受扰通信受限移动机器人避撞编队控制方法和系统

技术领域

本发明属于移动机器人控制技术领域，具体涉及一种受扰通信受限移动机器人避撞编队控制方法和系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

机器人(如轮式机器人)在环境监测、目标搜索、农业机械、矿业和军事等领域广泛应用。机器人系统具有快速响应、高机动性、可靠性高和灵活的机械结构等优势。多机器人协同编队控制能够提供单个机器人无法达到的效率、容错性和经济性，实现对目标的高效协同操作。在协同编队中，多机器人系统能够共享环境认知和个体状态信息，根据不同任务和外部环境的约束动态调整编队队形，从而显著提高任务的完成度和执行效率。为了解决多机器人的编队控制问题，采用了各种控制策略，包括基于行为的控制、虚拟结构和领导者-跟随者结构。在这些控制策略中，由于其简单性和可扩展性，领导者-跟随者编队结构更受青睐。

在实际的多移动机器人编队控制中，确保整个系统始终保持稳定运行显然至关重要。在实际情况下，由于存在各种各样的移动机器人，因此存在模型参数不确定性，并且在实际的编队行驶中，会遭受各种未知的外界扰动。因此，为了设计一种能够将这些总体扰动，包括外界扰动和模型参数不确定性，最小化对系统影响的控制策略，变得尤为重要。目前的研究对于单个移动机器人的抗扰动研究相对较为成熟，但大多数多移动机器人编队控制仍然停留在理想的假设条件下，没有考虑到模型不确定性和外界扰动的影响。因此，本专利通过设计扰动估计器来抵消总体扰动，使得编队控制具有更好的鲁棒性。

对于编队控制而言，不仅仅形成最终稳定的编队至关重要，还需考虑在形成最终编队的过程中各个机器人之间的距离和角度。距离或角度过大可能导致机器人之间通信中断或需要更多资源用于通信，距离过小可能导致机器人碰撞，进而使机器人运行轨迹偏离，甚至导致物理损伤影响运行。因此，在编队控制过程中，对机器人之间的距离和角度设置上下限至关重要。然而，目前大多数移动机器人的编队控制并未考虑到这一点。通过采用预设性能技术，本专利确保机器人之间的距离和角度始终保持在可接受的预定范围内。

对于移动机器人的控制策略设计来说，目前的大多数研究使用反步法。反步法指的是一种非线性控制方法，其设计基于李雅普若夫稳定性理论。它通过逐步设计系统的虚拟控制输入，使系统的李雅普若夫函数在每个步骤都逐渐减小，每一步的控制率的设计都要使用到上一步的微分，从而实现系统的稳定。但是当遇到高维度系统时，容易发生微分爆炸的问题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种受扰通信受限移动机器人避撞编队控制方法和系统，本发明使用领导者-跟随者结构，预设性能控制技术和动态表面控制，构建扰动估计器，使得移动机器人在存在扰动的情况下不仅最后能成功完成编队行驶，而且还可以避免碰撞而且时刻保持通信。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种受扰通信受限移动机器人避撞编队控制方法，包括以下步骤：

考虑模型参数的不确定性，以及外界持续的有界扰动，构建多个移动机器人的编队系统模型；

估计由模型参数不准确性和外界扰动共同组成的总扰动；

设定移动机器人编队中第一位虚拟领导者的参考轨迹，根据设定的机器人之间的期望距离和期望角度形成相应的期望编队，根据期望的距离与实际距离，期望的角度与实际的角度构建编队中的距离误差和角度误差；

使用预设性能控制对所构建的距离误差以及角度误差进行限制，使其始终处于相应的预设限制之内，基于李雅普诺夫稳定性原理，根据距离误差和角度误差和估计的总扰动，使用动态表面控制构建抗扰动的编队系统控制器；

利用所述编队系统控制器进行机器人编队控制。

作为可选择的实施方式，构建多个移动机器人的编队系统模型的具体过程包括：构建移动机器人组成的编队系统中各个机器人的坐标位置和机器人与x轴方向所形成的行驶角度、角速度的关系，以及各个扰动和移动机器人之间的关系式。

