一种电子干扰下移动机器人群体协同避障方法

技术领域

本发明涉及移动机器人控制领域，其具体涉及移动机器人协同编队轨迹跟踪控制以及避障的问题。

背景技术

近些年来，多辆移动机器人协同作业在军事上，工业上，农业上已经被广泛的探索研究。其中，多辆移动机器人的轨迹跟踪和避障控制是尤为关键的任务。此外，移动机器人之间的连续通信会占用大量资源和耗费大量能量，因此基于事件触发的通信方式是国内外研究的重要方向之一。同时，如何在电子干扰下降低物理参数测量误差带来的影响是移动机器人在实际场景应用必须考虑的问题。

因此，有相关专利研究了上述功能的部分实现。在专利CN114063621A提出了一种基于移动机器人分布式跟踪与避障控制方法，主要贡献在于发明了利用了领导跟随者编队方式和人工势场法的避障跟踪控制方法，但该方法没有考虑机器人协同控制问题，也没有考虑物理参数的测量误差和事件触发等问题。专利CN110262486A则提出了一种自适应事件触发的移动机器人匀速直线编队控制方法，主要贡献在于通过对移动机器人非线性模型进行线性化，结合采用事件触发机制的外部信号观测器，构建了完全分布式自适应控制器，但该方法未研究没有考虑避障与物理参数不确定等情形。

针对上述问题，目前没有研究或者专利技术能够实现在电子干扰下能够避免连续通信的移动机器人协同避障跟踪控制方法，因此设计一种电子干扰下移动机器人群体协同避障控制方法势在必行。

发明内容

本发明旨在避免连续通信、有效去除电子干扰下参数测量误差的影响后，实现移动机器人分布式协同避障跟踪功能，因此提供了一种电子干扰下移动机器人群体协同避障控制方法。为了实现这一目标，本发明采用了改进的人工势场法、事件触发估计器、投影型自适应律、并结合李雅普诺夫稳定性理论，设计了基于事件触发估计器的移动机器人协同跟踪避障控制律。该方法降低了用于通信的能耗，在电子干扰下实现了协同跟踪以及避障两个基本功能，弥补了现有控制方法的不足之处，提高了系统的性能和可靠性。

1.本发明中，考虑n个非完整移动机器人，其序号分别为1，...，n；非完整移动机器人的动力学方程可以用欧拉-拉格朗日方程表示如下：

其中：

其中，(x

并且移动机器人受到非完整性限制，即有下列方程成立：

由(1)和(3)可知：

将公式(2)右乘以

由(1)的导数可知：

将上式代入(5)中，(5)式变化成如下方程：

令

因此本发明中研究的被控对象方程如下

2.本发明中，基于1设计了一种利用改进人工势场避障的事件触发编队估计器，具体设计过程如下：

首先，本文中的事件触发编队估计器具体如下所示：

其中：

上述中，p

并且满足|v

同时，上述的事件触发时刻

其中，

其中，

不难证明，根据(11)中触发条件，有：

其次，本文提到的改进人工势场法主要由两部分构成，分别为斥力场和旋转势场，具体相关数学表示如下：

斥力场的方程表示如下：

其中，k

同时，为了防止轨迹跟踪驱动力和斥力的作用相互抵消，机器人陷入局部最小值中，因此引入如下旋转势场：

其中，k

根据上述势场函数，分别可以得到对应的力如下：

斥力的表达式为：

旋转力的表达式为：

并且，定义其合力为：

且满足|F

3.本发明中，轨迹跟踪控制器设计过程如下：

首先，考虑到由于电子干扰带来的测量不确定性和建模不确定性，式(8)可变为：

其中H

其次为了状态量相互耦合造成的计算困难，此处，本发明进行如下的坐标系转化：

其中：

x

h

其中，ξ

然后，定义局部跟踪误差如下：

其中，e

对e

设置虚拟控制器为：

其中，k

对z

然后，利用径向基网络RBF对上式进行逼近拟合，(27)变为：

其中，

本发明中的控制输入为：

其中，k

4.本发明中，针对电子干扰造成的未知参数，分别对运动学和动力学的方程的未知参数进行估计，具体过程如下：

首先，设计关于运动学方程中的参数的估计，定义一个辅助矩阵Ξ

其中，l

定义参数估计误差为

因此，本发明中，引入如下一个不连续的映射自适应律：

其中，γ

并且

①当||b(0)||≤a时，在任意时刻t≥0，b(t)≤a+ε

②(b

其次，设计关于动力学方程中参数的估计，由于H

令

随后，定义一个辅助矩阵Ξ

其中l

(29)式的解为：

其中

根据(25)式，参数

其中，γ

5.本文针对设计的控制器进行稳定性分析，本发明中选定的Lyapunov函数为：

V＝V

选择

代入虚拟控制量后有：

根据

选择

因为

因此有V

选取

对V

代入(10)式后有：

根据杨氏不等式有：

其中

选取

对P

[P

P＝diag{P

Q＝P(L+B)+(L+B)P

对其求导有：

因为z

其中上式中相关向量表示如下：

e

e

且

所以，(35)式中的相关变量变化如下：

z

其中，Δ为和L矩阵相同行列数的矩阵，其i行j列的值为Δ

所以V

同理，V

根据事件触发条件有

因此，V的导数为：

因此，本发明中的轨迹跟踪避障控制器能够保证跟踪误差和协同误差一致最终有界；同时，因为移动机器人系统状态一致有界，所以Y

附图说明

图1为基于事件触发的移动机器人协同避障控制器结构框图

图2为移动机器人在二维平面上的避障效果图

图3为多移动机器人分别在左右轮的力矩图

图4为多移动机器人分别在不同k

图5为事件触发图

具体实施方式

以下将结合附图及实施方式对本发明进一步详细地解释说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了本领域人员可以更好地理解本发明的实施，本发明将运用Matlab软件进行移动机器人编队跟踪控制的仿真以验证其可靠性。我们考虑了三辆移动机器人编队的情况。

移动机器人的质量m＝2kg，其他移动机器人的相关参数设定为a＝0.04m，r＝0.06m，d＝0.6。

三辆移动机器人的初始位置和速度状态如表1所示：

每辆移动机器人相对于编队中心的期望位置表示为：

[ρ

[ρ

[ρ

移动机器人的领航者的轨迹设置为p

当移动机器人编队在所提出的控制器下编队运行时，相应的通信连接矩阵设计为：

同时，三辆移动机器人距编队中心的位置均按照预定的队形设置完毕，在控制输入下进行协同运行；在满足闭环系统稳定有界的前提下，控制器中的常量参数分别设定为：k

结果表明，相较于时间触发机制，本文中的事件触发通信机制实现了间断通信和编队功能；同时，本文设计的协同避障控制器使得机器人能够协同避开多个障碍物，有效地抵抗了电子干扰，并且通过对避障控制器的参数k

最后说明，本发明未详细解释该领域技术人员公认常识，以上所述仅为本发明的一个具体实施案例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。