一种异构舞台机器人编队控制方法技术

本发明专利技术公开了一种异构舞台机器人编队控制方法。为了克服在实际应用中，由于控制系统内部时钟异常或者外部电流频率变化使得采样周期发生跳变，跳变的概率不确定甚至未知，从而导致移动舞台机器人系统的一致性不能够得到保证等问题，本发明专利技术采用的系统包括置于舞台上的多个异构舞台机器人和控制机器人的通信控制器，编队控制方法包括以下步骤：参数设计，建立连续的对象模型，包括领导者和跟随者的模型；离线计算，基于马尔可夫过程求解出实时控制器的数据；在线运行，控制器以计算出来的数据控制机器人编队，使得在采样周期发生跳变的情况下，保证移动舞台机器人系统编队一致性。

A formation control method of heterogeneous stage robots

【技术实现步骤摘要】
一种异构舞台机器人编队控制方法
本专利技术涉及一种舞台机器人编队控制领域，尤其涉及一种基于马尔可夫过程的采样周期跳变的概率不确定甚至完全未知的异构移动舞台机器人编队控制方法。
技术介绍
现代演出中，为了达到更好的艺术效果和给观众提供更佳的视觉体验，有时候需要多个机器人之间协同配合作出特定队形或者进行舞蹈表演等。从传统的理论来说实现舞台机器人编队一般有三种经典的控制方法，其分别是跟随领航法、基于行为法和虚拟结构法。基于行为法不能明确的定义群体行为，难以对其进行数学分析，并且不能保证队形的稳定性；虚拟结构法要求队形向一个虚拟结构运动，限制了该方法的应用范围；而其中最常用的是跟随领航法，即以一个机器人为领导者，剩下的其他机器人作为跟随者跟随领导者实现某种编队或者作出相应动作。而舞台机器人编队系统中又有同构控制和异构控制，所谓同构，即每一个机器人都是完全相同其具有完全一致的动力学模型；而异构是指各个机器人各不相同，通常其动力学模型具有较大的差别，其可以是轮式、腿式、蛇形等各种机器人的组合编队。通常在面向被控对象进行理论分析构建模型时多为连续模型，但是在计算机或者实际控制器内部的运算是以离散形式的逻辑电路实现的，所以在实际控制过程中，连续模型导入后一般都会被离散化处理。在实际应用中，可能由于控制系统内部时钟异常或者外部电流频率变化使得采样周期发生跳变，从而导致移动舞台机器人系统的一致性不能够得到保证。例如，一种在中国专利文献上公开的“基于领航跟随法的机器人队形可变编队控制方法与控制器”，其公告号“CN108897321A”，包括以下步骤：以期望相对距离和期望相对角度表示编队信息；领航机器人判断是否需要进行队形变换；若是，更新当前编队信息并发送给跟随机器人；若否，领航机器人将当前速度信息和位姿信息发送给跟随机器人；跟随机器人计算当前位姿误差；跟随机器人判断当前位姿误差是否在零的小邻域内；若是，则保持前一时刻的控制输出量，保持队形；若否，则跟随机器人的控制器根据当前位姿误差计算当前控制输出量，跟随机器人根据当前控制输出量运行，队形变换。使用领航跟踪法来编队控制，在实际应用中，可能由于控制系统内部时钟异常或者外部电流频率变化使得采样周期发生跳变，跳变的概率不确定甚至未知，从而导致移动舞台机器人系统的一致性不能够得到保证。
技术实现思路
本专利技术主要解决原有技术由于控制系统内部时钟异常或者外部电流频率变化使得采样周期发生跳变，从而影响移动舞台机器人系统的一致性等问题问题；提供一种异构舞台机器人编队控制方法，当采样周期发生跳变并且跳变概率已知、不确定、甚至未知的情况下，都能够实现实时控制以使得每个跟随机器人能够良好的跟踪上领导机器人的输出，即保证移动舞台机器人系统编队一致性。本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：编队方法采用包括置于舞台上的多个机器人和控制机器人的通信控制器，其特征在于编队控制方法包括以下步骤：S1.参数设计，建立连续的领导者机器人模型、跟随者机器人模型和控制器模型；S2.离线计算，根据领导者机器人模型、跟随者机器人模型基于概率过程求解出实时控制器的数据；S3.在线运行，控制器以计算出来的数据控制机器人编队，控制跟随者机器人跟随领导者机器人实现编队。采用跟随领航法编队，建立对象的模型，在求解控制器数据的过程中运用概率过程，概率过程抵消因为内部时钟异常或者外部电流频率变化而引发的采样周期跳变问题，使得在采样周期发生跳变并且跳变概率已知、不确定、甚至未知的情况下，都能够实现实时控制以使得每个跟随机器人能够良好的跟踪上领导机器人的输出，即保证移动舞台机器人系统编队一致性。编队方法采用跟随领航法，能够进行数学分析，保证控制稳定性，且没有实际应用上的限制；需要建立领导者机器人的模型和跟随者机器人的模型，采用输出反馈控制方法建立控制器模型。作为优选，所述的领导者机器人模型、跟随者机器人模型和控制器模型为：领导者模型：其中和分别表示领导者机器人的状态变量，输出，状态矩阵和输出矩阵；表示领导者状态的微分；跟随者模型：其中和分别是第i个机器人的状态，控制输入，外部扰动和输出；Ai，Bi，Ci，Di分别为状态矩阵，输入矩阵，输出矩阵和干扰矩阵；是各个跟随机器人的状态微分表示；控制器模型：其中和是输出反馈增益矩阵，ζi为控制器状态变量，ζj是有通信连接的邻居机器人的控制器状态变量；是第i个跟随机器人控制器状态变量的微分；aij是图论中邻间矩阵，gi是牵引矩阵中的元素，和为参数矩阵。作为优选，所述的领导者和跟随者模型是异构的移动舞台机器人，各机器人之间的状态矩阵Ai，输入矩阵Bi，输出矩阵Ci和干扰矩阵Di不同。异构是指各个机器人各不相同，通常其动力学模型具有较大的差别，其可以是轮式、腿式、蛇形等各种机器人的组合编队，对异构舞台机器人建模，扩大了控制对象的范围，控制对象更加多样。作为优选，所述的步骤S2中包括以下步骤：S21.离散化系统；S22.定义误差系统；S23.分析得出线性矩阵不等式；S24.通过可调参数矩阵求解。通常建立的数学模型是连续的，但实际计算机或者控制器内部运算以离散形式的逻辑电路实现，所以需要对模型进行离散化；定义误差系统能够得知各机器人之间的误差，便于之后的控制；经过运算得出线性矩阵不等式，用可调参数矩阵求解，得出控制器模型的数据。作为优选，所述的步骤S21包括：S211.令采样周期时变：hk＝tk+1-tk，其中T0是一段固定的采样时间，δj，j＝1，2，...，n是正整数；S212.离散化对象模型。为了计算机运算，需要离散对象模型；令采样周期时变是为了模拟在现实运行过程中采样周期因为内部时钟误差或外部电流频率变化而引起的采样周期跳变。作为优选，所述的步骤S22包括：S221.定义局部跟踪误差系统其中是局部跟踪误差；S222.定义全局参考同步误差系统其中是全局参考同步误差。局部跟踪误差系统是各跟随机器人之间的误差，全局参考同步误差是指跟随机器人和领导机器人之间的误差；定义两个误差系统，进一步保证跟随者与领导者和跟随者之间的误差尽量减小。作为优选，所述的步骤S23包括S231.由Lyapunov稳定性理论理论得出线性不等式；其中，G，H和Ps＞0为正定矩阵，Li是控制器增益的拆解；Ki＝(LiVi-1)T，为控制器增益矩阵，是适维矩阵变量，Ξi是可调参数矩阵，γ表示系统鲁棒性能，λi表示系统拓扑矩阵特征值；下角标s表示当前状态，t表示下一时刻跳变状态；S232.由矩阵变换方法解；通过调节可调参数矩阵Ξi线性矩阵不等式进行求解，求解出输出反馈控制器增益Ki和Fs，根据输出反馈控制器增益求解出实时控制器ui(k)。运用Lyapunov稳定性理论分析得出线性矩阵不等式，解除控制器的数据用来控制跟随者机器人跟上领航者机器人的编队本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种异构舞台机器人编队控制方法，编队方法采用包括置于舞台(1)上的多个机器人和控制机器人的通信控制器(4)，其特征在于编队控制方法包括以下步骤：/nS1.参数设计，建立连续的领导者(2)机器人模型、跟随者(3)机器人模型和控制器(4)模型；/nS2.离线计算，根据建立的领导者(2)机器人模型和跟随者(3)机器人模型基于概率过程求解出实时控制器的数据；/nS3.在线运行，控制器以计算出来的数据控制机器人编队，控制跟随者机器人跟随领导者机器人实现编队。/n

