当大量机器人试图到达公共区域时，会发生拥堵，导致严重的延误。为了最大程度地减少机器人群体中的交通拥堵，必须以分散的方式使用交通控制算法。基于旨在最大化共同目标区域吞吐量的策略，我们使用人工潜在领域为机器人开发了两种新颖的算法，以避免障碍和导航。一种算法是通过创建一个队列到达目标区域的启发的（单队列以前-SQF），而另一个使机器人通过使用矢量字段（触摸和运行矢量字段-TRVF）使机器人触摸圆形区域的边界。 。我们进行了仿真实验，以表明所提出的算法受其启发的理论策略的吞吐量，并将两种新型算法与同一问题的最先进算法进行比较（PCC，EE和PCC-EE）。 SQF算法明显优于大量机器人或圆形目标区域半径较小的所有其他算法。另一方面，对于有限数量的机器人，TRVF仅比SQF更好，而对于众多机器人来说，TRVF仅优于PCC。但是，它使我们能够分析当思想从理论策略转移到混凝土算法时对吞吐量的潜在影响，该算法考虑了改变机器人之间的线性速度和距离。

Despite recent progress on trajectory planning of multiple robots and path planning of a single tethered robot, planning of multiple tethered robots to reach their individual targets without entanglements remains a challenging problem. In this paper, we present a complete approach to address this problem. Firstly, we propose a multi-robot tether-aware representation of homotopy, using which we can efficiently evaluate the feasibility and safety of a potential path in terms of (1) the cable length required to reach a target following the path, and (2) the risk of entanglements with the cables of other robots. Then, the proposed representation is applied in a decentralized and online planning framework that includes a graph-based kinodynamic trajectory finder and an optimization-based trajectory refinement, to generate entanglement-free, collision-free and dynamically feasible trajectories. The efficiency of the proposed homotopy representation is compared against existing single and multiple tethered robot planning approaches. Simulations with up to 8 UAVs show the effectiveness of the approach in entanglement prevention and its real-time capabilities. Flight experiments using 3 tethered UAVs verify the practicality of the presented approach.

如果我们给机器人将对象从其当前位置移至未知环境中的另一个位置的任务，则机器人必须探索地图，确定所有类型的障碍物，然后确定完成任务的最佳途径。我们提出了一个数学模型，以找到一个最佳的路径计划，以避免与所有静态和移动障碍物发生冲突，并具有最小的完成时间和最小距离。在此模型中，不考虑障碍物和机器人周围的边界框，因此机器人可以在不与它们相撞的情况下非常接近障碍物移动。我们考虑了两种类型的障碍：确定性，其中包括所有静态障碍，例如不移动的墙壁以及所有动作具有固定模式和非确定性的移动障碍，其中包括所有障碍物，其运动都可以在任何方向上发生任何方向发生概率分布随时。我们还考虑了机器人的加速和减速，以改善避免碰撞的速度。

We propose a decentralized control algorithm for a minimalistic robotic swarm with limited capabilities such that the desired global behavior emerges. We consider the problem of searching for and encapsulating various targets present in the environment while avoiding collisions with both static and dynamic obstacles. The novelty of this work is the guaranteed generation of desired complex swarm behavior with constrained individual robots which have no memory, no localization, and no knowledge of the exact relative locations of their neighbors. Moreover, we analyze how the emergent behavior changes with different parameters of the task, noise in the sensor reading, and asynchronous execution.

