一种基于分离式超声波的移动机器人编队跟踪控制方法技术

技术编号:21246215 阅读:49 留言:0更新日期:2019-06-01 06:53
本发明专利技术公开了一种基于分离式超声波的移动机器人编队跟踪控制方法,包含步骤:步骤(1):建立单个移动机器人的运动学模型;步骤(2):建立n个移动机器人编队动态数学模型;步骤(3):建立分离式超声波获取相对位姿的模型并推导出相对位姿的计算公式;步骤(4):从编队跟踪控制的实际问题出发,结合所述相对位姿的计算公式设计出使编队跟踪误差渐近收敛的控制规律;步骤(5):选取移动机器人参考路径,设置移动机器人参数与控制器参数,根据所述控制规律实现移动机器人的编队跟踪控制。本发明专利技术从实际应用角度出发,给出了一种分离式超声波获取位姿信息的方法,并设置实际可行的控制器,达到移动机器人编队跟踪控制误差渐近收敛的目标。

A Formation Tracking Control Method for Mobile Robots Based on Separated Ultrasound

The invention discloses a formation tracking control method for mobile robots based on separated ultrasonic wave, which includes steps: (1): establishing a kinematic model of a single mobile robot; step (2): establishing a dynamic mathematical model of n mobile robots formation; step (3): establishing a model for acquiring relative pose by separated ultrasonic wave and deriving a formula for calculating relative pose; and step (4): Starting from the practical problems of formation tracking control, a control law is designed to make formation tracking error converge asymptotically according to the calculation formula of relative position and posture. Step 5: Select the reference path of mobile robot, set parameters of mobile robot and controller, and realize formation tracking control of mobile robot according to the control law. From the point of view of practical application, the invention provides a method for obtaining position and attitude information by separated ultrasonic wave, and sets up a practicable controller to achieve the goal of asymptotic convergence of formation tracking control error of mobile robots.

