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《大连理工大学》 2015年
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群体机器人系统的群集自组织运动控制

黄天云  
【摘要】:自然界中的生物大多以群集自组织的形式生存,其意义在于通过增强个体间的信息交流、共同抵御外来侵食者、更高的觅食效率以及较低的运动耗能等群体优势达到族群繁衍生息的目的。目前工程中以解决各类群集应用为目的的多机器人协作控制被广泛探讨,然而针对大规模、微小尺度的群集系统,现有策略无法满足群集运动中个体互联关系的随机切换、特殊个体的掉队与并入以及在复杂环境的多任务自适应等实际需求,同时繁冗复杂的互联关系设计将遇到诸如互联协调失稳、交互信息数据量爆炸等问题而引起群集运动控制的失效。不同于传统方法,群集自组织控制策略具有个体关系平等且独立,无需一一对应关系,且满足任意个体添加或删除等特点,其良好的自适应性、冗余性、容错性、且无由数据集中处理带来的通信和计算瓶颈等优点,显示出了适用于大规模群集运动控制的优势。本文以不同尺度的两类群集系统——宏观智能体系统和微纳米机器人系统为研究对象,分别建立基于松散偏好行为规则和磁-流互联作用的群集自组织控制策略,并以此探讨了群集自组织运动的同步特性、协作行为、智能表现以及系统涌现等群集行为特征。将群集自组织运动分解为系统外统一目标下的驱引行为和系统内个体间的分散行为,以此为研究主线,本文的主要工作和创新点如下:首先,仅以个体的两个最近邻为互联关系对象,建立了二维线(链)型互联的松散偏好行为规则。在统一目标的作用下,探讨基于此规则的二维群集自组织运动行为,并通过仿真及实验实现三类群集运动实例:队形控制、协同搬运及协作围捕。其次,不考虑外部统一目标的作用,仅探求个体间的互联关系对群集行为的影响,并将松散偏好行为规则由二维线(链)型扩展为三维网型互联关系。在基于拓扑互联关系的松散偏好行为规则作用下,通过改变个体的初始位置、互联关系、群体数量等条件系统地分析了群集系统螺旋运动行为的涌现条件和运行机理。通过系统中新个体的并入和旧个体的脱离使系统达到自组织互联的再平衡,以此提出利用“拓扑陷阱”对群集自组织行为的涌现控制。再次,针对微纳米螺旋机器人系统,考虑一种特殊的群集自组织行为形式——同步群集运动。忽略个体间互联关系作用,仅在外部统一磁场的作用下,通过改进制备工艺方法和旋转磁场的控制信号,实现大规模微纳米螺旋机器人在平面上进行同步群集运动,并利用具有个体差异的群体完成差异化控制和协作微操作。最后,以微纳米机器人系统的运载功能实现为目标,通过建立磁-流互联作用关系解决磁控机器人在大规模群集过程中彼此粘连问题,并在外部统一磁场的控制下,探讨微纳米螺旋机器人系统在微流道中的三维自组织运动行为。本文的研究表明(1)基于松散偏好行为规则的群集自组织运动控制策略可有效实现大规模群体的协作任务;(2)个体间的互联关系决定了群集自组织运动的螺旋行为涌现的产生,通过“拓扑陷阱”对其控制可有效实现涌现行为的再组织;(3)仅通过外部统一磁场的作用可有效实现微纳米机器人的同步群集运动及协作微操作;(4)磁-流互联作用关系的建立使群体微螺旋在微流道中自组织靶向药物传送成为可能。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TP242

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