● 摘要
随着机器人技术的不断发展及其应用领域的不断扩展，飞行机器人在监控、救灾、空中抓取、星球探测和军事侦查、反恐等领域的应用越来越广泛，对机器人的性能也提出了更高的要求。在这些复杂多变的动态环境中，传统的小型飞行器，如三旋翼、四旋翼飞行器等，由于功能和构型固定，通常仅限于在特定环境下完成有限的作业任务。如果能够通过多个飞行器的相互配合，协调，甚至多个飞行器单体之间可以通过互相连接组成构型多样、功能丰富、控制冗余的整体飞行器，则可以克服固定构型飞行器控制输入有限和飞行不稳定的固有不足，并突破其有限的作业能力，完成一些单个飞行器无法完成的任务。而且可以根据环境动态改变构型和飞行策略，同时系统中某个飞行模块损坏后不会对系统的整体性能造成毁灭性影响，具有自恢复和容错特点以及更好的战场生存和环境适应能力。本文将群体机器人的研究领域从一般的地面移动型机器人扩展到空间飞行机器人，将群体机器人的群体智能优势和强大的自组装变形适应能力应用在广阔的空间机器人领域，探索了群体机器人在空间任务执行过程中的行为方式，控制方法和关键技术，设计研发出一种模块化群体飞行机器人阵列系统。全文的主要工作和成果如下：(1)深入研究旋翼飞行器、群体自组装和自重构机器人目前的研究成果，在此基础上，完成机器人系统总体结构和功能设计。每个机器人单体都设计成六边形外形的模块，具有单旋翼升力涵道、对接机构和灵活的地面全向自主移动能力，模块之间能够通过相互对接完成自组装并实现组装后整体阵列的空间飞行。(2)每个机器人模块都是一个具有自主决策能力的计算单元，拥有完整的传感、通信、驱动和运算决策能力。机器人控制系统以一片ARM内核的处理器为主控核心；集成航姿参考系统(AHRS)、CMOS图像和红外等传感信息系统；驱动控制3路直流运动电机、1路对接卡扣电机和1路旋翼驱动无刷直流电机；机器人之间的通信采用无线Zigbee和有线CAN总线两种选择方案。(3)自组装是群体智能的经典表现形式也是群体机器人有效的行为方式之一，是实现群体功能扩展的行为基础。根据机器人阵列的构型特点提出了一种构型描述广义邻接矩阵，系统中的单体机器人模块在给定目标阵列构型矩阵的前提下，可以通过有限状态机的控制方式完成分布式自组装，实现目标构型阵列的搭建。(4)针对多旋翼飞行机器人阵列自组织、自调整和自恢复的设计目标，提出了基于构型描述矩阵和单体机器人模块状态信息的分布式飞行控制策略，赋予整个机器人系统良好的容错和生存能力。最后，文章通过机器人实物平台对机器人软硬件系统设计、自组装控制策略和分布式飞行控制算法进行了实验验证，结果表明系统的设计有效，方案可行，达到了研究目标。