一种多轮式机器人自适应协同控制算法及控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多轮式机器人自适应协同控制算法及控制系统，该控制算法包含以下步骤：步骤1：建立含有N个轮式机器人的多轮式机器人系统及单个轮式机器人的非线性动力学模型；步骤2：经过线性反馈变换，将轮式机器人的非线性动力学模型转化为二阶线性系统，并设计自适应协同控制器；步骤3：设计出自适应协同控制器后，通过反变换获得加速度和角加速度的演化规律，并进一步获得加速度和角加速度，进而获得对应的控制力和控制力矩，完成多个轮式机器人自适应协同控制。本发明专利技术可以有效克服系统结构和参数不确定的非线性项，自动更新不同机器人通信耦合系数，适应动态变化的环境和通信拓扑结构变化，高效完成一致性编队动作。

An adaptive cooperative control algorithm and control system for multi wheeled robot

The invention discloses a multi wheeled robot adaptive cooperative control algorithm and control system, the control algorithm includes the following steps: Step 1: nonlinear dynamics model of wheeled robot system N wheeled robot and wheeled robot with single; step 2: after linear feedback transformation, the nonlinear dynamics model of wheeled robots into two order linear system, and the design of adaptive cooperative controller; step 3: the design of adaptive cooperative controller, through the inverse transformation to obtain the evolution of acceleration and angular acceleration, and further obtain the acceleration and angular acceleration, and then obtain the control force and control torque corresponding to the completion of a number of wheeled robot adaptive cooperative control. The invention can effectively overcome the uncertain terms of the system structure and parameters, automatically update the communication coupling coefficient of different robots, adapt to the dynamic environment and communication topology changes, and accomplish the consistent formation action efficiently.

【技术实现步骤摘要】
一种多轮式机器人自适应协同控制算法及控制系统
本专利技术涉及多机器人控制领域，具体涉及一种多轮式机器人自适应协同控制算法及控制系统。
技术介绍
机器人的工作环境以及任务复杂度逐步上升，单个机器人越来越难以满足需求；而多机器人系统凭着其在任务适用性、经济性、最优性、鲁棒性、可扩展性等方面表现出极大的优越性，目前已成为机器人领域最为热门的研究课题之一；机器人协同探测与控制有助于实现对环境的全面感知、完成单个机器人无法完成的效能，大幅提高机器人的工作效能。多机器人协调合作作为一种全新的机器人应用形式，正日益受到国内外的关注。随着多机器人系统在工业、军事、医疗等领域的应用，机器人平台的开发成为了多机器人研究的热点之一。在物流、仓储、智能交通及探测侦查等多个军民两用领域得到广泛应用。目前，国内外各个研究机构均致力于开发自己的多机器平台以验证与多机器人相关的应用。在多种移动机器人中，轮式机器人具有系统结构简单、运动灵活、操作方便和成本较低的显著特点。通常采用两个驱动轮带动一个从动轮的方式进行工作。