机械专业外文文献翻译-外文翻译---基准分布式控制规律的运动协调非完整的机器人 中文版

在机器人 易。 25 卷 ,第 1 期 ,第 4 号 (8 月 2009 851) 基准、分布式控制规律的运动协调非完整的机器人 你 员 , ,迈克尔 ,阿里 ,级职员、大学学报(自然科学版 ),级职员、科斯塔斯 ,博士学位论文 本文研究 ,问题协调一组完整地机器人。我们开发应用平行和平衡控制律方法采用共识形成。所提出的控制法律是分布在某种意义上 ,他 们 需 要 的信 息 只 有 从邻 近 的 机器 人 。 另 外 , 控制律不依赖于测量或沟通在邻居的信息 ,而是要求测量轴承、光流、时间 ,所有的碰撞可使用视觉传感器。 能添加到这个团队的成员 ,这个方法的有效性控制规律的表现在一群移动机器人。布式协同控制指标 ,基准的控制。 一， 介绍： 多元智能控制的合作已成为一个活跃的部分技术和控制原理研究。主要的潜在的主题 ,这个研究分析和 /或合成的空间分布控制架构可用于运动协调大型群体自主车辆。本研究主要认可的在植绒、队形控制 9、 14、 16、22,31,2、 同步 39,而另一些人关注汇合 ,分布范围、部署 1,5。一个关键的假设在所有的现有文献 ,每车或机器人 (以下简称代理人 )传递它的位置和 /或速度的信息 ,它的邻国。 受社会聚集现象 ,在鸟类鱼 6,30的基础上 ,研究人员在机器人学、控制理论、方法、工具 法对分布式的运动 统之间的协调。两个主要的集体这是自然界中观察到运动运动 ,是相似的圆周运动 (21)。人能解释稳定循环作为一个例子 ,形成共识 ,即个人“到处移动 "。稳 定的平行的形成是另一种形式的活动 ,使个人观点吗“运动” 33。圆形的阵型中观察到的鱼的教育 ,这是在生态学、系谱话题进化生物学 6。 摘要提出一套控制律的协调运动 ,比如平行和圆形结构 ,为一群采用纯局部平面剂。控制规律在的变量 ,如相对距离吗和相关的标题在代理。然而 ,这些参数不容易衡量使用简单和基本的感觉吗能力。这促使改写的控制法律术语的生物测量参数。每个代理可能只有单眼视力和有能力吗测量的基本的视觉的数量 ,如轴承角、光流 (轴承衍生 ),时间和碰撞。修改了控制输入的数量 ,当地估量相当于表达了在当地的身体输入框。 这一变化的坐标系统从全球框架本地框架为我们提供一个更好的直觉上相似在自然的行为进行了。 验证这个理论 ,通过 然 ,在现实中 ,任何控制要求船舶避碰决策形成 ,事实上 ,不能完成避碰。为了提高了实验结果 ,我们提供 回避的团队成员。在这个纸 ,我们表明这两个任务的形成和维持船舶避碰决策可以通过解耦的添加剂在控制律 ,那里的条件 ,为平行圆形的阵型仅仅依靠视觉的参数。 本文是组织如下。在第二部分 ,我们回顾一些重要的工作。一些 背景信息在图理论和相关的数学工具使用本文在第三部分。这个问题的声明第四节中给出。五和六节 ,我们提出控制器稳定的一群移动到平行均衡的圆形结构 ,分别。在第七章 , 我们得到应用 , 从 控 制 的 视 觉 测 量 相 邻 的 代 理 商 。 在 此次 ,能添加到控制律 ,和他们的有效性进行真正的机器人。 二，相关的工作和贡献： 本文的主要贡献是展示简单的控制律和循环达到平行的形成那只需要视觉传感技术 ,即投入上不需要的数量接近之间的交流隔壁的邻居。相比之下 ,工作 17,7,卓荆。 32、33,坟墓等。 35,在那里它假定每个经纪人进入价值观的邻国的位置与速度 ,我们设计的分布式控制规律 ,只使用视觉线索从最近的邻居来实现运动协调能力。 