【技术实现步骤摘要】
一种基于分离式超声波的移动机器人编队跟踪控制方法
本专利技术涉及移动机器人的编队控制领域,具体针对领导者跟随者编队方式中需要保持机器人之间运行的相对位姿,提出了一种基于分离式超声波的移动机器人编队跟踪控制方法。
技术介绍
近几十年,随着科技的不断进步,生产生活中自动化智能化的程度不断提升,因此也激起了科研爱好者在这方面的不断探索,其中移动机器人就是这个领域中的一颗璀璨的星。从20世纪60年代斯坦福大学研究所的SHAKEY,70年代末期美国斯坦福大学和MIT合作的ALV研究,90年代后期CMU的NAVLAB移动机器人系统,移动机器人技术已经有了很大进步。现在,用于家庭清洁扫地机器人,服务于工厂中的AGV牵引车,用于太空探索的月球车等一系列移动机器人技术的产物逐渐出现在人们的视野。移动机器人由于其本身能独立完成某项任务的能里,今后必然会在生产生活中发挥巨大的作用。例如太空探测,海洋探测,工业矿井探测这些由人类去完成危险程度很大甚至无法完成的任务,有了机器人的参与都将更好更快更安全地去完成。在有些大型的任务中,由于任务本身的复杂性,单个机器人由于自身能力有限,单独完成任务往往需要更多的时间和成本,而多个移动机器人互相合作,更高效,同时也具备更大的容错率。控制移动机器人之间的良好协作关系,保证其在工作工程中稳定高效地完成每个任务,首要前提就是设计一种编队控制策略。编队控制的目标是设计控制器使得多个机器人能保持一个既定的编队几何形状,并能按预期完成任务。典型的编队控制方法有:基于行为控制、虚拟构造控制和领导者跟随者控制。每种方法都有其优缺点,而由于领导者跟随者编队控制方法的简单和易扩展性,本文使用该编队方法。在这种方法中,要求跟随者始终和领导者保持一定的位姿关系,因此相对位姿状态的获取和相对位姿状态的保持控制成为这个控制过程中关键环节。移动机器人相对位姿信息的获取常见的有如下几种方式:(1)使用GPS获取全球位置坐标,并通过通信传递双方的位置信息,进而计算出相对位姿信息;(2)使用双目视觉获取周围环境图像信息,通过摄像机标定技术、图像匹配技术使用三角原理计算出相对位姿信息;(3)使用雷达循环扫描周围环境,通过计算发送接收时差获取相对位姿信息;(4)使用超声波模组发送超声波,超声波接收部分接收超声波,通过计算时差进而计算出相对位姿信息。在这些技术中,各有各的优缺点,其中GPS只能在室外使用,而且精度较低;图像虽然能获取丰富的信息,但是算法实现难度大,并且易受环境影响;而雷达的成本较高并且循环一次扫描的周期较长,实时性较差。而超声波具有成本较低,环境适应能力较强(超声波不受光线以及室内外等因素影响),能够弥补GPS和图像获取相对位姿信息中存在的不足问题,但仍然存在精度不够、超声波模块需求较多等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决移动机器人编队跟踪误差收敛问题,提出了一种基于分离式超声波的移动机器人编队跟踪控制方法,该方法从相对位姿的获取与相对位姿的保持上解决了移动机器人编队过程中领导者与跟随者避免碰撞与通信保持的问题,最终实现编队系统稳定运行的目标。本专利技术目的通过以下技术方案实现:一种基于分离式超声波的移动机器人编队跟踪控制方法,该方法包含步骤:步骤(1):建立单个移动机器人的运动学模型;步骤(2):建立n个移动机器人编队动态数学模型,并考虑实际系统中存在的相对位姿获取和相对位姿保持的问题;步骤(3):建立分离式超声波获取相对位姿的模型,并推导出相对位姿的计算公式;步骤(4):从编队跟踪控制的实际问题出发,结合推导出的所述相对位姿的计算公式设计出使编队跟踪误差渐近收敛的控制规律;步骤(5):选取移动机器人参考路径,设置移动机器人参数与控制器参数,根据所述控制规律实现移动机器人的编队跟踪控制。进一步地,步骤(1)中,所述的建立单个机器人平面坐标的运动学模型具体包括:假设移动机器人在运动过程中不发生侧滑,故满足如下条件:得出移动机器人的运动学模型为:其中,来描述移动机器人Ri当前所处的位姿状态,xi与yi是二维坐标系统横轴纵轴的坐标位置,是机器人Ri运动方向与横轴的夹角;(vi,wi)来描述移动机器人Ri当前所处运动状态,其中vi是移动机器人Ri相对于全局坐标系的线速度,wi是移动机器人Ri相对于全局坐标系的角速度。进一步地,步骤(2)所述建立n个移动机器人编队动态数学模型具体包括:定义移动机器人跟随者与领导者的跟随位姿偏差:其中,di是跟随者机器人Ri与领导者机器人Ri-1间的距离,θi是跟随者机器人Ri与领导者机器人Ri-1的运动方向角度的偏差。xi-1,yi-1是领导者机器人Ri-1当前所处的全局坐标值,xi,yi是跟随者机器人Ri当前所处的全局坐标值,定义如下公式所示:然后求取偏差的动态方程:其中vi,wi是跟随机器人Ri当前的线速度与角速度,vi-1,wi-1是领导者机器人Ri-1当前的线速度与角速度。进一步地,步骤(3)中,所述分离式超声波的模组包括发射模块与接收模块,所述发射模块中同时设置有红外发送器和超声波发射器;所述接收模块中同时设置有红外接受器和超声波接收器,所述红外发送、接收器是用于实现时钟同步,所述发射模块同时控制红外发送器发射红外线以及超声波发射器发射超声波。