我们提出了群生物设计灵感觅食基于蚂蚁信息素的部署，其中假设群有非常有限的能力。机器人不需要全局或相对位置测量和群充分分散，需要在地方没有基础设施。此外，该系统只需要在机器人上的网络单跳通信，我们不做出关于通信图的连通性和信息与计算传输的任何假设是可扩展的与代理的数量。这是通过在群充当觅食让剂或作为导向剂（信标）来完成。我们目前的实验结果计算了ELISA的3个机器人的一个模拟器群，并展示如何在群自行组织了一个未知的环境中解决问题觅食，汇聚成各地的最短路径轨迹。最后，我们讨论这样一个系统的局限性，并提出了觅食的效率如何可以增加。

在自动机器人群的现有文献中，采用的可见性模型具有一些与实际传感设备实现不符的理想主义假设。本文在更现实的可见性模型中调查了这个问题，称为不透明的脂肪机器人，具有纤细的全向相机。机器人被建模为单位磁盘，每个磁盘都具有全向摄像头，表示为尺寸较小的磁盘。我们假设机器人具有指南针，可以在其局部坐标系统的两个轴方向和方向上达成共识。机器人配备了可见的灯光，这些灯光是通信的媒介，也可以用作记忆的形式。我们为相互可见性问题提供了分布式算法，该算法在半同步设置中被证明是正确的。我们的算法还为领导者选举提供了解决方案，我们将其用作主要算法中的子例程。尽管在完整的可见性模型中，领导者选举在两个轴心协议中是微不足道的，但在我们的案例中，这是具有挑战性的，并且具有独立的利益。

我们开发了一种自主导航算法，用于在二维环境中运行的机器人杂乱，其具有任意凸形的障碍物。所提出的导航方法依赖于混合反馈，以保证机器人对预定目标位置的全局渐近稳定，同时确保无障碍工作空间的前向不变性。主要思想在于基于机器人相对于最近障碍的接近设计，在移动到目标模式和障碍物避免模式之间设计适当的切换策略。当机器人初始化远离障碍物的边界时，所提出的混合控制器产生连续速度输入轨迹。最后，我们为所提出的混合控制器的基于传感器的实现提供了一种算法过程，并通过一些仿真结果验证其有效性。

当球体在平面上遵循直线路径时，本文涉及旋转轧制球体的运动规划。由于球体的运动受到直线的约束，因此球体的旋转运动的控制对于收敛到球体的期望配置是必不可少的。在本文中，我们展示了一种基于新的基于几何的规划方法，其基于该非线性系统的全状态描述。首先，提出了运动规划的问题陈述。接下来，我们通过使用Darboux帧运动学开发作为虚拟表面实现的几何控制器。该虚拟表面产生基于弧长的输入，用于控制球体的轨迹。然后，迭代算法旨在调整所需配置的这些输入。模拟验证了所提出的方法的可行性。

合作的任务执行是欧洲社会性的标志，通过代理与环境之间的本地交互通过动态发展的通信信号来实现。受社会昆虫的集体行为的启发，其动力学是由与环境相互作用的调节的，我们表明机器人集体可以通过捕获不稳定成功地对建筑工地进行成核，并合作地建立有组织的结构。相同的机器人集体还可以执行DE-构建，而行为参数的简单更改。这些行为属于沿一个轴的代理商相互作用（合作​​）定义的合作行为的二维相空间，而另一个轴则是代理 - 环境的相互作用（收集和沉积）。我们基于行为的机器人设计方法结合了本地规则的原则推导，使集体能够以鲁棒性解决动态变化的环境和丰富的复杂行为。

本文考虑了非独立多机器人系统的同时位置和方向计划。与仅关注最终位置限制的常见研究不同，我们将非语言移动机器人建模为刚性机构，并引入机器人最终状态的方向和位置约束。换句话说，机器人不仅应达到指定的位置，而且还应同时指出所需的方向。这个问题的挑战在于全州运动计划的不足，因为只需要通过两个控制输入来计划三个州。为此，我们根据刚体建模提出了动态矢量场（DVF）。具体而言，机器人方向的动力学被带入矢量场，这意味着向量场不再是2-D平面上的静态，而是一个动态的，而动态场却随态度角度而变化。因此，每个机器人可以沿DVF的积分曲线移动以达到所需位置，与此同时，姿态角可以在方向动力学之后收敛到指定值。随后，通过在DVF的框架下设计一个圆形向量场，我们进一步研究了运动计划中的避免障碍物和相互企业的避免。最后，提供了数值仿真示例，以验证提出的方法的有效性。

