基于等效输入扰动观测器的多移动机器人编队控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于等效输入扰动观测器的多移动机器人编队控制方法，包括以下步骤：1）建立考虑编队机器人间通信时延的多移动机器人控制系统数学模型以及编队控制问题描述。2）由编队控制误差动态方程设计多移动机器人编队速度控制律。3）基于等效输入扰动观测器设计编队移动机器人力矩控制律。4）基于等效输入干扰观测器的多移动机器人编队控制系统稳定性分析。本发明专利技术可以全面考虑到多移动机器人编队系统所受到的多种不确定因素，并可简化系统对不确定因素的建模过程，可以提高编队系统扰动估计的准确性和快速性，实现编队的可靠稳定控制。定控制。定控制。

【技术实现步骤摘要】
基于等效输入扰动观测器的多移动机器人编队控制方法


[0001]本专利技术涉及多移动机器人控制
，尤其涉及一种基于等效输入扰动观测器的多移动机器人编队控制方法。

技术介绍

[0002]多移动机器人编队控制可以完成一些单一移动机器人无法完成的作业任务，因此，相比于单个机器人，多移动机器人系统具有诸多优势。但伴随着多移动机器人控制系统中机器人数量的增加，其控制的复杂度也相应的增加了。在多移动机器人系统中，机器人间通信时延问题以及其他一些不确定性因素的存在都对系统的有效控制带来了极大的挑战。
[0003]为了提高编队系统的控制精度，一种有效的解决方案是在控制系统中引入主动抗扰技术，即通过设计扰动观测器对系统的总和扰动进行快速有效的观测，并在系统控制律设计中加以补偿处理，进而抵消总和扰动对系统控制性能的影响。等效输入扰动技术，将作用于系统的总和扰动建模为仅作用于系统控制输入通道的等效输入扰动，然后通过设计扰动观测器对控制输入通道的等效输入扰动加以观测，即可快速抑制总和扰动的不利影响，提高编队系统的控制性能。
[0004]本专利技术采用Zhijun Li论文(Vision
‑
based model predictive control for steering of a nonholonomic mobile robot)中的移动机器人模型给出了一种基于等效输入扰动观测器的多移动机器人编队控制方法，该方法可实现对系统总和扰动的快速有效估计，及时消除编队系统中存在的多种不确定性因素的消极影响，提高多移动机器人编队系统的控制精度。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的就是为了实现对多移动机器人协同编队系统控制过程中存在的总和扰动的快速、准确估计，提高编队系统的控制精度以及鲁棒性能，提供一种基于等效输入扰动观测器的多移动机器人编队控制方法。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种基于等效输入扰动观测器的多移动机器人编队控制方法，具体步骤如下：
[0008]步骤1，建立考虑编队机器人间通信时延的多移动机器人控制系统数学模型以及编队控制问题描述；
[0009]1.1定义q
i
＝[x
i y
i θ
i
]T
∈R3为第i个移动机器人的位姿向量，其中，x
i
，y
i
为移动机器人参考点的位置坐标，θ
i
为移动机器人的方向角；u
i
＝[v
i ω
i
]T
∈R2为移动机器人的速度向量，具体由移动机器人的线速度和角速度构成；为移动机器人的正定惯性矩阵，其中，m
i
为移动机器人的质量，I
i
为移动机器人关于质心的转
动惯量；F
i
∈R2为地面摩擦力向量；τ
di
∈R2为移动机器人所受到的外部时变有界扰动；为移动机器人输入力矩变换阵，其中，r
i
为驱动轮半径，2b
i
为移动机器人驱动轮的间距；τ
i
(t)＝[τ
1i τ
2i
]T
∈R2为移动机器人的输入力矩向量，其中，τ
1i
，τ
2i
为τ
i
(t)的两个分量；d
i
(t)为网络诱导时延。则轮式移动机器人i的运动学和动力学模型可描述为：
[0010][0011]1.2将网络诱导时延d
i
(t)建模为系统的扰动信号：
[0012]f
i
＝B
i
[τ
i
(t
‑
d
i
(t))
‑
τ
i
(t)]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0013]由此，可以将系统的地面摩擦力、外部扰动以及网络诱导时延建模为系统的总和扰动，考虑网络诱导时延的移动机器人动力学模型可重写为
[0014][0015]式中，为系统的总和扰动向量，Δ
1i
，Δ
2i
分别为总和扰动向量的分量一和分量二。
[0016]1.3基于等效输入扰动技术，将作用于系统的总和扰动替换为作用于系统控制输入通道的等效输入扰动Ω
i
，则系统态方程(3)可重写为
[0017][0018]式中，为系统的等效输入扰动向量，其中，Ω
1i
为等效输入扰动向量的第一个分量，Ω
2i
为等效输入扰动向量的第二个分量，假设等效输入扰动各分量的一阶导数有界。
[0019]1.4假设领航移动机器人产生的参考轨迹为：
[0020][0021]式中，q0＝[x
0 y
0 θ0]T
∈R3为领航移动机器人的运动轨迹；v0为领航移动机器人的线速度；ω0为领航移动机器人的角速度。