尽管在物流仓储等民用领域具有广阔的运用前景，但在其采用协同控制完成给定任务时，也存在多种挑战，例如需要实现分布式控制、自动避障、适应多个机器人之间的动态变化，协同控制器设计需要有利于工程实现，并能提高控制系统的多种性能，改善其工作性能。在现有移动机器人系统结构与设计、编队控制方法、智能体现的相关研究中，大多没有考虑实际机器人运动的误差影响并自动调整耦合权值，而机器人本身具有较多的不确定性，例如里程计技术由于其积分特性存在较大的误差累积；惯导技术会随时间的增长存在漂移使得误差随时间增长；GPS精度问题并且不宜室内使用等。对于真实环境下的机器人运动误差，往往难以确切地以某种误差模型表示，这将会使得任务过程中需要人为的进行远程调整才能继续任务。在物流仓储场景中，进行多机器人协同控制时，环境中存在多种遮挡、失效、通信拓扑切换等特点，因此为有效适应各种不确定性，有必要采用自适应的耦合系数调整策略，该策略通过建立耦合系数的动力学演变方程，可以自适应的改变不同机器人间的耦合系数，使得其适应于分布式系统的各类任务，更加符合工程实现场景，并有望提高控制系统的多种性能，改善其作战性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种多轮式机器人自适应协同控制算法及控制系统，以有效克服系统结构和参数不确定的非线性项，并通过高效的协作，节约工作场景有限的场地，在不增加场地面积情况下，大幅提高任务的效率。为达到上述目的，本专利技术提供了一种多轮式机器人自适应协同控制算法，其包含以下步骤：步骤1：建立含有N个轮式机器人的多轮式机器人系统及单个轮式机器人的非线性动力学模型；步骤2：经过线性反馈变换，将轮式机器人的非线性动力学模型转化为二阶线性系统，并设计自适应协同控制器；步骤3：设计出自适应协同控制器后，通过反变换获得加速度和角加速度的演化规律，并进一步获得加速度和角加速度，进而获得对应的控制力和控制力矩，完成多个轮式机器人自适应协同控制。上述的多轮式机器人自适应协同控制算法，其中，所述非线性动力学模型为：其中，分别为第i个轮式机器人t时刻在x，y坐标方向上的速度；vi(t)为第i个轮式机器人t时刻的速度；θi(t)为第i个轮式机器人t时刻的角度；为第i个轮式机器人t时刻的角速度，且上述的多轮式机器人自适应协同控制算法，其中，步骤2具体包括以下步骤：步骤2.1：令其中，ui(t)为第i个轮式机器人t时刻的控制输入；ui1(t)和ui2(t)分别为ui(t)的第1个分量和第2二个分量；和分别为第i个轮式机器人t时刻在x，y坐标方向上的加速度，为第i个轮式机器人t时刻的加速度；为第i个轮式机器人t时刻的角加速度；则式(1)转换为二阶线性系统：其中，为第i个轮式机器人的状态，ui为第i个轮式机器人的控制输入；步骤2.2：根据多轮式机器人系统的通信拓扑，计算多轮式机器人系统的无向图中的临近矩阵A0；步骤2.3：设计多轮式机器人系统的自适应协同控制器和自适应协同控制律。上述的多轮式机器人自适应协同控制算法，其中，所述步骤2.2具体包括以下步骤：假定多轮式机器人协同通信之间的网络采用无向图G＝(V0,ε,A0)表示，其中，V0＝{v1,v2,…vN}表示多轮式机器人系统节点的集合，为节点的无序集合，称为边界集；称两个节点vi,vj为邻近集，如果{vi,vj}是图G的边界，图G中从节点vi到节点vj的路径为{vik,vjk+1},k＝1,…,l-1形式的边界集合，如果对于图中每对节点都存在一条路径可以达到，则称该图为连通的图，临近矩阵A0＝[aij]∈RN×N，其为带有非负元素aij，且对角线均为0的矩阵；如果边界{vi,vj}∈ε，则节点vj被称为节点vi的临近节点，且节点vi的邻域节点标识的集合记作Ni＝{j∈I|{vi,vj}∈ε}。上述的多轮式机器人自适应协同控制算法，其中，所述自适应协同控制器和自适应协同控制律分别为：其中，aij为临近矩阵A0的对应元素；cij为自适应协同控制律中的耦合系数，且cij(0)＝cji(0)；和分别为变换为二阶线性系统之后的第i,j个机器人的状态；kij为常数；反馈矩阵F＝-BTP-1，Ω＝P-1BBTP-1，P为正定矩阵，其取值满足：(6)，I为单位矩阵。上述的多轮式机器人自适应协同控制算法，其中，所述步骤3具体包括以下步骤：步骤3.1：式(2)根据反变换关系，得到加速度和角加速度的演化规律：步骤3.2：优化求解式(6)，可以获得P的取值，进而求得反馈矩阵F，根据式(4)从而获得ui的取值；步骤3.3：通过式(7)获得加速度和角加速度步骤3.4：根据其中，Mg,Jg分别为轮式机器人的质量和转动惯量；获得第i个轮式机器人t时刻的控制力和控制力矩分别为Fi(t)，τi(t)；完成多个轮式机器人自适应协同控制。