文档介绍：申请上海交通大学硕士学位论文
多机器人编队的运动规划
论文作者 柴锐之
学 号 1100329078
指导教师 苏剑波教授
专 业 控制理论与控制工程
答辩日期 2013 年 2 月 18 日
Submitted in total fulfilment of the requirements for the degree of Master
in Control Theory and Control Engineering
Motion Planning for Multi-robot
Formation
R C
Supervisor
Prof. J S
D A, SEIEE
S J T U
S,
Feb. 18th, 2013
上海交通大学硕士学位论文 摘要
多机器人编队的运动规划
摘 要
在实际应用中，许多工作都需要多个机器人的合作才能完成。多机器人系
统具有许多单个机器人所不能具备的优良性质，因而能更好地完成任务，甚至
完成一些单个机器人所不能完成的任务。在多机器人协调任务中，很多情况下
都需要多个机器人组成特定的队形以完成指定任务。近年来，有许多研究工作
致力于研究多机器人的编队控制问题。然而研究多机器人编队的运动规划问
题的文献相对较少，且这些研究成果都针对任务可完成的情况。当任务不可完
成时，这些方法不能将这个不可完成的任务进行转化，使得任务的目标能够完
成。而已有的对不可完成任务进行转化的方法都只能用于单个机器人，并且只
能计算出哪些约束导致了任务不可完成，并不能评价应该如何修改这些约束。
本文研究在存在障碍物的环境中多机器人编队的运动规划问题，以同时满
足整体队形的约束和队形中个体机器人的避障为目标，建立了多机器人队形的
表征空间模型。设计了实现这个模型的分层结构，并分析了在这个模型下编队
任务的约束。综合考察了解决任务的表征空间中规划问题的规划算法，进行了
仿真试验。当任务不可完成时，应用面向任务的运动规划框架对不可完成任务
进行了转化。所进行的研究工作主要分为以下几个方面：
（1）综合了表征空间的概念，明确地提出了表征空间的意义。利用对不
可完成任务进行转化的过程建立了面向任务的运动规划框架。
（2）通过将任务与运动规划相结合，建立了多机器人编队任务的表征空
间模型，用以描述编队任务的完成过程，并提出了实现表征空间模型的层级结
构，保证了整体队形的约束和每个机器人的避障。在此基础上分析了多机器人
编队任务相关的外部约束和内部约束。
（3）为了解决编队任务的表征空间中的规划问题。首先从规划算法的完
备性角度研究了表征空间中编队任务是否可完成。然后从规划算法的优化性角
度研究了表征空间中编队任务的最优性。最后对不同的规划算法的性能进行了
比较和总结，并分析了表征空间中适用的算法。
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多机器人编队的运动规划 上海交通大学硕士学位论文
（4）进行了 7 个机器人组成三角形队形在仓库环境中编队运动的仿真试
验，验证了对于某些不可完成任务，可以通过修改队形形状的约束对不可完成
任务进行转化。还进行了 27 个机器人组成矩形队形的编队运动仿真试验，通
过试验验证了所提出的方法确能保证队形的约束和机器人的避障。并且，当任
务不可完成时，通过应用面向任务的运动规划框架能够通过修改任务相关的约
束逐步对不可完成任务进行转化，同时保证任务的目标能够达成。
关键词：