可以部署一组合作的空中机器人，以有效地巡逻地形，每个机器人都会在指定区域飞行，并定期与邻居共享信息，以保护或监督它。为了确保鲁棒性，以前对这些同步系统的作品提出了将机器人发送到相邻区域的情况，以防它检测到故障。为了处理不可预测性并提高确定性巡逻计划的效率，本文提出了随机策略，以涵盖在代理之间分配的领域。首先，在本文中针对两个指标进行了对随机过程的理论研究：\ emph {闲置时间}，这是两个连续观察到地形的任何点和\ emph {隔离时间}之间的预期时间，预期的时间}，预期的时间机器人没有与任何其他机器人通信的时间。之后，将随机策略与添加另一个指标的确定性策略进行了比较：\ emph {广播时间}，从机器人发出消息的那一刻，直到团队的所有其他机器人收到消息。模拟表明，理论结果与模拟和随机策略的表现非常吻合，其行为与文献中提出的确定性协议获得的行为相比。

我们提出并通过实验证明了双层机器人的反应性规划系统，在未开发，具有挑战性的地形上。该系统由低频规划线（5Hz）组成，用于找到渐近最佳路径和高频无功螺纹（300Hz）以适应机器人偏差。规划线程包括：多层本地地图，以计算地形上机器人的拖拉性;任何时间的全向控制Lyapunov函数（CLF），用于快速探索随机树星（RRT *），它会生成一个矢量字段，用于指定节点之间的运动;当最终目标位于当前地图之外时，子目标查找器;和一个有限状态的机器来处理高级任务决策。该系统还包括反应线，以避免在执行路径后用传统的RRT *算法出现的非平滑运动。具有机器人偏差的反应线应对，同时通过矢量字段（由闭环反馈策略定义）消除非平滑运动，其为机器人的步态控制器提供实时控制命令作为瞬时机器人姿势的函数。该系统在Cassie Blue的模拟和实验中进行了各种具有挑战性的户外地形和杂乱的室内场景，这是一个具有20个自由度的双模型机器人。所有实现在C ++中编码了机器人操作系统（ROS），可在https://github.com/umich-bipedlab/clf_reactive_planning_system中获得。

我们研究了一个追求逃避问题，可以将其视为保留游戏的扩展。在游戏中，追随者将尝试与逃避者相交或捕获逃避者，而逃避者可以访问固定的位置，我们将其表示为锚点。这些锚可能是静止的，也可能不是静止的。当追随者的速度与逃避者相比有限且被认为是低的时，我们对追随者还是逃避者的胜利策略感兴趣，或者游戏将吸引。当锚静止时，我们会显示一种算法，可以帮助回答上述问题。这项研究的主要动机是探索运动学和动态约束之间的界限。特别是，可以使用运动问题的解决方案来加快动态约束的搜索问题以及如何离散问题以最好地利用这种关系。在这项工作中，我们表明可以使用几何分支和结合方法来解决固定锚点问题，并且可以扩展方法和解决方案以解决动态问题，而追随者在其中具有动态限制，包括速度，和加速度范围。

双向运动规划与其单向对应物相比，平均地减少计划时间。在单次查询可行的运动规划中，使用双向搜索来查找连续运动计划需要前向和反向搜索树之间的边缘连接。这样的树木连接需要解决两点边值问题问题（BVP）。然而，两点BVP解决方案可能是困难的或不可能计算许多系统。我们提出了一种新的双向搜索策略，不需要解决两点BVP。反向树的成本信息而不是直接连接前向和反向树木，而是用作前向搜索的指导启发式。这使得前向搜索能够快速收敛到可行的解决方案而不解决两点BVP。我们提出了两个新的算法（GBRRT和GABRRT），使用此策略并使用多种动态系统和现实世界硬件实验运行多个软件模拟，以表明我们的算法表现出对现有最先进的方法进行的或更好在快速找到初始可行的解决方案时。

