多關(guān)節(jié)自治機器人系統(tǒng)分布式協(xié)作運動規(guī)劃方法研究.pdf

1、多關(guān)節(jié)自治機器人協(xié)作系統(tǒng)屬于多智能體機器人系統(tǒng)的范疇，在承載能力、操作精確性、靈活性、系統(tǒng)的可靠性、對變化不確定環(huán)境的適應(yīng)性等方面都比傳統(tǒng)的機器人有更大的優(yōu)越性。協(xié)作系統(tǒng)具有空間分布、功能分布、時間分布等特點，通過共享資源(信息、知識等)彌補了單機器人能力的不足，擴大完成任務(wù)的能力范圍。系統(tǒng)內(nèi)機器人資源的冗余性提高完成任務(wù)的可能性、增加了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。 運動規(guī)劃是機器人決策的重要環(huán)節(jié)之一，多個關(guān)節(jié)式機器人的協(xié)同工作對協(xié)作

2、運動規(guī)劃提出了更高的要求。現(xiàn)有的集中式規(guī)劃方法和分散規(guī)劃一集中協(xié)調(diào)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)式規(guī)劃方法難以滿足應(yīng)用系統(tǒng)對空間一時間綜合優(yōu)化、速度約束、協(xié)作任務(wù)多樣化和系統(tǒng)可靠性等多方而的綜合要求，無法發(fā)揮分布式自治多機器人協(xié)作系統(tǒng)的優(yōu)勢。 本論文提出了一種多關(guān)節(jié)自治機器人協(xié)作系統(tǒng)的分布式協(xié)作運動規(guī)劃方法。系統(tǒng)中各機器人個體的規(guī)劃予系統(tǒng)相對獨立、平等地根據(jù)各自的局部信息進行自身的運動規(guī)劃，僅通過少量異步通信，獲取其它機器人的決策信息，完成相互避碰

3、和特定的協(xié)同作業(yè)等任務(wù)，系統(tǒng)總體能夠?qū)崿F(xiàn)空間一時間的綜合優(yōu)化目標(biāo)，規(guī)劃系統(tǒng)對于一定程度上的通訊不可靠具有抗干擾性。因此在多機器人外太空作業(yè)和外星球探險、野外自主協(xié)同作業(yè)、深海協(xié)同作業(yè)等新的機器人應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。 本文的主要研究工作包括：1、給出了待求解的多關(guān)節(jié)自治機器人協(xié)作系統(tǒng)運動規(guī)劃問題的數(shù)學(xué)描述。從優(yōu)化角度，明確了多關(guān)節(jié)自治機器人協(xié)作運動規(guī)劃的優(yōu)化目標(biāo)和運動路徑綜合評價標(biāo)準(zhǔn)，詳細分析了影響機器人運動的各類約束條

4、件。論證了空間優(yōu)化與時間優(yōu)化的一致性和可分離性問題，說明空間一時間綜合優(yōu)化指標(biāo)的重要意義。提出了對協(xié)作運動規(guī)劃方法的性能要求。 2、針對多關(guān)節(jié)自治機器人協(xié)作系統(tǒng)，提出一種新的分布式協(xié)作運動規(guī)劃(Distributed Cooperative Motion Planning，DCMP)方法，在同一規(guī)劃層次上實現(xiàn)空間一時間運動路徑綜合優(yōu)化。以分布式求解為目標(biāo)，通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，將多關(guān)節(jié)自治機器人協(xié)作系統(tǒng)的整體運動規(guī)劃任務(wù)分解為各機

5、器人個體的獨立子規(guī)劃。在滿足綜合優(yōu)化目標(biāo)的前提下，推導(dǎo)出能夠分布式迭代計算的子系統(tǒng)優(yōu)化模型。DCMP方法解耦了各機器人協(xié)作運動子規(guī)劃的同步性，使其可以異步并行進行。對DCMP方法的性能，尤其是抗通訊干擾的能力，進行了分析研究。DCMP方法在協(xié)作運動規(guī)劃的體系結(jié)構(gòu)和協(xié)作機制方面進行了有益的嘗試和創(chuàng)新。 3、利用協(xié)同進化計算作為DCMP方法的算法實現(xiàn)工具。在滿足數(shù)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性的基礎(chǔ)上，采用計算智能方法求解各機器人協(xié)作運動子規(guī)劃。DCMP

6、方法充分利用了協(xié)同進化算法的并行計算能力、在優(yōu)化搜索方面的啟發(fā)功能和對約束條件的處理方法，實現(xiàn)了運動路徑的空間一時間綜合優(yōu)化，并解決了其它方法難以實現(xiàn)的多關(guān)節(jié)式機器人動態(tài)約束(如速度約束)問題。 4、從多關(guān)節(jié)自治機器人協(xié)作運動規(guī)劃的特點出發(fā)，討論了基于協(xié)同進化計算的DCMP方法在個體編碼方法、遺傳操作算子、約束條件處理方法、評價函數(shù)計算、以及預(yù)估值的更新計算等方面的具體實現(xiàn)。該算法具有普適的計算框架，適用于各種機器人協(xié)作工作任務(wù)

7、。針對同時啟動不同時終止、同時啟動同時終止和末端距離約束等不同的協(xié)作任務(wù)，給出了不同的處理辦法。最終通過仿真實驗證明算法有效性。 5、本文以浙江大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院智能系統(tǒng)與決策研究所多機器人協(xié)作控制實驗室的多關(guān)節(jié)自治機器人協(xié)作項目為應(yīng)用背景。在DCMP方法基木原理和基于協(xié)同進化計算的算法實現(xiàn)基礎(chǔ)上，針對實際系統(tǒng)的特點，發(fā)展基于DCMP方法的相關(guān)實用技術(shù)。針對高維C空間搜索困難的問題，借鑒路標(biāo)法的降維概念及路標(biāo)點選擇技術(shù)，提高