群體機(jī)器人路徑構(gòu)形的研究與仿真

　　　隨著計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制理論等學(xué)科的發(fā)展，機(jī)器人學(xué)科也不斷發(fā)展，近些年來，群體機(jī)器人因其獨特的優(yōu)勢成為新的研究熱點。本課題研究的目的就是以分布式群體機(jī)器人覓食任務(wù)為背景，探尋一種分布式群體機(jī)器人路徑的形成機(jī)制。在該機(jī)制中的群體機(jī)器人沒有全局信息，并且只具有簡單的反應(yīng)式行為，通過協(xié)作以自身作為信標(biāo)，在巢穴和食物之間形成一條路徑來完成覓食任務(wù)。本課題研究了兩種機(jī)器人路徑構(gòu)形：鏈?zhǔn)铰窂綐?gòu)形和拓?fù)渚W(wǎng)路徑構(gòu)形。文章的主要研究工作如下：
　　　研究了鏈?zhǔn)铰窂綐?gòu)形的形成機(jī)制、群體機(jī)器人的狀態(tài)和行為、不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，通過仿真實驗驗證了鏈?zhǔn)铰窂綐?gòu)形的有效性，對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出每個根上的鏈數(shù)控制在34條比較合適，搜索多個食物的效率大于搜索單個食物的效率，但是鏈?zhǔn)铰窂綐?gòu)形也存在著不足，在食物眾多的時，路徑會產(chǎn)生“交錯”現(xiàn)象，在有障礙物的環(huán)境中，障礙物的存在會影響機(jī)器人鏈的方向，從而無法形成機(jī)器人路徑。
　　　針對鏈?zhǔn)铰窂綐?gòu)形的不足，給出了拓?fù)渚W(wǎng)路徑構(gòu)形。研究了拓?fù)渚W(wǎng)路徑構(gòu)形的形成機(jī)制、群體機(jī)器人的狀態(tài)和行為、不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，通過仿真實驗驗證了拓?fù)渚W(wǎng)路徑構(gòu)形的有效性，而且在有障礙物的環(huán)境中依然很有效，對拓?fù)渚W(wǎng)路徑構(gòu)形進(jìn)行改進(jìn)，提高了其效率，但是拓?fù)渚W(wǎng)路徑構(gòu)形也有一些不足，存在著“尾巴”和“無效包裹”現(xiàn)象。
　　　將鏈?zhǔn)铰窂綐?gòu)形和拓?fù)渚W(wǎng)路徑構(gòu)形進(jìn)行分析比較，拓?fù)渚W(wǎng)路徑構(gòu)形所形成的機(jī)器人路徑更短，更穩(wěn)定，在食物眾多和障礙物的環(huán)境中更具有優(yōu)勢，而鏈?zhǔn)铰窂綐?gòu)形形成機(jī)器人路徑的速度快于拓?fù)渚W(wǎng)路徑構(gòu)形。
最后，對全文的工作進(jìn)行了總結(jié)，指出了兩種群體機(jī)器人路徑構(gòu)形的一些不足之處，并對下一步的研究方向進(jìn)行了展望。

摘　　要 1
Abstract 2
第一章 緒  論 1
1.1 論文來源 1
1.2 群體機(jī)器人的產(chǎn)生與發(fā)展 1
1.3 群體機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 3
1.4 本課題研究的目的和意義 6
1.5 主要研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 6
1.5.1 主要研究內(nèi)容 6
1.5.2 論文章節(jié)安排及組織結(jié)構(gòu) 7
第二章 群體機(jī)器人鏈?zhǔn)铰窂綐?gòu)形 8
2.1 鏈?zhǔn)铰窂綐?gòu)形的綜述 8
2.2 群體機(jī)器人的狀態(tài)和行為 10
2.2.1 群體機(jī)器人的狀態(tài) 10
2.2.2 群體機(jī)器人的行為 10
2.2.3 群體機(jī)器人狀態(tài)的轉(zhuǎn)變 14
2.3 鏈?zhǔn)铰窂綐?gòu)形的仿真分析 14
2.3.1 無障礙物、單個食物、不同鏈數(shù)的仿真 14
2.3.2 無障礙物、三鏈、不同食物數(shù)目的仿真 16
2.3.3 無障礙物、三鏈、不同步長的仿真 19
2.3.4 有障礙物、三鏈的仿真 20
2.4本章小結(jié) 21
第三章 群體機(jī)器人拓?fù)渚W(wǎng)路徑構(gòu)形 22
3.1 拓?fù)渚W(wǎng)路徑構(gòu)形綜述 22
3.2 群體機(jī)器人的狀態(tài)與行為 26
3.2.1 群體機(jī)器人的狀態(tài) 26
3.2.2 群體機(jī)器人的行為 26
3.2.3 群體機(jī)器人狀態(tài)的轉(zhuǎn)變 27
3.3 拓?fù)渚W(wǎng)構(gòu)形的仿真分析 28
3.3.1 無障礙物、單個食物的仿真 28
3.3.2 無障礙物、多個食物的仿真 31
3.3.3 有障礙物環(huán)境的仿真 32
3.4 拓?fù)渚W(wǎng)形的改進(jìn) 35
3.4.1 以巢穴和食物為中心同時擴(kuò)張 35
3.4.2 拓?fù)渚W(wǎng)加速擴(kuò)張和收縮 36
3.4.3 只有收縮階段 37
3.5 拓?fù)渚W(wǎng)構(gòu)形改進(jìn)的仿真分析 38
3.6 與鏈?zhǔn)铰窂綐?gòu)形的比較 40
3.6.1 無障礙物環(huán)境中的比較 40
3.6.2 有障礙物環(huán)境中的比較 42
3.7 本章小結(jié) 43
第四章  程序?qū)崿F(xiàn) 44
4.1 仿真平臺的簡介 44
4.2 算法實現(xiàn) 46
4.2.1 主要類的簡介 46
4.2.2 算法的流程 47
4.2.3 程序的細(xì)節(jié) 48
4.3 本章小結(jié) 49
第五章  總結(jié)與展望 50
5.1 總結(jié) 50
5.2 展望 50
參 考 文 獻(xiàn) 52
插圖清單 56
表格清單 58
在學(xué)研究成果 59
致　　謝 60