一种多轮式机器人系统的动态分布式控制方法技术方案

本发明专利技术提出一种多轮式机器人系统的动态分布式控制方法，包括：获取个体轮式机器人的当前时刻的绝对位置、朝向角度，个体轮式机器人的邻居轮式机器人的当前时刻的绝对位置、朝向角度，以及二者当前时刻的相对位置；获取多轮式机器人系统通讯拓扑图的邻接矩阵与拉普拉斯矩阵；根据多轮式机器人系统通讯拓扑图的拉普拉斯矩阵，确定满足系统交会条件的动态分布式控制器参数矩阵；根据动态分布式控制器输入，确定个体轮式机器人下一时刻外界控制输入量；根据获取及确定的参数控制个体轮式机器人。本发明专利技术保证多轮式机器人系统间进行有向信息传递且信息来源于不同类的传感器时，可使用动态分布式控制器达到交会目的。

A DYNAMIC DISTRIBUTED CONTROL METHOD FOR MULTI-WHEEL ROBOT SYSTEM

The invention provides a dynamic distributed control method for a multi-wheeled robot system, which includes acquiring the absolute position and orientation angle of the individual wheeled robot at the current moment, the absolute position and orientation angle of the neighbor wheeled robot at the current moment of the individual wheeled robot and the relative position of the two at the current moment, and acquiring the neighbor of the communication topology diagram of the multi-wheeled robot system. Based on the Laplacian matrix of the communication topology of the multi-wheeled robot system, the parameter matrix of the dynamic distributed controller satisfying the intersection condition of the system is determined; according to the input of the dynamic distributed controller, the external control input of the individual wheeled robot at the next moment is determined; and the individual wheeled robot is controlled according to the acquired and determined parameters. The invention ensures that dynamic distributed controller can be used to achieve rendezvous when directed information is transmitted between multi-wheel robot systems and the information comes from different kinds of sensors.