作为可选择的实施方式，根据移动机器人的速度状态信息和控制输入信息，估计由模型参数不准确性和外界扰动共同组成的总扰动。

作为可选择的实施方式，根据设定的机器人之间的期望距离和期望角度形成相应的期望编队的过程包括：利用机器人之间的通信和控制策略确保每个机器人i能够有效地跟踪其领导机器人，同时保持领导者和跟随者之间的期望距离和期望角度；

使用距离ra

作为可选择的实施方式，使用预设性能控制对所构建的距离误差以及角度误差进行限制的具体过程包括：

设置各机器人避免碰撞的条件为领导者和跟随者形成之间的距离大于最小安全距离；

设置各机器人维持通信的条件为领导者和跟随者形成之间的距离小于维持通信的最大范围；

设置角度约束条件为各机器人中的跟随机器人可以使用静止的视觉传感器以最大角度观察到其领导者。

作为进一步的，对距离误差以及角度误差分别设置上下限，使用预设性能控制方法，将编队误差转换为对数障碍函数。

作为可选择的实施方式，所述机器人为轮式移动机器人，抗扰动的编队系统控制器为：

其中矩阵

φ

表示第i个轮式移动机器人左轮角速度和右轮角速，/>

其中/>

其中/>

一对驱动轮的间距为2L

S

一种受扰通信受限移动机器人避撞编队控制系统，包括：

模型构建模块，被配置为考虑模型参数的不确定性，以及外界持续的有界扰动，构建多个移动机器人的编队系统模型；

估计模块，被配置为估计由模型参数不准确性和外界扰动共同组成的总扰动；

误差计算模块，被配置为设定移动机器人编队中第一位虚拟领导者的参考轨迹，根据设定的机器人之间的期望距离和期望角度形成相应的期望编队，根据期望的距离与实际距离，期望的角度与实际的角度构建编队中的距离误差和角度误差；

控制模块，被配置为使用预设性能控制对所构建的距离误差以及角度误差进行限制，使其始终处于相应的预设限制之内，基于李雅普诺夫稳定性原理，根据距离误差和角度误差和估计的总扰动，使用动态表面控制构建抗扰动的编队系统控制器，利用所述编队系统控制器进行机器人编队控制。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法中的步骤。

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明针对多个轮式移动机器人系统中以往研究对于扰动的忽视或者对与扰动抵消的效果不够好，设计了扰动估计器，能够在控制策略中抵消扰动。

本发明对于目前绝大部分的移动机器人编队控制器没有考虑在形成编队过程中的距离和角度，使用了预设性能控制技术，使得距离和误差在整个过程中始终维持在预设的范围内，从而避免碰撞且维持通信。

本发明通过使用动态表面控制技术，解决了目前大多数使用的反步法的缺陷，避免了可能发生的微分爆炸的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的方法流程图。

图2为轮式移动机器人的结构说明图。

图3为领导者-跟随者编队方法下的一组由领导者机器人和跟随者机器人构成的结构。

图4为轮式移动机器人编队系统在地面坐标系x，y轴方向的按照时间的轨迹示意图。

图5为编队控制中的距离误差e

图6为编队控制中的角度误差e

图7为编队控制中使用本实施例的控制方法和使用文章[1]中的控制方法的平均误差E

图8为左轮的控制输入τ

图9为估计器的状态的

图10为估计器的状态的

图11为机器人1的总扰动

图12为机器人2的总扰动

图13为机器人3的总扰动

图14为机器人4的总扰动

具体实施方式

现结合附图对本发明的多个轮式移动机器人系统的领导者-跟随者的避免碰撞和维持通信的编队抗扰控制方法做进一步说明。

如图2所示，当多个轮式移动机器人编队系统在模型参数不确定性和外界扰动的情况下，通过系统误差和估计出的总扰动，使用预设性能控制技术和动态表面控制技术建立编队控制器，使各轮式移动机器人组成期望的编队运动。该方法包括以下步骤：

