基于虚拟领航-跟随者的多机器人编队控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于虚拟领航

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟领航
‑
跟随者的多机器人编队控制方法


[0001]本专利技术属于机器人编队控制
，具体涉及一种基于虚拟领航
‑
跟随者的多机器人编队控制方法。

技术介绍

[0002]石化场站是指以石油、天然气及其它产品为原料通过石化设备进行分离。液化等操作而存储输运的场所，石化生产主要由原料处理、化学反应及产品精制三大工艺过程构成，原料经预处理满足加工要求，再通过复合化学反应制得高质量产品。为满足生产介质及工艺过程的多样化需求，石油炼制及加氢裂化等生产环节通常要求设备多元化、功能多样化及输出最大化，故对石化设备性能与工况提出了严格要求。
[0003]石化设备通常面临不同压力及温度、多介质的工况条件。由于生产介质具有强腐蚀、易燃易爆及有毒有害等特性，当设备长期高负荷运行或超出阈值时，设备强度、塑性及韧性等力学性能与耐腐蚀、抗氧化等化学性能将逼近最大承载值,对设备造成不可逆变化,增加企业设备成本。
[0004]生产介质易燃﹑易爆及有毒等特性极易造成泄漏安全事故。石化场站因占地面积大，生产设备类型复杂及数量庞大，电气设备运行时极易产生电火花、撞击火花等可燃源，当介质泄漏达到一定浓度时，因可控性低一旦接触可燃源即会造成火灾爆炸事故,造成巨大损失。
[0005]在采用以多个机器人组成机器人编队进行泄漏安全事故处理时，为了能够更有效的执行任务，通常采用编队的形式进行；因此，多机器人编队控制成为技术需求。

