一种前向轮式机器人群组分时抵达的协调控制方法技术

本发明专利技术公开了一种前向轮式机器人群组分时抵达目标位置的协调控制方法，包括：构建轮式机器人与目标位置的相对运动学模型；利用非光滑控制构建轮式机器人垂直于视线方向的加速度分量控制；根据机器人群组抵达目标的情况以及群组中机器人信息交互的通信拓扑，各机器人选择基于非自治控制或是基于信息交互的方案确定沿视线方向的加速度分量控制；根据沿视线和垂直于视线方向的加速度分量控制转化为轮式机器人的加速度与角加速度控制。所设计的控制方法实现前向轮式机器人群组按照指定的抵达顺序、抵达时刻和抵达间隔到达目标地点。抵达时刻和抵达间隔到达目标地点。抵达时刻和抵达间隔到达目标地点。

【技术实现步骤摘要】
一种前向轮式机器人群组分时抵达的协调控制方法

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[0001]本专利技术涉及多智能体控制
，具体而言，尤其涉及一种前向轮式机器人群组分时抵达目标位置的协调控制方法。

技术介绍
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[0002]基于信息交互协同实现多智能体或机器人群组趋同或编队的方法，国内外已经取得相关研究成果。随着群体智能技术深入发展，人们愈发地关注时间敏感型任务，它们以时间作为约束条件，很难通过自治控制的手段完成。例如分批排序问题中各个原材料需要依次序和一定时间间隔到达生产车间；交通问题中车辆需依次序通过狭窄的桥梁。这些任务由于终端处理能力的限制，导致各智能体需严格按照指定顺序和指定的时间间隔抵达目的地。
[0003]现阶段有关轮式机器人群组分时抵达协调控制方法的文献较少，而时间敏感型任务的研究主要集中在导弹饱和攻击问题，主要通过让各导弹的弹目距离趋同来实现同时命中目标，如现有技术[1](参见Jialing Zhou,YuezuL
ü
,Zhongkui Li andJianying Yang.Cooperative GuidanceLaw Design for Simultaneous Attack with Multiple Missiles Against a ManeuveringTarget[J].Journal of Systems Science and Complexity,2018,31:287
–
301.)；或以估计预计命中的时间作为输出实现输出一致，如现有技术[2](参见JialingZhou and JianyingYang.DistributedGuidance Law Design for Cooperative Simultaneous Attacks with Multiple Missiles[J].Journal ofGuidance,Control,and Dynamics,2016,39(10):2439
‑
2447.)。值得注意的是，以上研究只能实现多运动体同时到达目标位置，分时到达目标位置仍有待解决。以外，以上研究以导弹攻击为背景，对导弹到达目标位置时的速度大小不存在约束要求；而轮式机器人分时抵达目标任务则要求机器人抵达目标位置时，速度减为零。
[0004]分批排序任务、流水线任务等问题的研究对象大多是轮式机器人，而前向轮式机器人要求机器人在运动过程中不可后退、静止时速度方向不可改变等，这大大降低了机器人的性能要求，以前向轮式机器人为对象的分时抵达协调控制问题具有较好的研究意义。