【技术特征摘要】
1.一种异构舞台机器人编队控制方法，编队方法采用包括置于舞台(1)上的多个机器人和控制机器人的通信控制器(4)，其特征在于编队控制方法包括以下步骤：
S1.参数设计，建立连续的领导者(2)机器人模型、跟随者(3)机器人模型和控制器(4)模型；
S2.离线计算，根据建立的领导者(2)机器人模型和跟随者(3)机器人模型基于概率过程求解出实时控制器的数据；
S3.在线运行，控制器以计算出来的数据控制机器人编队，控制跟随者机器人跟随领导者机器人实现编队。


2.根据权利要求1所述的一种异构舞台机器人编队控制方法，其特征在于所述的领导者(2)机器人模型、跟随者(3)机器人模型和控制器(4)模型为：
领导者(2)模型：
其中和分别表示领导者(2)机器人的状态变量，输出，状态矩阵和输出矩阵；表示领导者状态的微分；
跟随者(3)模型：
其中和分别是第i个机器人的状态，控制输入，外部扰动和输出；Ai，Bi，Ci，Di分别为状态矩阵，输入矩阵，输出矩阵和干扰矩阵；是各个跟随机器人的状态微分表示；
控制器(4)模型：
其中和是输出反馈增益矩阵，ζi为控制器状态变量，ζj是有通信连接的邻居机器人的控制器状态变量；是第i个跟随机器人控制器状态变量的微分；aij是图论中邻间矩阵，gi是牵引矩阵中的元素，和为参数矩阵。


3.根据权利要求1所述的一种异构舞台机器人编队控制方法，其特征在于所述的领导者(2)和跟随者(3)模型是异构的移动舞台机器人，各机器人之间的状态矩阵Ai，输入矩阵Bi，输出矩阵Ci和干扰矩阵Di不同。


4.根据权利要求1所述的一种异构舞台机器人编队控制方法，其特征在于所述的步骤S2中包括以下步骤：
S21.离散化系统；
S22.定义...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞文海，张丹，倪洪杰，董辉，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33