一种通信受限的多机器人协同等值面跟踪方法技术

本发明专利技术提出一种通信受限的多机器人协同等值面跟踪方法，包括，建立移动机器人的三维动力学模型；针对通信受限环境，机器人之间无法相互通信的情况，通过机器人携带的传感器测量场强、次目标数值以及相邻机器人的相对位置；在本地对相对位置数据进行主成分分析，计算机器人协同运动方向；最后基于本地传感器测量值和协同运动方向设计控制方法。本发明专利技术提供了一种通信受限环境下的多机器人等值面跟踪方法，该方法能够实现多机器人在互不通信的情况下协同跟踪等值面，同时优化次目标，并通过中心收缩的方法控制距离，为多机器人在环境监测领域的实际应用奠定了关键基础。测领域的实际应用奠定了关键基础。测领域的实际应用奠定了关键基础。

【技术实现步骤摘要】
一种通信受限的多机器人协同等值面跟踪方法


[0001]本专利技术属于多机器人协同环境监测领域，主要涉及一种通信受限条件下的多机器人协同等值面跟踪方法。

技术介绍

[0002]近年来，机器人等值面跟踪技术在环境监测领域的应用得到快速发展，比如森林火灾监测、海洋污染物监测、空气污染监测等。对于大规模的复杂任务，多机器人协同的等值面方法跟踪相较于单机器人方法，具有更高的效率、更好的鲁棒性与精度。
[0003]等值面跟踪是场源搜索的拓展方式：三维空间中，机器人搜索期望的场强位置，并跟踪该场强对应的等值面，以此获得信号场的分布情况，监测或记录信号场。当期望场强的大小等于场源大小时，等值面跟踪等同于场源搜索。
[0004]现有的多机器人等值面跟踪方法往往通过机器人之间的彼此通信获得各自的传感器测量值和GPS位置信息，以此对信号场的梯度信息进行联合估计，从而实现对期望等值面的跟踪。
[0005]然而，在特殊的极端环境(如强电磁干扰的敌对环境、深海环境等)下，多机器人系统通常无法保证稳定的通信信道，即无法获得GPS位置信息和除本身以外其他机器人的传感器信息。因此，现有的多机器人等值面跟踪方法无法在通信受限的条件下使用。
[0006]在通信受限的条件下，多机器人等值面跟踪方法主要有两个难点：(1)通信受限下，多机器人如何实现协同控制与高效协同决策；(2)机器人运动轨迹是二维线性的，如何实现三维等值面的跟踪估计。
[0007]目前，针对(1)通信受限下多机器人控制与决策的常见方案有：a、领导/>‑
跟随方案；b、间歇性通信方案。其中a方案核心思想为设定一个领导机器人，所有决策仅在领导机器人本地做出，而其余机器人跟随领导机器人。这种方法在互不通信的情况下，无法共享机器人之间的有效信息，这可能导致决策的效益低下。b方案则要求提供间歇性通信，允许机器人主动断开通信，并在一段时间后重新通信，例如水下环境中的机器人定期上浮至水面进行通信。这种方法增加了额外的通信成本，限制了系统的灵活性，同时通信的信息有很强的滞后性。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种通信受限下的多机器人协同等值面跟踪方法，解决通信受限时，多机器人在无法交互传感器测量值与GPS位置信息情况下的等值面跟踪问题。
[0009]为了解决上述问题，本专利技术提供了如下技术方案：
[0010]本专利技术首先提供了一种通信受限下的多机器人协同等值面跟踪方法，其包括以下步骤：
[0011]步骤1：在三维空间中建立移动机器人的动力学模型：
[0012][0013]其中，r
i
(t)＝[x(t),y(t),z(t)]表示第i个移动机器人t时刻在三维空间中的位置；i＝1,2,
…
,N，N为机器人的个数；表示第i个移动机器人t时刻的运动速度；u
i
(t)表示第i个移动机器人t时刻的控制输入；
[0014]步骤2：考虑通信受限问题，所有移动机器人仅通过自身携带的传感器进行探测；得到机器人自身所在位置的场强、机器人自身所在位置的次目标强度，以及机器人自身与所有其他机器人的相对位置；
[0015]步骤3：将步骤2得到的相对位置信息进行主成分分析，在互不通信的条件下，得到多机器人系统的协同运动方向，
[0016]步骤4：利用步骤2得到的机器人自身所在位置的场强、所在位置的次目标强度和步骤3得到的协同运动方向设计运动学控制器；
[0017]步骤5：利用步骤4设计的运动学控制器对多机器人进行协同控制，实现通信受限下的多机器人等值面跟踪任务。
[0018]进一步的，步骤2中，所述的传感器包括场强传感器和距离传感器；所述场强传感器用于测量任意时刻下机器人自身所在位置r
i
(t)的场强和次目标强度；所述距离传感器用于测量机器人自身与所有其他机器人的相对位置。
[0019]进一步的，所述的步骤2具体包括如下子步骤：
[0020]步骤2.1：移动机器人i通过自身场强传感器测量t时刻自身所在位置r
