面向动态任务合作的空地异构多机器人自主规划研究

In recent years, heterogeneous multi-robot cooperative research has been widespread concerned. When heterogeneous robots cooperation is considered, such as the aerial and ground robots, because of their heterogeneous movement capacity, constraints, and roles between them, a feasible path planning technology is urgently needed. However, the existing path planning technology usually only adapts to a single robot or homogeneous multi-robots. The proposal focuses on heterogeneous air-ground robot cooperation on dynamic task, will investigate such problems from the multi-task optimal assignment, path planning modeling, movement primitives library, to autonomous planning and other issues. In the proposal, a single, Asymmetric, Traveling Salesman Problem is first taken for optimal allocation on tasks for heterogeneous robots. Then, path planning is formulated as concentrating on heterogeneous constraints. Next, the dynamic movement primitives are extracted from the previous formulation so as leading to movement primitives library. Finally, the air-ground heterogeneous robots can generate their trajectories autonomously based on the library which can update online synchronously. This proposal break a new path for the study of path planning of heterogeneous multi-robot systems, provide a feasible path planning method for ground robot as well as aerial robots that contribute to the dynamic task cooperation, and has great theoretical significance as well as application value.

近年来,异构多机器人合作的研究得到了广泛关注。例如地面机器人与空中机器人合作时，因各成员存在运动能力、约束、分工等差异，目前缺少可行的路径规划技术，主要因为现有方法通常只适用于单个机器人或同构多机器人的路径规划问题。本课题针对空地异构多机器人在动态任务合作下的路径规划问题，主要研究多机器人在合作过程中的多任务优化分配、路径规划建模、运动基元库构建、自主规划等问题。本课题首先采用非对称旅行商问题模型为异构机器人系统优化分配任务，然后分析异构系统约束为异构机器人建立路径规划模型，并依此模型分别为地面机器人和空中机器人提取动态运动基元和建立运动基元库。最后，空地异构机器人在运动基元库的基础上实现自主规划和运动基元库的在线更新。该课题为异构多机器人系统的路径规划问题研究提供了新视角，为动态任务合作中地面机器人的自主运动和空中机器人的自主飞行提供了可行的路径规划方法，具有较高的理论意义和应用价值。

空地异构机器人系统指的是由空中无人飞行器和地面自主机器人组成的一类异构自主系统。由于异构机器人系统的各组成部分具有不同的运动能力、运行载荷、续航时间等特点，系统各部分在相互协作完成共同任务时必须考虑差异和各部分的优势。这类机器人在持续监测、敌情侦察、地质勘探、灾地救援等领域具有重要的应用前景。本课题主要研究空地异构机器人系统的路径规划问题。将异构机器人系统的任务设定为一系列需要访问的任务点，要求计算出异构机器人系统各组成部分各自的运动轨迹和具体的运动规律。主要研究内容包括四个层次：一是无人飞行器和地面机器人的多任务优化分配；二是动态任务合作中异构机器人分布式路径规划；三是空地异构机器人系统动态运动基元库的建立；四是基于动态运动基元库的异构机器人在线自主规划；最后基于上述研究开展仿真与实际实验验证。.项目执行期间获得了多项成果，大致可分为以下四类：一是提出了一种异构机器人系统多任务优化分配方法；二是建立了一系列的空地异构机器人系统路径规划模型，并采用凸优化或智能优化算法进行求解；三是提出了连续动态运动基元、动态运动基元库的建立方法，并基于提出的方法实现了机器人系统的自主规划；四是开发了异构机器人系统实验平台，设计了无人飞行器的自主控制系统，完成了相应的软件开发。上述研究成果为空中机器人与地面机器人完成合作监视与搜索、目标识别与跟踪、险情救援等高级任务提供理论基础和技术保障，为提高机器人的智能性以及最终实现人机共融的未来梦想奠定基础。