我们的方法在求取控制律的应用被列为一个视觉 像学 41。在觉伺服、特征提取图像和然后控制输入电脑的形象特征。在 8、12,38的基础上 ,运用等全方位的照相机作为唯一的传感器对机器人。在 8和 38,投入产出反馈线性化方法被用来设计控制律 避障。然而 ,他们假定一个特定的垂直的姿势可以全方位相机计算两种轴承和距离。在这项工作中 群。 12,距离测量是不习惯。然而 ,领导利用扩展卡尔曼滤波本地化它的追随者 ,计算了控制输入和引导形成统一潮流。在我们的控制 ,建筑分布 ,我们设计了形成控制器吗基于局部交互类似的药物 14和 22。另外 ,对于我们的基准控制器 ,没有距离测量是必需的。 在 25和 34,圆形的一个 统在低周反复研究。追求他们提出的策略因为每一剂和简单分配需 求来衡量从相关资讯 ,只有一个代理。它也是研究表明 ,形成的大大的系统是广义的多边形。 )相反 ,我们 (25)控制律的设计轴承的非线性函数 ,并作为结果 ,我们的系统收敛到一套不同的稳定平衡点。 三，背景： 在本节中 ,我们会简要评述了一系列重要的概念关于图论和多边形 ,我们使用在这种纸上。 A:图论 一个 (间接 )图克由一个顶点和边。 是一个无序的一对边 G。如果 x,y V(x,y) E,然后 x和 y 表示会相邻 ,或邻居 ,我们表示该写 xy。这个号码每个顶点的邻居的是它的程度。路 jx,y 顶点是一系 列 r + 1截然不同的顶点开始与 x 和 y,最终以连续顶点相邻。如果有任何两个顶点之间的路径图克 ,那是说 ,被连接。 邻接矩阵 (G)=一个间接 )图克是一个对称矩阵的行和列索引和 G,这样看做顶点 , 1 如果顶点我和顶点 j 邻居 , 0。我们假定所有 = 0 所有我。这个度矩阵 D(G)是一个对角线图克用矩阵的行和列索引被 V,(i,i)入口的程度的顶点。 离散型对称奇异矩阵的定义 L(G)= D(G)(G)被称为拉普拉斯 捕 获 吗 许 多 拓 扑 性 质 的 图 形 。 这 个 拉 普 拉 斯 金 属 一 个阵代数的多样性 ,其零值 (即维度的内核 )是平等的连接部件的数目在图。这个 特征值与特征向量这个向量 ,1n =1 ,T。为更多的信息图论、见 13 B：多边形 让 d 1、 n 和 后边和多边形相交 ,就像 一颗闪亮的星星。如果 1,然后由 l。多边形 同的多边形的顶点和边与 n/l 。如果 d = n、多边形 n/n 相当于所有指向相同的位置。如果 d = n/2(n),那么这个多边形的组成两个端点和一条线 ,分之间有一个即使指数在一端与分有一个古怪的指标另一件事。更多信息请定期图表 ,看到 7。 四 ，问题的声明： 考虑一群 n 面剂。每一剂从它的邻居遥感信息。邻居我的代理人 ,那就是 集剂 ,可以“看到”是由经纪人 i。准确的意思“看”澄清后。附近的大小取决于特征传感器的。邻近的关系代理人可以方便地描述为一个连接图克 =(V,E,W)。 图 1(连通性定义 ):连接图克 =(V, E,W)是一个图形组成的 1)一套顶点索引的 V 形的移动代理。 2)一套边缘 E = (j)|i,j V,ij 。 3)一个积极向上的边各边 (j)。 我的邻居的定义 j|i j Vi.。 i.=j|i j Vi. 让 让 个 图 1。每一剂的代表 由 在 v 图 1)。 （ vi v ） 形成了一个身体的框架为 i. 我们代表了所有的速度矢量的堆栈 v = . . . , T 1 . 对于每一剂控制输入的角速度 i。