述與RRT??算法 200
6.1.2　RRT??算法改進 201
6.2　面向崎嶇地形的路徑規(guī)劃方法 204
6.2.1　基于A??算法的2.5D 路徑規(guī)劃方法 204
6.2.2　基于非線性模型預測控制算法的2.5D 軌跡跟蹤控制方法 207
6.3　起伏地形軌跡跟蹤算法研究與方法設計 212
6.3.1　起伏地形機器人姿態(tài)誤差補償控制問題分析 212
6.3.2　基于模型預測控制的機器人軌跡跟蹤方法 214
6.3.3　基于反饋控制的機器人姿態(tài)角誤差動態(tài)補償方法 218
6.3.4　避障規(guī)劃算法研究與方法設計 221
6.4　多輪移動機器人多輪分布式協(xié)同控制方法 228
6.4.1　分布式協(xié)同控制算法研究與方法設計 228
6.4.2　基于擴張狀態(tài)觀測器的未知擾動補償控制方法 236
6.5　輪式移動機器人運動控制系統(tǒng)實驗驗證 240
6.5.1　仿真實驗 240
6.5.2　樣機實驗 253
參考文獻 259
第7章　組合體越障規(guī)劃與構型分析 261
7.1　概述 261
7.2　崎嶇地形建模與越障路徑規(guī)劃 262
7.2.1　基于可變構模塊化機器人越障特征的幾何通過性與地形 262
7.2.2　地形語義分割 268
7.2.3　語義地圖與柵格地圖結合的越障路徑規(guī)劃方法 270
7.3　地形與負載約束下的越障能耗與時間最優(yōu)構型生成方法 273
7.3.1　越障構型規(guī)劃問題建模 273
7.3.2　基于遺傳算法的構型規(guī)劃求解 276
7.3.3　基于BP 神經網(wǎng)絡的構型規(guī)劃 283
參考文獻 287
第8章　模塊化可重構機器人最優(yōu)變構決策與規(guī)劃 288
8.1　概述 288
8.2　多目標變構決策層次優(yōu)化 290
8.2.1　模塊化機器人平面構型表達 290
8.2.2　最大公共子構型匹配 291
8.2.3　組元拆分樹結構啟發(fā)式搜索 293
8.2.4　變構移動距離估計 297
8.2.5　帕累托最優(yōu)性證明 298
8.2.6　時間復雜度 300
8.3　大規(guī)模組合體的分組變構優(yōu)化策略           302
8.4　模塊化機器人并行變構最優(yōu)軌跡規(guī)劃技術 302
8.4.1　構建最優(yōu)執(zhí)行路徑 305
8.4.2　并行變構運動的路徑-時間維映射 305
8.4.3　運動約束下分段平滑時刻表模型 308
8.4.4　啟發(fā)式偏移粒子群算法的時刻表優(yōu)化器 310
8.5　仿真與物理平臺實驗 312
8.5.1　最優(yōu)變構規(guī)劃仿真與分析 312
8.5.2　面向大量模塊的分組變構規(guī)劃仿真與分析 314
8.5.3　模型仿真與結果分析 316
8.5.4　算法性能仿真 316
8.5.5　對比仿真 317
8.5.6　物理平臺對比實驗 319
參考文獻 322
第9章　模塊化機器人變構實時路徑規(guī)劃與并行控制 325
9.1　概述 325
9.2　變構實時路徑規(guī)劃 326
9.2.1　高實時性去中心化全地圖隨機樹 326
9.2.2　回環(huán)分支迭代的實時路徑優(yōu)化 328
9.2.3　動態(tài)環(huán)境快速響應機制 333
9.2.4　概率完備性 337
9.3　包圍逃逸 338
9.4　分布式并行變構控制技術 339
9.4.1　本地共識的異形組元分布式軌跡跟蹤控制 341
9.4.2　分布式控制器的遞歸可行性與漸近穩(wěn)定性 348
9.5　仿真與物理平臺實驗 349
9.5.1　模型仿真與結果分析 349
9.5.2　物理平臺對比實驗 355
9.5.3　組合體變構對比測試 357
9.5.4　組合體連續(xù)變構 358
參考文獻 360