技术实现思路

[0006]鉴于上述的分析，本专利技术旨在公开了一种基于虚拟领航
‑
跟随者的多机器人编队控制方法，用于解决多机器人的编队控制问题。
[0007]本专利技术公开了一种基于虚拟领航
‑
跟随者的多机器人编队控制方法，包括以下步骤：
[0008]建立虚拟领航
‑
跟随者模式的多机器人编队几何结构；其中，设定一台虚拟领航机器人在编队参考轨迹点上随队行进，编队内机器人均为跟随机器人；
[0009]基于多机器人编队几何结构建立队形结构知识库；所述队形结构知识库中包括保持每种队形所需的队形参数；所述队形参数包括每个跟随机器人与虚拟领航机器人之间的期望相对距离和期望方位角；
[0010]在以编队队形执行轨迹跟踪任务中，跟随机器人从队形结构知识库得到的队形参数；利用具有实时估计虚拟领航机器人线速度的运动控制器，对跟随机器人的线速度和角速度进行控制，使跟随机器人与虚拟领航机器人之间的相对距离和相对方位角收敛到保持队形所需的期望相对距离和期望相对方位角。
[0011]进一步地，多机器人编队的队形为采用有向无环图进行描述的可伸缩队形；每个
机器人看作成一个顶点，两个机器人之间的关系看作是边；每个机器人都有唯一的ID号；
[0012]其中，队形参数矩阵i∈[1,n]为机器人的ID号；为机器人i的编队形状参数；f
i1
为机器人i的编号，f
i2
为机器人i与虚拟领航机器人之间需要保持的期望距离f
i3
为机器人i与虚拟领航机器人之间的期望方位角
[0013]进一步地，具有实时估计虚拟领航机器人线速度的跟随机器人运动控制器根据跟随机器人坐标系下虚拟领航机器人的相对状态，队形参数决定的期望相对距离和期望相对方位角，以及对虚拟领航机器人线速度实时估计值，计算出跟随机器人的线速度和角速度。
[0014]进一步地，跟随机器人坐标系下虚拟领航机器人的相对状态方程为：
[0015][0016]在跟随机器人坐标系O
F
X
F
Y
F
下，虚拟领航者的极坐标表示为其中l
LF
＞0为虚拟领航机器人与跟随机器人之间的相对距离，为虚拟领航机器人在跟随机器人的极坐标系下的方位角；ψ
LF
∈[
‑
π,π)为虚拟领航机器人与跟随机器人之间的相对航向角；
[0017]在世界坐标系O
W
X
W
Y
W
下，虚拟领航机器人R
L
的中心位置为航向角为θ
L
∈[
‑
π,π),跟随机器人R
F
的中心位置为航向角为θ
F
∈[
‑
π,π)。
[0018]进一步地，具有实时估计虚拟领航机器人线速度的跟随机器人运动控制器的控制方程为：
[0019][0020]其中，v
F
为跟随机器人的线速度，ω
F
为跟随机器人的角速度；γ为虚拟领航机器人线速度实时估计值；
[0021]跟随机器人与虚拟领航机器人之间的相对距离l
LF
与期望相对距离的误差跟随机器人与虚拟领航机器人之间的相对方位角与期望相对方位角的误差参数k
v
＞0，k
w
＞0。
[0022]进一步地，对虚拟领航机器人线速度实时估计的动态方程为：
[0023][0024]其中，k
γ
＞0。
[0025]进一步地，当虚拟领航者在跟随者的极坐标系下的方位角时，令σ为小正数。
[0026]进一步地，采用闭环运动学模型进行迭代运算，对跟随机器人运动控制器计算的线速度和角速度进行跟踪控制，实现跟随机器人在行进中对编队队形的跟踪。
[0027]进一步地，闭环运动学模型为：
[0028][0029]其中，
[0030]进一步地，所述多机器人编队用于执行灭火任务，编队中包括一个监视机器人、多个灭火机器人和一个移动灭火剂基站；
[0031]多个灭火机器人通过牵引绳和消防管道依次连接，最后一个灭火机器人通过牵引绳和消防管道连接移动灭火剂基站，第一个灭火机器人通过牵引绳与监视机器人连接，所述监视机器人搭载有用于监视火情的摄像设备；每个灭火机器人上均搭载有灭火剂喷射头；灭火剂喷射头通过消防管道连接移动灭火剂基站。
[0032]本专利技术至少可实现以下有益效果之一：
[0033]本专利技术的基于虚拟领航
‑
跟随者的多机器人编队控制方法，实现了多机器人编队以设定的队形沿编队参考轨迹行进。
[0034]在本专利技术中，可以避免传统的领航
‑
跟随者模式中跟随者对领航者过度依赖，如果领航者出现故障则会导致整个系统出现崩溃，而本专利技术中虚拟领航者则直接用预设的轨迹点表示，不存在领航机器人自身问题；
[0035]并且，本专利技术有效解决传统领航
‑
跟随者模式中由于链式结构造成误差累积，导致编队偏离预设的轨迹。
[0036]另外，本专利技术以跟随机器人为局部坐标系，建立虚拟领航机器人在跟随者的极坐标系下的相对位姿关系。在实际应用中可以很方便地利用跟随机器人自身携带的距离和角度测量传感器(相机、激光雷达等)直接测量得到(虚拟)领航者相对位姿。避免了以(虚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟领航
‑
跟随者的多机器人编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：建立虚拟领航
‑
跟随者模式的多机器人编队几何结构；其中，设定一台虚拟领航机器人在编队参考轨迹点上随队行进，编队内机器人均为跟随机器人；基于多机器人编队几何结构建立队形结构知识库；所述队形结构知识库中包括保持每种队形所需的队形参数；所述队形参数包括每个跟随机器人与虚拟领航机器人之间的期望相对距离和期望方位角；在以编队队形执行轨迹跟踪任务中，跟随机器人从队形结构知识库得到的队形参数；利用具有实时估计虚拟领航机器人线速度的运动控制器，对跟随机器人的线速度和角速度进行控制，使跟随机器人与虚拟领航机器人之间的相对距离和相对方位角收敛到保持队形所需的期望相对距离和期望相对方位角。2.根据权利要求1所述的多机器人编队控制方法，其特征在于，多机器人编队的队形为采用有向无环图进行描述的可伸缩队形；每个机器人看作成一个顶点，两个机器人之间的关系看作是边；每个机器人都有唯一的ID号；其中，队形参数矩阵为机器人的ID号；为机器人i的编队形状参数；f
i1
为机器人i的编号，f
i2
为机器人i与虚拟领航机器人之间需要保持的期望距离f
i3
为机器人i与虚拟领航机器人之间的期望方位角3.根据权利要求2所述的多机器人编队控制方法，其特征在于，具有实时估计虚拟领航机器人线速度的跟随机器人运动控制器根据跟随机器人坐标系下虚拟领航机器人的相对状态，队形参数决定的期望相对距离和期望相对方位角，以及对虚拟领航机器人线速度实时估计值，计算出跟随机器人的线速度和角速度。4.根据权利要求3所述的多机器人编队控制方法，其特征在于，跟随机器人坐标系下虚拟领航机器人的相对状态方程为：在跟随机器人坐标系O
F
X
F
Y
F
下，虚拟领航者的极坐标表示为其中l
LF
＞0为虚拟领航机器人与跟随机器人之间的相对距离，为虚拟领航机器人在跟随机器人的极坐标系下的方位角；ψ
LF
∈[
‑
π,π)为虚拟领航机器人与跟随机器人之...

【专利技术属性】
技术研发人员：史聪灵，车洪磊，王刚，刘国林，韩松，钱小东，
申请(专利权)人：中国安全生产科学研究院，
类型：发明
国别省市：