群體機(jī)器人系統(tǒng)的群集自組織運(yùn)動(dòng)控制.pdf

1、自然界中的生物大多以群集自組織的形式生存，其意義在于通過(guò)增強(qiáng)個(gè)體間的信息交流、共同抵御外來(lái)侵食者、更高的覓食效率以及較低的運(yùn)動(dòng)耗能等群體優(yōu)勢(shì)達(dá)到族群繁衍生息的目的。目前工程中以解決各類(lèi)群集應(yīng)用為目的的多機(jī)器人協(xié)作控制被廣泛探討，然而針對(duì)大規(guī)模、微小尺度的群集系統(tǒng)，現(xiàn)有策略無(wú)法滿(mǎn)足群集運(yùn)動(dòng)中個(gè)體互聯(lián)關(guān)系的隨機(jī)切換、特殊個(gè)體的掉隊(duì)與并入以及在復(fù)雜環(huán)境的多任務(wù)自適應(yīng)等實(shí)際需求，同時(shí)繁冗復(fù)雜的互聯(lián)關(guān)系設(shè)計(jì)將遇到諸如互聯(lián)協(xié)調(diào)失穩(wěn)、交互信息數(shù)據(jù)量爆

2、炸等問(wèn)題而引起群集運(yùn)動(dòng)控制的失效。不同于傳統(tǒng)方法，群集自組織控制策略具有個(gè)體關(guān)系平等且獨(dú)立，無(wú)需一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，且滿(mǎn)足任意個(gè)體添加或刪除等特點(diǎn)，其良好的自適應(yīng)性、冗余性、容錯(cuò)性、且無(wú)由數(shù)據(jù)集中處理帶來(lái)的通信和計(jì)算瓶頸等優(yōu)點(diǎn)，顯示出了適用于火規(guī)模群集運(yùn)動(dòng)控制的優(yōu)勢(shì)。
　　本文以不同尺度的兩類(lèi)群集系統(tǒng)—宏觀智能體系統(tǒng)和微納米機(jī)器人系統(tǒng)為研究對(duì)象，分別建立基于松散偏好行為規(guī)則和磁-流互聯(lián)作用的群集自組織控制策略，并以此探討了群集自組織運(yùn)動(dòng)

3、的同步特性、協(xié)作行為、智能表現(xiàn)以及系統(tǒng)涌現(xiàn)等群集行為特征。將群集自組織運(yùn)動(dòng)分解為系統(tǒng)外統(tǒng)一目標(biāo)下的驅(qū)引行為和系統(tǒng)內(nèi)個(gè)體間的分散行為，以此為研究主線，本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　首先，僅以個(gè)體的兩個(gè)最近鄰為互聯(lián)關(guān)系對(duì)象，建立了二維線（鏈）型互聯(lián)的松散偏好行為規(guī)則。在統(tǒng)一目標(biāo)的作用下，探討基于此規(guī)則的二維群集自組織運(yùn)動(dòng)行為，并通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)三類(lèi)群集運(yùn)動(dòng)實(shí)例:隊(duì)形控制、協(xié)同搬運(yùn)及協(xié)作圍捕。
　　其次，不考慮外部統(tǒng)一目標(biāo)的

4、作用，僅探求個(gè)體間的互聯(lián)關(guān)系對(duì)群集行為的影響，并將松散偏好行為規(guī)則由二維線（鏈）型擴(kuò)展為三維網(wǎng)型互聯(lián)關(guān)系。在基于拓?fù)浠ヂ?lián)關(guān)系的松散偏好行為規(guī)則作用下，通過(guò)改變個(gè)體的初始位置、互聯(lián)關(guān)系、群體數(shù)量等條件系統(tǒng)地分析了群集系統(tǒng)螺旋運(yùn)動(dòng)行為的涌現(xiàn)條件和運(yùn)行機(jī)理。通過(guò)系統(tǒng)中新個(gè)體的并入和舊個(gè)體的脫離使系統(tǒng)達(dá)到自組織互聯(lián)的再平衡，以此提出利用“拓?fù)湎葳濉睂?duì)群集自組織行為的涌現(xiàn)控制。
　　再次，針對(duì)微納米螺旋機(jī)器人系統(tǒng)，考慮一種特殊的群集自組織行

5、為形式—同步群集運(yùn)動(dòng)。忽略個(gè)體間互聯(lián)關(guān)系作用，僅在外部統(tǒng)一磁場(chǎng)的作用下，通過(guò)改進(jìn)制備工藝方法和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模微納米螺旋機(jī)器人在平面上進(jìn)行同步群集運(yùn)動(dòng)，并利用具有個(gè)體差異的群體完成差異化控制和協(xié)作微操作。
　　最后，以微納米機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)載功能實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，通過(guò)建立磁-流互聯(lián)作用關(guān)系解決磁控機(jī)器人在大規(guī)模群集過(guò)程中彼此粘連問(wèn)題，并在外部統(tǒng)一磁場(chǎng)的控制下，探討微納米螺旋機(jī)器人系統(tǒng)在微流道中的三維自組織運(yùn)動(dòng)行為。