[0022]1.5定义期望的编队队形参数l
id
，θ
id
，其中，l
id
为期望的编队相对距离，θ
id
为期望的相对方向角。进而通过坐标变换可得跟随移动机器人i参考点的期望轨迹：
[0023][0024]式中，[x
id y
id
]T
∈R2,i＝1,2,3,
…
,N，表示跟随移动机器人i的期望轨迹，领航机器人通过无线通信网络将该轨迹发送给与其编队的跟随移动机器人。
[0025]1.6若选取跟随移动机器人本地坐标系x
bi
轴正向上的一点p
i
作为参考点，那么该点的坐标在全局坐标系XOY中可表示为：
[0026][0027]式中，L
i
表示参考点与跟随移动机器人本地坐标系坐标原点的间距。
[0028]1.7定义编队控制误差向量：
[0029][0030]对式(8)求时间导数，并结合式(6)、式(7)可得多移动机器人编队控制误差动态方程：
[0031][0032]式中，其中，Γ
1i
，Γ
2i
分别为向量Γ
i
的两个分量；
[0033]步骤2，由编队控制误差动态方程设计多移动机器人编队速度控制律；
[0034]2.1由式(9)，u
vi
，u
ωi
可设计为
[0035][0036]式中，β
1i
＞0，β
2i
＞0为编队速度控制律设计参数。
[0037]2.2设计李雅普诺夫函数：
[0038][0039][0040]2.3对式(11)、式(12)求导可得：
[0041][0042][0043]2.4结合式(9)，可得编队速度控制律为：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于等效输入扰动观测器的多移动机器人编队控制方法，其特征在于：具体包括如下步骤：步骤1、建立考虑编队机器人间通信时延的多移动机器人控制系统数学模型以及编队控制问题描述；步骤2、由编队控制误差动态方程设计多移动机器人编队速度控制律；步骤3、设计基于等效输入扰动观测器的编队移动机器人力矩控制律；步骤4、基于等效输入干扰观测器的多移动机器人编队控制系统稳定性分析。2.根据权利要求1所述的一种基于等效输入扰动观测器的多移动机器人编队控制方法，其特征在于：步骤1所述的建立考虑编队机器人间通信时延的多移动机器人控制系统数学模型以及编队控制问题描述，具体如下：1.1定义q
i
＝[x
i y
i θ
i
]
T
∈R3为第i个移动机器人的位姿向量，其中，x
i
，y
i
为移动机器人参考点的位置坐标，θ
i
为移动机器人的方向角；u
i
＝[v
i ω
i
]
T
∈R2为移动机器人的速度向量，由移动机器人的线速度和角速度构成；为移动机器人的正定惯性矩阵，其中，m
i
为移动机器人的质量，I
i
为移动机器人关于质心的转动惯量；F
i
∈R2为地面摩擦力向量；τ
di
∈R2为移动机器人所受到的外部时变有界扰动；为移动机器人输入力矩变换阵，其中，r
i
为驱动轮半径，2b
i
为移动机器人驱动轮的间距；τ
i
(t)＝[τ
1i τ
2i
]
T
∈R2为移动机器人的输入力矩向量，其中，τ
1i
、τ
2i
为τ
i
(t)的两个分量；d
i
(t)为网络诱导时延，则轮式移动机器人i的运动学和动力学模型描述为：1.2将网络诱导时延d
i
(t)建模为系统的扰动信号：f
i
＝B
i
[τ
i
(t
‑
d
i
(t))
‑
τ
i
(t)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)由此，将系统的地面摩擦力、外部扰动以及网络诱导时延建模为系统的总和扰动，考虑网络诱导时延的移动机器人动力学模型重写为式中，为系统的总和扰动向量，Δ
1i
，Δ
2i
分别为总和扰动向量的分量一和分量二；1.3基于等效输入扰动技术，将作用于系统的总和扰动替换为作用于系统控制输入通道的等效输入扰动Ω
i
，则系统态方程(3)重写为
式中，为系统的等效输入扰动向量，其中，Ω
1i
为等效输入扰动向量的第一个分量，Ω
2i
为等效输入扰动向量的第二个分量，假设等效输入扰动各分量的一阶导数有界；1.4假设领航移动机器人产生的参考轨迹为：式中，q0＝[x
0 y
0 θ0]
T
∈R3为领航移动机器人的运动轨迹；v0为领航移动机器人的线速度；ω0为领航移动机器人的角速度；1.5定义期望的编队队形参数l
id
、θ
id
，其中，l
id
为期望的编队相对距离，θ
id
为期望的相对方向角，进而通过坐标变换得到跟随移动机器人i参考点的期望轨迹：式中，[x
id y
id
]
T
∈R2,i＝1,2,3,
…
,N，表示跟随移动机器人i的期望轨迹，领航机器人通过无线通信网络将该轨迹发送给与其编队的跟随移动机器人；1.6选取跟随移动机器人本地坐标系x
bi
轴正向上的一点p
i
作为参考点，该点的坐标在全局坐标系XOY中表示为：式中，L
i
表示参考点与跟随移动机器人本地坐标系坐标原点的间距；1.7定义编队控制误差向量：对式(8)求时间导数，并结合式(6)、式(7)得到多移动机器人编队控制误差动态方程：式中，其中，Γ
1i
、Γ
2i
分别为向量Γ
i
的两个...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭一军，
申请(专利权)人：黄山学院，
类型：发明
国别省市：