1、覆蓋問題是目前移動機器人與控制學(xué)科研究的前沿課題之一，它反映了機器人移動、感知和協(xié)作之間的關(guān)系。覆蓋問題的本質(zhì)是機器人或機器人團隊利用其移動性將其感知范圍逐步覆蓋整個環(huán)境。在覆蓋過程中，每個機器人個體只利用其所能得到的信息來決策其運動，在多個或群體機器人問題中，則可進一步通過有限的通信獲取其鄰居的信息協(xié)助其自身決策，并在整體上實現(xiàn)覆蓋任務(wù)。研究覆蓋的目的是，發(fā)現(xiàn)機器人模型和任務(wù)本質(zhì)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)機器人個體通過協(xié)作產(chǎn)生整體行為的規(guī)律，并

2、應(yīng)用這些規(guī)律設(shè)計移動機器人系統(tǒng)和解決實際應(yīng)用中的問題。本文對單個、多個和群體移動機器人的覆蓋問題研究了其建模、控制設(shè)計與分析，主要包括以下三個方面： ⑴針對單個機器人的目標(biāo)探測和動態(tài)覆蓋任務(wù)，在理論和算法層次利用其約束運動模型和可達區(qū)進行問題描述和求解。首先建立了移動機器人約束運動模型和傳感器模型用于描述機器人的移動和感知，給出了可達區(qū)定義，即機器人在有限步內(nèi)可能到達的區(qū)域，在此基礎(chǔ)上證明了在七步不同運動模式下多達2k個可達區(qū)的

3、計算可以降為k+1個可達區(qū)的計算，并提出了k步可達區(qū)由k+1個扇形組成的計算算法。基于約束運動模型和k步可達區(qū)，給出了目標(biāo)探測和動態(tài)覆蓋的問題描述和求解。針對目標(biāo)探測問題，定義了可探測區(qū)，即機器人在有限步內(nèi)可能探測到的區(qū)域，并提出了探測目標(biāo)點和最優(yōu)路徑規(guī)劃算法。對于動態(tài)覆蓋問題，采用k步已探測區(qū)表示機器人通過運動已經(jīng)探測到的區(qū)域，提出了動態(tài)覆蓋策略和遞歸算法，并通過仿真結(jié)果驗證了算法覆蓋多邊形環(huán)境的有效性。 ⑵針對多個機器人如何

4、充分利用通信信息完成覆蓋任務(wù)的問題，在算法和應(yīng)用層次提出一種改進市場法實現(xiàn)多機器人覆蓋的任務(wù)分配。針對市場法只根據(jù)本地地圖計算代價的局限性，使用標(biāo)的信息，采用數(shù)據(jù)融合中的Bayes統(tǒng)計方法更新本地地圖，這種改進市場法在連通條件下用以計算原先無法計算的目標(biāo)點代價，并且沒有增加額外的通信量。地圖創(chuàng)建采用帶有占有概率的柵格地圖，同時利用概率論處理不確定性信息，在使用標(biāo)的信息更新地圖時，同樣采用概率方法，從而達到整體方法的一致性。我們還提出用目

5、標(biāo)點切換率這一新指標(biāo)來衡量機器人間的協(xié)作程度。仿真實驗以及實機實驗結(jié)果驗證了本算法優(yōu)于原先的市場法。 ⑶針對群體機器人編隊和覆蓋任務(wù)中機器人缺失和加入情況，在理論和算法層次提出了移動機器人網(wǎng)絡(luò)接力式切換拓撲控制方法，從整體和個體關(guān)系的新角度研究覆蓋問題，形成大規(guī)模機器人群體建模和控制的理論框架。我們首先建立了結(jié)合基于圖論的網(wǎng)絡(luò)拓撲和基于交互動力模型的個體運動模型的移動機器人網(wǎng)絡(luò)模型。對應(yīng)地，控制設(shè)計也分為上述兩個層次：在拓撲層次

6、，通過分析增加和缺失機器人個體對于網(wǎng)絡(luò)拓撲影響，提出具有自愈性和可擴展性的接力式拓撲控制：在個體層次，將拓撲控制轉(zhuǎn)化為基于局部交互的具有分布式特征的個體控制算法。此外，還提出了一套評價控制算法的指標(biāo)體系，包括：連通性、收斂性、自愈性、可擴展性、魯棒性和穩(wěn)定性，表明了在相同恢復(fù)結(jié)果下所提出算法的白愈性比已有算法高，關(guān)于通信連接缺失的魯棒性也較高，在切換拓撲的過程中可以保證網(wǎng)絡(luò)是連通的，并且該算法是收斂的和可擴展的，還給出了具有切換拓撲網(wǎng)絡(luò)