因为它是假定恒单位移动代理速度 ,作用于每一个代理人必须垂直它的速度矢量的力量 ,也就是说 ,每个代理是一种陀螺力 ,这并不会改变 ,因此 ,它的速度 (其动力学能源 )。因此 , 16为每一个代理。 让我们正式定义的形成原因 ,我们打算考虑。 定义 2(并联形成 ):配置中所有的标题的代理商是相同的速度矢量被称为平行排列形成。 值得注意的是 ,在这个定义 ,我们并不认为这个值在约定的速度 ,但只是事实的协议被达成。在平衡、相对距离的代理人确定的形成。另一个有趣的家庭的阵形是平衡的圆形编队。 定义 3(均衡 ):圆形编队的配置在代理相同的圆形的轨迹移动吗和几何中心的代理商是固定的被称为均衡的圆形编队。这样一种形成的形状由一个适当的多边形。 在接下来的章节里 ,我们学习每个形成和设计其相应的分布式控制律。 五，并联形成： 我们的目标是设计控制律所 以 ,这个标题的移动代理达成一项协议 ,例如 ,他们的速度矢量相一致 ,从而导致了以此模式。对于任意连接图克 ,考虑这个拉普拉斯矩阵 l 我们将定义一个措施如下 27, 35: 在总结是全组 (i, j) E, 并 L =L 2n , 2× 2单位矩阵。这个时间导数的 w(v)给出 ( Lv)i 此 ,下面的梯度控制律的保证这潜在的 w(v)减少单调。 0)。 输入 (19)是理想的基准控制输入 ,驱动器一组完整的平面剂成一个平衡的循环形成。 八 ， 实验 , 在本节中 ,我们的结论显示了实验研究圆形和平衡 ,但首先 ,平行描述实验测试床。 机器人 :我们使用一系列的小 26。圣甲虫是 20×22.2 以大量的 8公斤。每个甲虫装备用差分驱动桥中心的长度机器人与 21见图 )。每个甲虫配备了 机载计算机、电力管理无线通信系统 ,。每个机器人的驱动步进电机 ,这让我们模型将它作为一种观点的机器人与独轮车运动学 (8)为其流速范围。线性每个机器人是速度在 秒。每个机器人能够很好关于它的旋转速度的质心低于 s。典型的角速率控制律引起了如下 s。 图 8。 5圣甲虫形式圆形编队从一个 (a)。在 t = 0,机器人的位置与方向随意的开始。 (b)。 t = 2秒。 (c)t = 11秒。 (d)。在 t = 25史、机器人及稳定平衡配置周围一圈半径的 1米 。 (e)- h)。实际的轨迹的机器人和他们的连接图在次之前指定。 (h)。最后配置一个多边形 软件产品 :每个机器人运行相同的模块化的软件与定义接口连接模块通过机器人结构系统的球员 ,包括 11的图书馆这能提供交流和界面的功能。这名球员也提供了一种紧密合作 ,以三维物理仿真环境的露台 ,提供这个强大的能力 ,从代码运行过渡透明在模拟实际硬件硬件。 基础设施 :在实验中 ,能见度的机器人的集合邻居是最主要的问题。利用等全方位的相机似乎是一种自然的解决方案。然而 ,用船上的传感器将实现非常有挑战性。自从本文的重点是没有这异象或 估计问题 ,我们所使用的跟踪系统来解决这个问题和闭塞获得更准确的轴承及 跟踪系统由领导的机器人。标记 8架空相机。这 厘米 ,5定位误差。上面的跟踪系统可以控制算法 ,提出了一种假设的姿势在一个全球的参考帧。这个过程和测量当地 每个机器人基于局部估计它的姿势是全球性的可追踪系统数据和当地的运动 ,使用一个延长卡尔曼滤波器。我们全球治理跟踪信息的 过程但是隐藏的全局的系统机器人 ,因此只提供当前的状态和机器人每个机器人的位置的邻居。用这种方法 ,我们使用跟踪系统代替一个 在所有的实验 ,邻里关系连接图 ,是固定的和杂乱。每个机器人计算视觉测量的 )、 (11)。