● 摘要
随着现代科学技术，特别是计算机技术、通讯技术、电子技术、传感器技术、控制技术以及人工智能技术的飞速发展，机器人的研发与应用已成为一个热门领域，出现了各种各样的具有某种智能的机器人或仿生机器人，其应用范围也从自动化生产线到海洋资源的勘探乃至太空作业以及家庭服务等诸多领域。然而，随着应用领域和规模的不断拓广，以及环境、任务之复杂性和应用目标的不断提高，单体机器人在信息的获取、处理、以及多目标应对行为之协调等方面的能力就更显不足，难以满足实际应用之需要。这就给网络化多机器人系统的研发提供了机遇。毫无疑问，通过多机器人的协作互补和优化管控，将在应对复杂环境和任务，实现高标准、高效率的作业目标等方面产生单体机器人难以企及的效果。事实上，由于多机器人系统在时间、空间、功能、信息和资源等方面的分布式组态、冗余性组织结构和互补性功能强化等方面的优势特点，其优越性主要体现在：工作效率大幅度提高，工作能力大幅度增强，功能及工作范围明显扩大，系统的可靠性、鲁棒性、容错能力明显增强。但是，对于多机器人系统的整体优化控制而言，在做好单体机器人局部控制的基础上，更重要的是应从全局着眼，通过综合集成与智能优化，实现多机器人系统之体系结构和组织模式的优化，使任务协调、行为协作、冲突消解、容错能力和可靠性等整体决策结果和运行指标达到最佳。本文结合多移动机器人系统的工程应用需要，构建了多移动机器人综合实验平台，面向多移动机器人系统的协调优化控制，重点研究了其中的几个关键性问题，主要贡献可列述如下。（1）针对一种轮式移动机器人，分析了其组织结构以及环境感知与控制驱动部分的特点，建立了单体机器人系统的动力学模型和运动学模型，以作为进行控制和导航系统设计的支撑基础。（2）将混杂控制系统的组织结构模式与分层递阶的综合集成建模方法相结合，给出了多机器人系统综合集成建模的策略并建立了多机器人系统的整体模型，在此基础之上，利用多智能体系统（MAS）技术，设计了多机器人之间的协调机制，提出了多轨道约束的多机器人协调编队控制模式和基于分布式控制结构的多机器人协调编队控制模式。（3）采用基于视觉信息的移动机器人组合导航方法，利用置顶全局摄像机进行视觉定位，同时结合机器人自身携带的传感器，给出了基于多传感器融合的组合导航方法和相应的实现算法。大量仿真实验表明，此导航方法可大幅度提高导航精度，实用性强。进而，采用dSPACE实时模拟仿真平台，设计并实现了基于视觉信息的移动机器人实时导航仿真实验平台。（4）将智能自主控制方法引入到多机器人的协调优化控制中，分别设计了基于视觉反馈的多机器人编队控制器和基于Backstepping方法的机器人轨道跟踪控制器，实现了跟随机器人的自主跟踪控制以及领航机器人对预设轨道的跟踪控制。在大量仿真实验的基础上，进行了面向编队任务的多机器人协调优化控制的综合模拟实验，进一步验证了文中提出控制方法的有效性。（5）结合月球环境探测任务的轮腿式多足机器人群体系统的特点和应用需求，以及微小卫星编队飞行过程的协调优化控制目标，分别设计了两种基于多移动机器人系统的地面模拟实验方案，运用本文所取得的理论研究成果，完成了地面模拟实验，得到了具有重要参考价值的实验研究结果。