技术实现思路
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[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种前向轮式机器人群组分时抵达目标位置的协调控制方法，给定抵达时间和各机器人抵达时刻间隔，可让机器人群组按照要求分时抵达目标位置。该控制方法具有鲁棒性，可满足状态饱和等约束条件。
[0006]本专利技术的具体技术方案如下：
[0007](1)构建轮式机器人与抵达目标相对位置关系的运动学模型。
[0008](2)根据步骤(1)中的运动学模型，利用非光滑控制构建垂直于视线方向的加速度分量控制，使得群组中各轮式机器人垂直于视线方向的速度可在有限时间内收敛到零。
[0009](3)根据步骤(1)中的运动学模型及给定的抵达时刻，利用非自治控制建立沿着视
线方向的加速度控制方案。
[0010](4)根据步骤(1)中的运动学模型及机器人间的通信网络，建立沿着视线方向的加速度控制方案。
[0011](5)根据通信网络拓扑结构和轮式机器人群组抵达情况及步骤(4)(5)所设计的加速度方案，确定机器人视线方向的加速度控制，结合步骤(2)所设计的垂直于视线方向的加速度控制，构建轮式机器人加速度与角加速度控制。
[0012]进一步地，步骤(1)中的轮式机器人与抵达目标相对位置关系的运动学模型具体构建方法为：轮式机器人i在惯性坐标系下的运动学模型为：
[0013][0014]其中i＝1,
…
,N依抵达顺序编号，(x
i
,y
i
)表示机器人i质心的位置坐标，θ
i
表示机器人i的航向角(即速度方向与x轴的夹角，以逆时针方向为正方向)，v
i
表示机器人i的速度大小，ω
i
表示机器人i的航向角速率，a
t,i
与a
n,i
分别表示机器人i的切向加速度与法向加速度(即机器人加速度沿着速度方向、垂直于速度方向的加速度分量)。
[0015]设目标位置坐标为(x
*
,y
*
)，则轮式机器人i与抵达目标相对位置关系的运动学模型为：
[0016][0017]其中表示机器人与抵达目标间的距离，λ
i
＝atan2(x
*
‑
x,y
*
‑ꢀ
y)表示视线角，φ
i
表示前置角。
[0018]根据相对位置关系的运动学模型，可进一步建立相对位置与控制输入的关系模型：
[0019][0020]其中u
r,i
＝a
t,i
cosφ
i
‑
a
n,i
sinφ
i
，u
λ,i
＝a
t,i
sinφ
i
+a
n,i
cosφ
i
分别表示机器人沿视线方向和垂直于视线方向的加速度。
[0021]步骤(2)中利用非光滑控制构建轮式机器人i垂直于视线方向的加速度分量控制具体为：
[0022][0023]其中c
i
>0，0<α
i
<1为常参数，函数sgn
α
(
·
)具体为
[0024]sgn
α
(x)＝|x|
α
sign(x)，
[0025]其中sign(
·
)为符号函数。
[0026]步骤(3)中利用非自治控制建立轮式机器人i沿视线方向的加速度分量控制方案具体为：
[0027][0028][0029][0030]其中T>0为指定的抵达时刻，d
i
>0为平滑系数。
[0031]步骤(4)中利用通信网络控制建立轮式机器人i沿视线方向的加速度分量控制方案具体为：
[0032][0033]其中δ表示相邻编号机器人的抵达间隔，p
i
>0为收敛系数，a
ij
表示通信拓扑常数，如果机器人i可以接受机器人j所发出的信息，则a
ij
>0，否则a
ij
＝0。特别地，a
ii
＝0。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种前向轮式机器人群组分时抵达的协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建轮式机器人与抵达目标相对位置关系的运动学模型；(2)根据步骤(1)中的运动学模型，利用非光滑控制构建垂直于视线方向的加速度分量控制，使得群组中各轮式机器人垂直于视线方向的速度可在有限时间内收敛到零；(3)根据步骤(1)中的运动学模型及给定的抵达时刻，利用非自治控制建立沿着视线方向的加速度控制方案；(4)根据步骤(1)中的运动学模型及机器人间的信息交互，建立沿着视线方向的加速度控制方案；(5)根据通信网络拓扑和轮式机器人群组抵达情况及步骤(4)(5)所设计的加速度控制方案，确定机器人沿着视线方向的加速度控制，结合步骤(2)所设计的垂直于视线方向的加速度分量控制，构建前向轮式机器人加速度与角加速度控制。2.根据权利要求1所述一种前向轮式机器人群组分时抵达的协调控制方法，其特征在于：在惯性坐标系下轮式机器人i的运动学模型具体为：其中i＝1，...，N依抵达顺序编号，(x
i
，y
i
)表示机器人i质心的位置坐标，θ
i
表示机器人i的航向角，即速度方向与x轴的夹角，以逆时针方向为正方向，v
i
表示机器人i的速度大小，ω
i
表示机器人i的航向角速率，a
t，i
与a
n，i
分别表示机器人i的切向加速度与法向加速度，即机器人加速度沿着速度方向、垂直于速度方向的加速度分量；取定目标位置坐标为(x
*
，y
*
)，建立轮式机器人i与抵达目标相对位置关系的运动学模型：其中表示机器人与抵达目标间的距离，λ
i
＝atan2(x
*
‑
x，y
*
‑
y)表示视线角，φ
i
表示前置角；根据相对位置关系的运动学模型，可进一步建立相对位置与控制输入的关系模型：其中u
r，i
＝a
t，i cosφ
i
‑
a
n，i sinφ
i
，u
λ，i
＝a
t，i sinφ
i
+a
n，i cosφ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：周佳玲，刘照辉，吕跃祖，温广辉，
申请(专利权)人：吕跃祖温广辉，
类型：发明
国别省市：