多机器人协同：算法与应用

基于分布式控制的多机器人协同技术广泛应用于各种复杂和不可预测的任务场景，在工业、军事等多个领域中扮演着重要角色。竞争关系与合作关系，作为群体保持活力的两个方面，在生物与社会等多个领域已被证实具有同等的重要性。本书旨在解决基于竞争和合作的多机器人协同问题，并对此开发、分析了一系列分布式的神经动力学模型，具体而言：对于机器人之间有限通信的分布式合作，构建不同通信拓扑约束下的一致性估计器；对于机器人之间有限通信的分布式竞争，引入赢者通吃算法并进行建模。最后，本书将一致性算法与赢者通吃算法扩展到多机器人的分布式协同领域。 本书可以辅助读者更深入地理解基于竞争和合作的机器人问题解决思路，提供关于神经动力学算法及分布式协同建模的详细介绍，并推动该类方法在解决相关领域具体科学和工程问题中的应用。 本书可作为普通高等学校信息类本科生及研究生的专业教材。

第1章　绪论11.1　机器人运动规划简介及研究内容11.2　机器人分布式合作协同研究现状21.3　机器人分布式竞争协同研究现状4第2章　动态神经网络102.1　优化问题描述及动态神经网络设计102.1.1　线性规划问题102.1.2　二次规划问题112.1.3　非线性规划问题132.1.4　伪凸优化及其他优化问题142.2　动态神经网络的收敛性与稳定性152.2.1　梯度技术152.2.2　投影技术162.3　机器人领域应用研究162.3.1　冗余机器人162.3.2　移动机器人及Stewart并联机器人192.3.3　多机器人系统192.4　k-WTA问题拓展212.4.1　k-WTA问题面向优化问题建模212.4.2　k-WTA问题仿真研究232.5　小结25第3章　基于动态神经网络的机器人运动规划263.1　运动规划问题构建263.2　机器人系统283.2.1　冗余机器人283.2.2　并联机器人283.2.3　柔索驱动机器人293.2.4　移动机器人293.3　面向机器人运动规划的神经网络方法设计293.3.1　前向神经网络313.3.2　递归神经网络333.3.3　对偶神经网络363.3.4　现代控制理论与相关技术373.4　基于k-WTA的多机器人运动规划应用383.5　小结40第4章　基于动态神经网络的多机器人合作协同414.1　问题与方案构建414.1.1　机器人动力学414.1.2　不同性能指标下机器人分布式合作协同方案424.2　基于动态神经网络的求解算法444.2.1　方案转化与算法设计444.2.2　收敛性分析454.3　仿真研究454.3.1　面向固定目标的一致性实现454.3.2　面向时变目标的合作协同474.3.3　基于重复运动指标的合作协同494.3.4　现有方案对比504.4　小结51第5章　基于动态神经网络的多机器人抗扰动合作协同525.1　问题与方案构建525.1.1　机器人运动学525.1.2　问题提出与神经动力学设计525.1.3　不同性能指标下机器人分布式合作协同方案545.2　动态神经网络求解算法及其理论分析555.2.1　用于实时冗余度解析的动态神经网络555.2.2　收敛性与鲁棒性分析565.3　仿真研究585.3.1　面向固定目标的一致性实现585.3.2　面向时变目标的合作协同605.3.3　噪声环境中的合作协同625.3.4　现有方案对比635.4　小结63第6章　基于k-WTA算法的多机器人竞争协同656.1　问题构建656.1.1　差分驱动轮式移动机器人656.1.2　问题描述666.2　有限通信下的动态任务分配676.2.1　基于k-WTA的动态神经网络设计676.2.2　收敛性分析686.3　多机器人分布式竞争协同仿真验证756.4　小结78第7章　鲁棒k-WTA算法及多机器人竞争协同807.1　问题构建与模型设计807.1.1　问题描述807.1.2　k-WTA操作中的平局状态817.1.3　基于神经动力学的k-WTA模型设计817.1.4　现有的k-WTA模型827.2　收敛性与鲁棒性分析837.3　数值仿真验证897.4　多机器人协同应用927.4.1　分布式竞争协同927.4.2　仿真实验947.5　小结99第8章　时变/切换拓扑下基于k-WTA算法的多机器人竞争协同1008.1　问题构建与模型设计1008.1.1　机器人运动学规划1008.1.2　多机器人竞争策略1018.1.3　分布式算法设计1028.2　分布式竞争协同方案构建1058.3　收敛性分析1058.4　仿真研究1088.4.1　现有方案对比1088.4.2　时变拓扑下的协同1098.4.3　切换拓扑下的协同1118.4.4　CoppeliaSim平台的仿真实验1138.5　小结114第9章　分布式时滞k-WTA算法及多机器人竞争协同应用1159.1　问题构建与模型设计1159.1.1　k-WTA算法简化与网络设计1159.1.2　分布式时滞k-WTA网络1179.2　理论分析与证明1179.3　仿真及应用1239.3.1　时滞一致性估计器的数值仿真1239.3.2　多机器人系统的应用1259.4　小结132参考文献133