本文着重于影响弹性的移动机器人的碰撞运动计划和控制的新兴范式转移，并开发了一个统一的层次结构框架，用于在未知和部分观察的杂物空间中导航。在较低级别上，我们开发了一种变形恢复控制和轨迹重新启动策略，该策略处理可能在本地运行时发生的碰撞。低级系统会积极检测碰撞（通过内部内置的移动机器人上的嵌入式霍尔效应传感器），使机器人能够从其内部恢复，并在本地调整后影响后的轨迹。然后，在高层，我们提出了一种基于搜索的计划算法，以确定如何最好地利用潜在的碰撞来改善某些指标，例如控制能量和计算时间。我们的方法建立在A*带有跳跃点的基础上。我们生成了一种新颖的启发式功能，并进行了碰撞检查和调整技术，从而使A*算法通过利用和利用可能的碰撞来更快地收敛到达目标。通过将全局A*算法和局部变形恢复和重新融合策略以及该框架的各个组件相结合而生成的整体分层框架在模拟和实验中都经过了广泛的测试。一项消融研究借鉴了与基于搜索的最先进的避免碰撞计划者（用于整体框架）的链接，以及基于搜索的避免碰撞和基于采样的碰撞 - 碰撞 - 全球规划师（对于更高的较高的碰撞 - 等级）。结果证明了我们的方法在未知环境中具有碰撞的运动计划和控制的功效，在2D中运行的一类撞击弹性机器人具有孤立的障碍物。

小型机器人提供对更大的空间的访问空间。这种类型的访问在药物递送，环境检测和小型样品的集合之类的应用中至关重要。然而，有一些任务是不可能使用包括组装和制造的一个机器人，以小规模，操纵微型和纳米物体，以及基于机器人的小规模材料的结构。解决此问题的解决方案是使用一组机器人作为系统。因此，我们专注于可以使用一组小规模机器人实现的任务。这些机器人通常由于其尺寸限制而外部驱动。然而，一个人面临使用单个全局输入控制一组机器人的挑战。我们提出了一种控制算法，以在预定义位置定位蜂拥的各个成员。单个控制输入适用于系统，并以相同的方向移动所有机器人。我们还通过使用不同的长度机器人添加另一个控制模态。电磁线圈系统施加外力并转向毫流。这个毫米可以以各种运动模式移动，如枢轴行走和翻滚。我们提出了两个毫无罗罗波茨的新设计。在第一设计中，磁体放置在主体的中心以减小磁吸引力。在第二种设计中，毫米的长度相同，具有两条额外的腿作为枢轴点。这样，我们在设计中变化分离时可以利用枢轴行走模式的变速，同时保持翻滚模式的速度恒定。本文介绍了一种具有不同长度的N毫米的位置控制的一般算法，使它们从给定的初始位置移动到最终所需位置。该方法基于选择完全可控的领导者。仿真和硬件实验验证了这些结果。

自主驾驶的车辆必须能够以无碰撞的方式在动态和不可预测的环境中导航。到目前为止，这仅是在无人驾驶汽车和仓库装置中部分实现的，在该装置中，诸如道路，车道和交通标志之类的标记结构简化了运动计划和避免碰撞问题。我们正在为类似汽车的车辆提供一种新的控制方法，该方法基于前所未有的快节奏A*实现，该方法允许控制周期以30 Hz的频率运行。这个频率使我们能够将A*算法作为低级重型控制器，非常适合在几乎任何动态环境中导航和避免碰撞。由于有效的启发式方法由沿着目标最短路径铺设的旋转 - 翻译 - 旋转运动运动，因此我们的短期流产A*（staa*）会快速收敛，并可以尽早中止，以确保高而稳定的控制速度。尽管我们的staa*沿着最短路径扩展状态，但它会照顾与环境的碰撞检查，包括预测的移动障碍状态，并返回计算时间用完时找到的最佳解决方案。尽管计算时间有限，但由于最短路径的以下路径，我们的staa*并未被困在拐角处。在模拟和实体机器人实验中，我们证明了我们的控制方法几乎完全消除了碰撞，并且具有改进的动态窗口方法的改进版本，并具有预测性的避免功能。