本专利技术还提供了一种多轮式机器人自适应协同控制系统，其包括：群体规划层，与群体规划层无线连接的系统决策层，与系统决策层无线连接的实体控制层；所述群体规划层用于形成并发出确定多个轮式机器人各自角色及采用何种队形完成任务的群体规划信息；所述系统决策层用于接收来自群体规划层发出的群体规划信息和实体控制层发出的各轮式机器人周围的环境信息和轮式机器人之间的位姿信息并根据所接收的信息利用上述多轮式机器人自适应协同控制算法产生相应的各轮式机器人的加速度和角加速度的控制信息，进而发送至实体控制层；所述实体控制层包括多个轮式机器人，其用于采集各轮式机器人周围的环境信息和轮式机器人之间的位姿信息，并根据所接收到的控制信息执行相应的动作，以实现多个轮式机器人一致性编队和控制。上述的多轮式机器人自适应协同控制系统，其中，所述角色分为领航轮式机器人和跟随轮式机器人。上述的多轮式机器人自适应协同控制系统，其中，所述轮式机器人包括车体；与车体连接的两个驱动轮和一个从动轮；设置在车体上用于控制轮式机器人执行动作的控制机构；与控制机构连接的用于接收和发送信息的通讯机构；与控制机构连接的用于执行任务的执行机构，及，与控制机构连接的用于采集各轮式机器人周围的环境信息和轮式机器人之间的位姿信息的探测系统。上述的多轮式机器人自适应协同控制系统，其中，所述探测系统包括双目视觉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多轮式机器人自适应协同控制算法，其特征在于，其包含以下步骤：步骤1：建立含有N个轮式机器人的多轮式机器人系统及单个轮式机器人的非线性动力学模型；步骤2：经过线性反馈变换，将轮式机器人的非线性动力学模型转化为二阶线性系统，并设计自适应协同控制器；步骤3：设计出自适应协同控制器后，通过反变换获得加速度和角加速度的演化规律，并进一步获得加速度和角加速度，进而获得对应的控制力和控制力矩，完成多个轮式机器人自适应协同控制。

【技术特征摘要】
1.一种多轮式机器人自适应协同控制算法，其特征在于，其包含以下步骤：步骤1：建立含有N个轮式机器人的多轮式机器人系统及单个轮式机器人的非线性动力学模型；步骤2：经过线性反馈变换，将轮式机器人的非线性动力学模型转化为二阶线性系统，并设计自适应协同控制器；步骤3：设计出自适应协同控制器后，通过反变换获得加速度和角加速度的演化规律，并进一步获得加速度和角加速度，进而获得对应的控制力和控制力矩，完成多个轮式机器人自适应协同控制。2.如权利要求1所述的多轮式机器人自适应协同控制算法，其特征在于，所述非线性动力学模型为：其中，分别为第i个轮式机器人t时刻在x，y坐标方向上的速度；vi(t)为第i个轮式机器人t时刻的速度；θi(t)为第i个轮式机器人t时刻的角度；为第i个轮式机器人t时刻的角速度，且3.如权利要求2所述的多轮式机器人自适应协同控制算法，其特征在于，步骤2具体包括以下步骤：步骤2.1：令其中，ui(t)为第i个轮式机器人t时刻的控制输入；ui1(t)和ui2(t)分别为ui(t)的第1个分量和第2二个分量；和分别为第i个轮式机器人t时刻在x，y坐标方向上的加速度，为第i个轮式机器人t时刻的加速度；为第i个轮式机器人t时刻的角加速度；则式(1)转换为二阶线性系统：其中，为第i个轮式机器人的状态，ui为第i个轮式机器人的控制输入；步骤2.2：根据多轮式机器人系统的通信拓扑，计算多轮式机器人系统的无向图中的临近矩阵A0；步骤2.3：设计多轮式机器人系统的自适应协同控制器和自适应协同控制律。4.如权利要求3所述的多轮式机器人自适应协同控制算法，其特征在于，所述步骤2.2具体包括以下步骤：假定多轮式机器人协同通信之间的网络采用无向图G＝(V0,ε,A0)表示，其中，V0＝{v1,v2,…vN}表示多轮式机器人系统节点的集合，为节点的无序集合，称为边界集；称两个节点vi,vj为邻近集，如果{vi,vj}是图G的边界，图G中从节点vi到节点vj的路径为{vik,vjk+1},k＝1,…,l-1形式的边界集合，如果对于图中每对节点都存在一条路径可以达到，则称该图为连通的图，临近矩阵A0＝[aij]∈RN×N，其为带有非负元素aij，且对角线均为0的矩阵；如果边界{vi,vj}∈ε，则节点vj被称为节点vi的临近节点，且节点vi的邻域节点标识的集合记作Ni...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴雄君，周佳玲，俞列宸，陈潜，
申请(专利权)人：上海神添实业有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31