【技术实现步骤摘要】
一种多轮式机器人系统的动态分布式控制方法
本专利技术涉及轮式机器人控制
，特别涉及一种多轮式机器人系统的动态分布式控制方法。
技术介绍
目前，多轮式机器人系统的动态分布式协调控制方法在实际问题中得到了越来越广泛的应用。这主要是由于实际应用任务需要多个轮式机器人配合完成，不仅可以完成更复杂的任务，而且可以提高工作效率。由于个体轮式机器人的感知范围有限，分布式控制器可以更好的解决问题。然而，现有的多轮式机器人系统协调控制方法都需要很多的期望假设条件，如系统通讯拓扑图是无向图，轮式机器人状态信息来源相同且可以观测以及使用积分器作为轮式机器人模型等。但是实际作业过程中，轮式机器人间的通讯往往是具有方向的，单个轮式机器人模型也具有欠驱动特性，同时其某些状态信息来源多样或不可测量，因此，现有的静态分布式控制器通常不能很好的解决多轮式机器人系统在实际应用场景中遇到的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一。为达到上述目的，本专利技术提出一种多轮式机器人系统的动态分布式控制方法，包括以下步骤：A：获取个体轮式机器人的当前时刻的绝对位置、朝向角度，所述个体轮式机器人的邻居轮式机器人的当前时刻的绝对位置、朝向角度，以及所述个体轮式机器人和所述个体轮式机器人的邻居轮式机器人的当前时刻的相对位置；B：获取所述多轮式机器人系统通讯拓扑图的邻接矩阵与拉普拉斯(Laplacian)矩阵；C：根据所述多轮式机器人系统的Laplacian矩阵，确定满足系统交会条件的动态分布式控制器参数矩阵；D：根据所述动态分布式控制器输入，确定所述个体轮式机器人下一时刻外界控制输入量；E：根据所述个体轮式机器人的当前时刻的绝对位置、朝向角度，所述个体轮式机器人的邻居轮式机器人的当前时刻的绝对位置、朝向角度，以及所述个体轮式机器人和所述个体轮式机器人的邻居轮式机器人的当前时刻的相对位置，所述多轮式机器人系统的邻接矩阵与Laplacian矩阵，所述满足系统交会条件的动态分布式控制器，所述依据动态分布式控制器输入确定的所述外界控制输入量控制所述个体轮式机器人。在本专利技术的一个实施例中，所述步骤B具体包括：如果所述个体轮式机器人i可以获得所述邻居轮式机器人j传输的信息，那么多轮式机器人系统通讯拓扑图的邻接矩阵A对应第i行第j列参数aij为大于0的数值；如果所述个体轮式机器人i不可以获得所述邻居轮式机器人j传输的信息，则所述邻接矩阵对应位置的参数为0。所述多轮式机器人的系统拓扑图的所述Laplacian矩阵为其中在本专利技术的一个实施例中，所述步骤C动态分布式控制器具有如下形式：其中，ui(t)，vi(t)分别为控制器的输入与内部状态变量，pi(t)为所述个体轮式机器人i的绝对位置信息，pj(t)-pi(t)为所述邻居轮式机器人的相对位置信息，M,N,V,H,S,R,L,K为所述动态分布式控制器相应维数的增益矩阵。所述增益矩阵参数确定过程主要包括一下两个步骤：C1：根据所述多轮式机器人系统的Laplacian矩阵LG，进行许尔(Schur)变换其中F＝[1χ1]，rT，1分别为LG的零特征根对应的左、右特征向量，确定出所述上三角矩阵Δ＝χ2LGχ1；C2：根据所述动态分布式控制器增构造当所述A,B增益矩阵满足赫尔维兹(Hurwitz)的条件时，确定所述对应的动态分布式控制器。在本专利技术的一个实施例中，所述步骤D根据所述个体轮式机器人i的动态分布式控制器输入ui(t)＝[uxi(t),uyi(t)]T，可使用两种方法确定其外界控制输入[υi(t),ωi(t)]T，具体包括：D1：使用反馈线性化将欠驱动模型转换为构造所述动态分布式控制器使用的积分器模型，并依据转换关系确定所述外界控制输入[υi(t),ωi(t)]T，其中D2：针对欠驱动模型，将所述个体轮式机器人的位置与角度控制过程分为两个阶段，首先由确定线速度υi(t)与期望角度θdi(t)，其次由确定角速度ωi(t)，其中在本专利技术的一个实施例中，根据所述个体轮式机器人的当前时刻的绝对位置、朝向角度，所述个体轮式机器人的邻居轮式机器人的当前时刻的绝对位置、朝向角度，以及所述个体轮式机器人和所述个体轮式机器人的邻居轮式机器人的当前时刻的相对位置，所述多轮式机器人系统通讯拓扑图的邻接矩阵与Laplacian矩阵，所述满足系统交会条件的动态分布式控制器，所述依据动态分布式控制器输入确定的所述外界控制输入量，依据以下公式对所述个体轮式机器人的位置与角度进行控制：根据本专利技术实施例的多轮式机器人系统的动态分布式协调控制方法，通过确定个体轮式机器人符合多轮式机器人系统交会条件的对应动态分布式控制器，进而确定出个体轮式机器人外界输入控制个体轮式机器人的位置与方向变化，保证多轮式机器人系统可以达到交会目标，完成复杂任务。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本专利技术一个实施例的一种多轮式机器人系统的动态分布式控制方法流程图；图2为根据本专利技术一个实施例的多轮式机器人系统的示意图；以及图3为根据本专利技术一个实施例的个体轮式机器人模型的示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。此外，在本专利技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本专利技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本专利技术的实施例所属
的技术人员所理解。图1为根据本专利技术一个实施例的一种多轮式机器人系统的动态分布式控制方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：步骤S101，获取个体轮式机器人的当前时刻的绝对位置、朝向角度，所述个体轮式机器人的邻居轮式机器人的当前时刻的绝对位置、朝向角度，以及所述个体轮式机器人和所述个体轮式机器人的邻居轮式机器人当前时刻的相对位置。其中，个体轮式机器人的邻居轮式机器人指的是，有信息流向该轮式机器人的所有其他轮式机器人的集合。图2为根据本专利技术一个实施例的多轮式机器人系统的示意图，如图2所示，个体轮式机器人3为个体轮式机器人1的邻居，而个体轮式机器人2和4不是个体轮式机器人1的邻居。具体地，可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多轮式机器人系统的动态分布式控制方法，其特征在于，包括以下步骤：A：获取个体轮式机器人的当前时刻的绝对位置、朝向角度，所述个体轮式机器人的邻居轮式机器人的当前时刻的绝对位置、朝向角度，以及所述个体轮式机器人和所述个体轮式机器人的邻居轮式机器人的当前时刻的相对位置；B：获取所述多轮式机器人系统通讯拓扑图的邻接矩阵与拉普拉斯(Laplacian)矩阵；C：根据所述多轮式机器人系统通讯拓扑图的Laplacian矩阵，确定满足系统交会条件的动态分布式控制器参数矩阵；D:根据所述动态分布式控制器输入，确定所述个体轮式机器人下一时刻外界控制输入量。E：根据所述个体轮式机器人的当前时刻的绝对位置、朝向角度，所述个体轮式机器人的邻居轮式机器人的当前时刻的绝对位置、朝向角度，以及所述个体轮式机器人和所述个体轮式机器人的邻居轮式机器人的当前时刻的相对位置，所述多轮式机器人系统通讯拓扑图的邻接矩阵与Laplacian矩阵，所述满足系统交会条件的动态分布式控制器，所述依据动态分布式控制器输入确定的所述外界控制输入量控制所述个体轮式机器人。