在移动机器人学中，区域勘探和覆盖率是关键能力。在大多数可用研究中，共同的假设是全球性，远程通信和集中合作。本文提出了一种新的基于群的覆盖控制算法，可以放松这些假设。该算法组合了两个元素：Swarm规则和前沿搜索算法。受到大量简单代理（例如，教育鱼，植绒鸟类，蜂拥昆虫）的自然系统的启发，第一元素使用三个简单的规则来以分布式方式维持群体形成。第二元素提供了选择有希望区域以使用涉及代理的相对位置的成本函数的最小化来探索（和覆盖）的装置。我们在不同环境中测试了我们的方法对异质和同质移动机器人的性能。我们衡量覆盖性能和允许本集团维持沟通的覆盖性能和群体形成统计数据。通过一系列比较实验，我们展示了拟议的策略在最近提出的地图覆盖方法和传统的人工潜在领域基于细胞覆盖，转变和安全路径的百分比，同时保持允许短程的形成沟通。

外部磁场可用于远程控制小尺寸的机器人，使其具有多样化的生物医学和工程应用的候选人。我们表明，我们的磁动毫罗罗布特是高度敏捷的，并且可以执行各种机车任务，例如枢轴行走和在水平面翻滚。在这里，我们专注于控制枢轴行走模式中该毫无米罗罗布特的运动效果。开发了系统的数学模型，派生了运动模型。还研究了机器人运动中扫描和倾斜角度的作用。我们提出了两个控制器来调节枢轴步行者的步态。第一个是比例几何控制器，它决定了Millobot应该使用的正确枢轴点。然后，它基于毫无槌和参考轨迹的中心之间的误差按比例地调节角速度。第二控制器基于梯度下降优化技术，其表示控制动作作为优化问题。这些控制算法使得MilliRobot能够在跟踪所需的轨迹时产生稳定的步态。我们进行一组不同的实验和模拟运行，以确定所提出的控制器在跟踪误差方面的不同扫描和倾斜角度的有效性。这两个控制器表现出适当的性能，但观察到基于梯度下降基于的控制器产生更快的收敛时间，更小的跟踪误差和更少的步数。最后，我们对扫描角度，倾斜角度和步进时间对跟踪误差的影响进行了广泛的实验参数分析。正如我们所预期的那样，基于优化的控制器优于基于几何的控制器。

近年来，移动机器人的安全问题引起了人们的关注。在本文中，我们提出了一种智能的物理攻击，通过从外部观察中学习障碍 - 避免机制，将移动机器人置于预设位置。我们作品的显着新颖性在于揭示具有智能和高级设计的基于物理攻击的可能性，可以带来真正的威胁，而没有对系统动态或对内部系统的访问的先验知识。传统网络空间安全中的对策无法处理这种攻击。练习，拟议的攻击的基石是积极探索受害者机器人与环境的复杂相互作用的特征，并学习对其行为的有限观察中表现出的障碍知识。然后，我们提出了最短的路径和手持攻击算法，以从巨大的运动空间中找到有效的攻击路径，从而在路径长度和活动期间分别以低成本实现了驾驶到陷阱目标。证明了算法的收敛性，并进一步得出了攻击性能范围。广泛的模拟和现实生活实验说明了拟议攻击的有效性，招呼未来对机器人系统的物理威胁和防御的研究。