步骤一、通过考虑欧拉-拉格朗日系统中的非线性动态系统、外界扰动，系统模型参数不确定性及编队控制输入信号带来的影响，建立多个轮式移动机器人的编队系统的动力学模型：

其中，i＝1,2,…,N表示由N个轮式移动机器人组成的编队系统中的第i个机器人。p

如图2所示，G

因此轮式移动机器人的动态模型也可以用下面的关系表示：

由于轮式移动机器人存在限制，

其中，

本实施例存在两个给定的条件：(1)虽然轮式移动机器人的加速度

步骤二、根据本身的速度状态信息和控制输入信息设计扰动估计器。

构造滤波器如下所示：

β为设计的滤波正参数，其中

并且辅助变量Υ

值得注意的是，变量Υ

步骤三、根据设定的机器人之间的期望距离和期望角度形成相应的期望编队。根据期望的距离与实际距离，期望的角度与实际的角度构建编队中的距离误差和角度误差。包括以下步骤：

S301、构建多个轮式移动机器人的期望编队：

本实施例的主要目标是为多个轮式移动机器人中的各个机器人制定一个控制策略。利用机器人之间的通信和控制策略确保每个机器人i能够有效地跟踪其领导机器人i-1，同时保持领导者和跟随者之间的期望距离和期望角度(i∈{1,2,3,…,n})。第一个机器人的领导者是一个虚拟的机器人，具轨迹为参考轨迹p

θ

其中：

函数θ

S302、构建系统中的距离误差和角度误差：

在以下的定义中，将阐述编队控制中的距离误差和角度误差：

e

e

其中e

步骤四：使用预设性能控制技术对于距离误差以及角度误差进行限制，使它们始终处于预设的限制之内，使用动态表面控制技术设计了抗扰动的编队系统控制器。包括以下步骤：

S401、对距离误差和角度误差进行限制：

一组机器人避免碰撞的条件为ra

其中,

当θ

当θ

设计的参数包括

S402、使用预设性能控制技术对距离误差和角度误差进行转换：

根据预设性能控制理论的原理，将编队中的误差e

其中，

由于障碍函数γ

其中

因此γ

S403、使用动态表面控制技术设计控制器：

引入坐标变换，具体为：

虚拟控制输入δ

其中Γ

其中参数矩阵Γ

步骤五、进行理论性和仿真验证，包含以下步骤：

S501、通过使用李雅普诺夫第二方法构建李雅普诺夫函数，对控制方法的理论稳定性进行验证：

李雅普诺夫候选函数V

其一阶导数可以表示为

其中

J

并且/>

因此得到

因此得到

明显可以得出

所以

且e

1.对于轮式移动机器人编队系统中4个机器人的参数选取：

矩阵参数

系统受到的部分外部扰动为：

d

d

d

d

d

d

d

d

参数z

当-10m≤x

z

当80m≤x

z

当-10m≤x

z

当t<50s：

z2＝1.2,z3＝0.7,z4＝0.5,z5＝0.8,z6＝0.4,z7＝0.3；

当t≥50s:

z2＝1.8,z3＝1.5,z4＝1.1,z5＝1.6,z6＝0.9,z7＝0.8。

在该系统中，给定机器人的长度为2.5m，为了防止碰撞的安全距离定义为ra

预定义的性能函数设为

2.在这个模拟中，轮式移动机器人编队系统中虚拟领导者的参考轨迹p

其中时间常数t

虚拟领导者机器人的初始位置被设定为p

它们的初始速度表示都为v

结果说明：

如图4，显示了轮式移动机器人跟随其领导者的编队运动的轨迹。每个点代表一个轮式移动机器人，并且时间箭头表示特定时刻所有四个轮式移动机器人的位置。

如图5、图6所示，编队控制中的距离误差e

如图7所示，其中

图8展示了左轮的控制输入τ

图9和图10展示了估计器的状态的

图11-图14展示了总扰动

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，本领域技术人员不需要付出创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。