【技术特征摘要】
1.一种多轮式机器人系统的动态分布式控制方法，其特征在于，包括以下步骤：A：获取个体轮式机器人的当前时刻的绝对位置、朝向角度，所述个体轮式机器人的邻居轮式机器人的当前时刻的绝对位置、朝向角度，以及所述个体轮式机器人和所述个体轮式机器人的邻居轮式机器人的当前时刻的相对位置；B：获取所述多轮式机器人系统通讯拓扑图的邻接矩阵与拉普拉斯(Laplacian)矩阵；C：根据所述多轮式机器人系统通讯拓扑图的Laplacian矩阵，确定满足系统交会条件的动态分布式控制器参数矩阵；D:根据所述动态分布式控制器输入，确定所述个体轮式机器人下一时刻外界控制输入量。E：根据所述个体轮式机器人的当前时刻的绝对位置、朝向角度，所述个体轮式机器人的邻居轮式机器人的当前时刻的绝对位置、朝向角度，以及所述个体轮式机器人和所述个体轮式机器人的邻居轮式机器人的当前时刻的相对位置，所述多轮式机器人系统通讯拓扑图的邻接矩阵与Laplacian矩阵，所述满足系统交会条件的动态分布式控制器，所述依据动态分布式控制器输入确定的所述外界控制输入量控制所述个体轮式机器人。2.根据权利要求1所述的一种多轮式机器人系统的动态分布式控制方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：所述个体轮式机器人的绝对位置信息以及所述个体轮式机器人与其所述邻居轮式机器人的相对位置信息，来源于不同类的传感器。3.根据权利要求1所述的一种多轮式机器人系统的动态分布式控制方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：所述多轮式机器人系统的通讯拓扑图是含有生成树的有向图，若个体轮式机器人i可以获得其邻居轮式机器人j传输的信息，那么所述系统邻接矩阵对应第i行第j列参数aij为大于0的数值；若所述个体轮式机器人i不可以获得其所述邻居轮式机器人j传输的信息，则所述邻接矩阵对应位置aij的参数为0。所述多轮式机器人系统拓扑图的Laplacian矩阵其中4.根据权利要求1至3中任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟德元，丁晓璐，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11