结论对于每一组的实是由大量的成功试验的支持吗所设计的控制器的有效性。结果在实验中提供的内容。 A:实施船舶避碰决策 事实上 ,任何队形控制要求的避碰 ,确实 ,避碰不能完成的范围。我们的研究表明 ,这两个任务可以解耦添加条款 ,这个条款控制律为 平行和圆形的阵型仅仅依靠视觉信息。 一个 29),(37)的定义是保证船舶避碰决策和凝聚力的形成。从这个人为控制的潜在作用结果在简单的操纵行为称为分离基层组织的凝聚力。潜在的功能 |)是 的距离 ,i和 37。 4(势函数定义 ):是一种潜在的 负作用 |之间的距离的代理商我和 1) 0. 2) 我和 给出的定义 ,支持大量的功能。一个常见的潜在作用显示在图 7。总势函数 ,然后剂 图 9)。 5圣甲虫形式圆形编队从一个 避免碰撞。 (a)t = 0史。 (b)t = 8秒。 (c)t = 20秒。 (d)。 ,t = 36秒、机器人及稳定平衡配置周围一圈半径的 1米。 (a)-(d)。实际的轨迹的机器人及其连接图在纽约时报规定。 v i ),那么我也必须是成正比的消极全部的潜能函数梯度的代理。我 作为一个结果 ,以对 总控制输入并联和平衡的循环包括附加组件 在 是应用控制输入给 (18)对于并联形成或 (19), 如果他们他们的分歧太大。 这个实验的结果为 1)首先 ,我们应用了 19)到一群n = 5机器人 没有考虑船舶避碰决策中。图 8(a)(d)、照片和实际工程实验显示 ,在图 8(e)通过 (h),对应的轨迹 ,它从头顶产生跟踪信息。注意 ,为 货在最后的机器人形态并非是独一无二的 ,这要视情况而定在最初的位置。 因为没有避碰实施实验图 8、的机器人可以成为 可以看出 ,如图 8(b)。然而 ,运用控制输入 (22),可以看出 ,不会发生碰撞这个机器人达到平衡。实际的轨迹 5的机器人 ,这种情况下都显示在图 9)。比较研究的方法 ,潜在的能量系统和无 看见 (21)给出图 10。潜在的能量系统 的计算从通过 (20)。在图 10(一 )与配置在图 8(b),在那里机器人变得太接近另一件事。采用控制输入 (22),潜在的能量这个 见图系统。10(b),与系统的稳定状态的潜在能量整个系统将会减少到最小。 (2):如果每个环拓扑结构的机器人可以“感” ,只有两个机器人在集团、网络拓扑连接图 图 10。值的比较 ,a)控制输入(19)和 (b)控制输入 (22)船舶避碰决策。 成为一个戒指拓扑结构。自从连通图固定、药物需要数。 对 于 n,平衡的术语在控制输入驱动器这个药物进入一个平衡的圆形编队 ,给出了 n/d,d = n/2震荡。这就要求的机器人即使指标保持一侧的直线段和机器人用奇怪的指数留在对方 (不是身体上的可能 )。然而 , 对于 最大的区域平衡的吸引力输入之星的多边形 n/d ,用 d =(n±1 / 2;因此 ,只有两个序的机器人可以在最后的循环形成。图 11显示在我们的试验中 ,机器人稳定的明星多边形 5/3 的时间表。 注 2:当通信图是一种固定、指导图一响 ,i+ 1)/模式 (n),然后 25)。 C。并联形成与固定结构空间限制的 图 11。 5圣甲虫形式圆形编队从一个戒指拓扑结构 ,避免碰撞。 (a)t = 0秒。(b)t = 16秒。 (c)t = 40秒。 (d)。在 t = 80秒 ,这个机器人及稳定平衡结构 ,这是恒星周围稠密时间表的多边形 圆半径的 1米。 (a)-(d)。实际的飞行轨迹和机器人他们在指定的时间图 的连通性。 图 12)。 