i
(t)的场强z
i
(t)，其表示为：
[0021][0022]其中，为待监测的信号场的函数表达式；
[0023]步骤2.2：移动机器人i通过自身场强传感器测量t时刻自身所在位置r
i
(t)的次目标强度f
i
(t)，其表示为：
[0024][0025]其中，为待监测的次目标场的函数表达式；
[0026]步骤2.3：移动机器人i通过自身距离传感器测量t时刻自身与所有其他机器人的相对位置r
ij
(t)，其表示为：
[0027]r
ij
(t)＝r
j
(t)
‑
r
i
(t)，r
ii
(t)＝0，j＝1,2,
…
,N。
[0028]进一步的，所述的步骤2.2中，所述的次目标根据机器人的实际应用场景选择，机器人将在满足等值面跟踪的前提下自适应地优化次目标，最终收敛于次目标在等值面上的投影。
[0029]进一步的，所述的步骤3具体包括以下子步骤：
[0030]步骤3.1：移动机器人i根据测量得到的相对位置信息构建对应的协方差矩阵C
i
(t)，其表示为：
[0031][0032]其中为机器人i测量得到相对位置的均值；
[0033]步骤3.2：由于每个机器人都能观测到所有其他机器人，则所有机器人的协方差矩
阵是相同的C(t)，其用绝对位置表示为：
[0034][0035]其中为所有机器人位置的中心；
[0036]步骤3.3：对步骤3.2得到的协方差矩阵进行特征值分解，得到一组一一对应的特征值{λ0,λ1,λ2}与三维特征向量{V0,V1,V2}，其中根据特征值的大小关系λ0<λ1<λ2对特征向量进行排序；将该三维特征向量的线性组合作为多机器人系统的协同运动方向。
[0037]进一步的，所述的步骤4包括以下子步骤：
[0038]步骤4.1：标量信号场中的等值面表示为其中z
d
为期望的场强大小；
[0039]步骤4.2：设计t时刻机器人i的控制输入为：
[0040]u
i
(t)＝k0(z
i
‑
z
d
)V0+k1f
i
V1+k2V2+K
c
(r
c
‑
r
i
)
[0041]其中，k0>0，k1>0，k2>0为控制参数；k
c
>0，γ>0为距离参数；k0(z
i
‑
z
d...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通信受限下的多机器人协同等值面跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在三维空间中建立移动机器人的动力学模型：其中，r
i
(t)＝[x(t),y(t),z(t)]表示第i个移动机器人t时刻在三维空间中的位置；i＝1,2,
…
,N，N为机器人的个数；表示第i个移动机器人t时刻的运动速度；u
i
(t)表示第i个移动机器人t时刻的控制输入；步骤2：考虑通信受限问题，所有移动机器人仅通过自身携带的传感器进行探测；得到机器人自身所在位置的场强、机器人自身所在位置的次目标强度，以及机器人自身与所有其他机器人的相对位置；步骤3：将步骤2得到的相对位置信息进行主成分分析，在互不通信的条件下，得到多机器人系统的协同运动方向，步骤4：利用步骤2得到的机器人自身所在位置的场强、所在位置的次目标强度和步骤3得到的协同运动方向设计运动学控制器；步骤5：利用步骤4设计的运动学控制器对多机器人进行协同控制，实现通信受限下的多机器人等值面跟踪任务。2.根据权利要求1所述的一种通信受限下的多机器人协同等值面跟踪方法，其特征在于，步骤2中，所述的传感器包括场强传感器和距离传感器；所述场强传感器用于测量任意时刻下机器人自身所在位置r
i
(t)的场强和次目标强度；所述距离传感器用于测量机器人自身与所有其他机器人的相对位置。3.根据权利要求1所述的一种通信受限下的多机器人协同等值面跟踪方法，其特征在于，所述的步骤2具体包括如下子步骤：步骤2.1：移动机器人i通过自身场强传感器测量t时刻自身所在位置r
i
(t)的场强z
i
(t)，其表示为：其中，为待监测的信号场的函数表达式；步骤2.2：移动机器人i通过自身场强传感器测量t时刻自身所在位置r
i
(t)的次目标强度f
i
(t)，其表示为：其中，为待监测的次目标场的函数表达式；步骤2.3：移动机器人i通过自身距离传感器测量t时刻自身与所有其他机器人的相对位置r
ij
(t)，其表示为：r
ij
(t)＝r
j
(t)
‑
r
i
(t)，r
ii
(t)＝0，j＝1，2，
...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑荣濠，丁天逸，刘妹琴，张森林，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：