进一步地,步骤(3)中,每个机器人都安装有一个发射模块并放置在机器人中心(实际使用过程中一般将多个超声波发射头组装到一起形成一个超声波发射环,保证在Ri-1的周围Ri都能接收到超声波发射信号);每个机器人都会在中心的两端安装两个所述接收模块,所述接收模块之间的距离为2i,接收模块的连线方向与车前进的方向垂直。进一步地,所述步骤(3)中建立分离式超声波获取相对位姿的模型、并推导出相对位姿的计算公式具体包括:首先通过与常见的集成式超声波的测距对比,可得知分离式超声波的优点,通过数学建模后,故可以确定分离式超声波测距的计算公式为:dmeasure=vsound*t3≈vsound*(t3-t4)其中dmeasure是测量距离,vsound是声音在空气中的传播速度,为一个常数,t3是整个过程中声音传播的时间,t4是整个过程中辅助的红外光传播的时间,t3与t4的差值可由超声波模组中的CPU计算获得;根据领导者跟随者超声波位置排布进行建模,基于过程中的图形关系,由余弦定理可以得到如下关系:结合上述关于di与θi的定义,可以计算出di与θi为:其中,2i为跟随者机器人Ri左右超声波接收模块的距离,d1i和d2i分别为跟随者机器人Ri左右超声波接收模块测量获得的与领导机器人Ri-1中心的距离,β1,β2为推导过程中的中间变量。进一步地,如步骤(4)具体包括:设置移动机器人编队过程中距离约束与角度约束:其中,dmax为最大约束距离,dmin为最小距离约束,dmax、dmin都是常数,由实际的传感器参数以及机器人的机械尺寸决定;θmax为最大角度误差约束,θmin为最小角度误差约束,其中θmax、θmin都是常数且θmax=-θmin;根据上述偏差定义,推导出动态误差方程为:其中,和分别是机器人Ri与Ri-1运行方向与x轴的夹角;采用障碍(barrier)李雅普诺函数的方法进行约束,从稳定性理论出发,设计编队跟踪控制误差渐近收敛的控制规律,用于保本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于分离式超声波的移动机器人编队跟踪控制方法,其特征在于,包含步骤:步骤(1):建立单个移动机器人的运动学模型;步骤(2):建立n个移动机器人编队动态数学模型,并考虑实际系统中存在的相对位姿获取和相对位姿保持的问题;步骤(3):建立分离式超声波获取相对位姿的模型,并推导出相对位姿的计算公式;步骤(4):从编队跟踪控制的实际问题出发,结合推导出的所述相对位姿的计算公式设计出使编队跟踪误差渐近收敛的控制规律;步骤(5):选取移动机器人参考路径,设置移动机器人参数与控制器参数,根据所述控制规律实现移动机器人的编队跟踪控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于分离式超声波的移动机器人编队跟踪控制方法,其特征在于,包含步骤:步骤(1):建立单个移动机器人的运动学模型;步骤(2):建立n个移动机器人编队动态数学模型,并考虑实际系统中存在的相对位姿获取和相对位姿保持的问题;步骤(3):建立分离式超声波获取相对位姿的模型,并推导出相对位姿的计算公式;步骤(4):从编队跟踪控制的实际问题出发,结合推导出的所述相对位姿的计算公式设计出使编队跟踪误差渐近收敛的控制规律;步骤(5):选取移动机器人参考路径,设置移动机器人参数与控制器参数,根据所述控制规律实现移动机器人的编队跟踪控制。2.根据权利要求1所述的移动机器人编队跟踪控制方法,其特征在于,步骤(1)中,所述的建立单个机器人平面坐标的运动学模型具体包括:假设移动机器人在运动过程中不发生侧滑,故满足如下条件:得出移动机器人的运动学模型为:其中,来描述移动机器人Ri当前所处的位姿状态,xi与yi是二维坐标系统横轴纵轴的坐标位置,是机器人Ri运动方向与横轴的夹角;(vi,wi)来描述移动机器人Ri当前所处运动状态,其中vi是移动机器人Ri相对于全局坐标系的线速度,wi是移动机器人Ri相对于全局坐标系的角速度。3.根据权利要求2所述的移动机器人编队跟踪控制方法,其特征在于,步骤(2)所述建立n个移动机器人编队动态数学模型具体包括:定义移动机器人跟随者与领导者的跟随位姿偏差:其中,di是跟随者机器人Ri与领导者机器人Ri-1间的距离,θi是跟随者机器人Ri与领导者机器人Ri-1的运动方向角度的偏差。xi-1,yi-1是领导者机器人Ri-1当前所处的全局坐标值,xi,yi是跟随者机器人Ri当前所处的全局坐标值,为两中间变量定义如下公式所示:然后求取偏差的动态方程:其中vi,wi是跟随机器人Ri当前的线速度与角速度,vi-1,wi-1是领导者机器人Ri-1当前的线速度与角速度。4.根据权利要求1所述的移动机器人编队跟踪控制方法,其特征在于,步骤(3)中,所述分离式超声波的模组包括发射模块与接收模块,所述发射模块中同时设置有红外发送器和超声波发射器;所述接收模块中同时设置有红外接受器和超声波接收器,所述红外发送、接收器是用于实现时钟同步,所述发射模块同时控制红外发送器发射红外线以及超声波发射器发射超声波。5.根据权利要求4所述的移动机器人编队跟踪控制方法,其特征在于,步骤(3)中,每个机器人都安装有一个发射模块并放置在机器人中心;每个机器人都会在中心的两端安装两个所述接收模块,所述接收模...

【专利技术属性】
技术研发人员:戴诗陆欧建永王敏李烈军
申请(专利权)人:华南理工大学
类型:发明
国别省市:广东,44

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