5圣甲虫 ,从不同的初始取向 ,运用基准控制输入 (18)达到平行的形成。仿真在这个模拟器的露台。 (a)t = 0史。 (b)t = 1秒。 (c)t = 3秒。 (d)t = 7秒。 控制律的并行运动直接在圣甲虫。然而 ,模拟了 ,这是在露台的水温模拟器。准确地反映露台仿真机器人动力学模型和感应能力 ,同时又让评价同样的代码中使用硬件实验。图 12)。显示照片的露台的仿真对一组 5圣甲虫 ,每个应用 (22):应用控制输入加上 九， 结论和未来的工作 ： 中央的 贡献是提供简单介绍基准控制规律和平衡达到平行阵型。当然 ,在现实中 ,队形控制要求船舶避碰决策 ,而事实上 ,避碰没有范围不能做在这里 ,我们已经展示了两个任务可以通过解耦控制方面的添加剂法律术语的形成 ,在控制只取决于视觉信息。 应用控制律的功能如轴承、光流、时间 ,所有的碰撞这可以衡量从图像。只有轴承的测量方法为达到均衡所需的圆形编队 ,而对于类似的形成 ,额外的测量光流和时间冲突被要求我们核实这一理论的有效性虽然 注意 ,当我们一起工作的机器人 ,只有有限的视野 ,直接连通图 (24)来玩。学习运动协调、在耶和华面前主题图是直接沟通的继续工作。 参考 文献 1 M. 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P. “ 18, 2, 199 208, 2002. 你 04009年 )得到学士学位宾夕法尼亚州立大学 ,大学公园 ,在 2003年和博士学位宾西法尼亚大学的工程 ,费城 ,在 2008年。他是与一般的机器人 ,自动化程度高 ,感应 ,感知 (掌握 )实验室 ,宾夕法尼亚大学。他是当前的一个研究公司以科学的系统工程师 ,的研究兴趣包括分布式控制和评价 ,优化和控制网络化的动力系统 ,制的无人的空中和地面车辆。 “ 05迈克尔 2009年 )收到了博士学位在机械工程学位的大学宾西法尼亚州、费城 ,2008年。他是当前的一个研究中心的科学家的把握宾州大学实验室。他现在研究方向 :控制和评价 阿里 03927年 )这个学士学位 (优异 )从谢里夫的大学伊朗德黑兰的技术 ,在 1995年 ,国 1997年 ,博士学位和动态控制系统从 加州理工学院 , 帕萨迪纳 ,2001年。从 2001年 7月到 2002年 7月 ,他是一个博士后研究联想与电机工程耶鲁大学。在七月 2002年 ,他加入了宾夕法尼亚大学、费城、他在哪里与部门副教授电气设备和系统工程和一般的机器人技术、自动化技术、感觉、知觉实验室。他的研究兴趣包括网络科学与合作分布式控制系统中的应用。大大的 办公室的年轻调查员海军研究论文奖 ,最好的学生作为顾问 )奖 (在美国控制会议、乔治· s . 的 “ 902004),“ 92电气工程专业全国科技大学雅典 ,雅典 ,1986年 ,在希腊和博士学位的计算机升入大学的科学 ,卡斯 ,1992年 ,他在德国的。从 1998年至 2003年 ,他是个助理教授宾西法尼亚大学的费城 ,他目前的副教授电脑吗与信息科学以及导演机器人的跨学科的将军 ,自动化程度高 ,感应 ,感知的实验室。他的研究兴趣包括了机器人对空间、运动、对象、应用的位置识别、视频检索、导航、视觉形成全方位的控制异象、引人入 胜的环境。 在网络上。他是这个地 椅子在 2004年的欧洲研讨会 ,国立台湾科技大学电机工程系计算机视觉在计算机视觉和模式识别 ,在 2004年、 2005年、 2006年 ,国际研讨会 ,2007年的计算机视觉。他还在第三次研讨会的副三维数据处理、视觉及传输。