一种网络化多移动机器人分布式保性能包含控制方法技术

本发明专利技术涉及一种网络化多移动机器人分布式保性能包含控制方法，首先建立遭受不确定环境干扰影响的移动机器人动力学模型，并采用跟踪微分器对多领航者机器人的速度状态进行估计；其次基于多移动机器人动力学模型、结合多领航者机器人的速度状态估计信息，构造多移动机器人分布式包含控制协议；然后设计固定时间干扰观测器对外部扰动进行实时估计与补偿；最后利用性能函数结合误差转换函数对多移动机器人分布式包含控制协议进行性能转换，针对多移动机器人包含控制系统中领航者机器人速度状态无法精确获取和同步误差瞬态值、超调量等动态性能无法得到保障的情况，能够有效控制跟随者机器人被驱动至领航者机器人所形成的凸包内。包内。包内。

【技术实现步骤摘要】
一种网络化多移动机器人分布式保性能包含控制方法


[0001]本专利技术涉及一种网络化多移动机器人分布式保性能包含控制方法，属于移动机器人协同编队控制


技术介绍

[0002]近年来，多机器人系统逐渐趋向精准、便捷、高效和复杂的智能化发展，在生活、工作和军事中扮演着越来越重要的角色。包含控制作为多机器人协同控制的一种形式，因其能够满足诸多特殊实际工程的需要而具有重要的理论意义和应用价值。多移动机器人包含控制问题是指领航者机器人形成固定编队，跟随者机器人能够快速运动到由领航者机器人编队所形成的凸包内，以完成某些具有特殊需求的工作。当多机器人队伍需要沿着路径到达目的地时，若途中遇到各种危险区域或障碍物，可由领航者机器人对障碍物进行探测，同时通过编队形成安全区域，这时只要跟随者通过包含控制方法保持在由领航者机器人形成的凸包内运动，就能在保障安全的情况下运动到目的地。在执行大面积水上搜救任务时，可将跟随者机器人驱动至由领航者机器人编队所覆盖的搜救区域内进行精细化探测，可大幅提高救援任务执行的效率。
[0003]传统多移动机器人包含控制方法尚存一些技术问题：(1)理想状态下，控制系统中领航者机器人的速度状态可以通过传感器直接获取，但在实际工程中，领航者的速度状态常常因为传感器的性能限制而不能精准测量，无法达到预期的控制效果；(2)多移动机器人系统在工作的过程中，不可避免受到各种不确定干扰的影响从而导致系统不能正常运行，甚至使整个控制系统失效。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种网络化多移动机器人分布式保性能包含控制方法，在外界干扰存在的情况下，有效保证跟随者机器人被驱动至领航者机器人所形成的凸包内。
[0005]本专利技术为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术设计了一种网络化多移动机器人分布式保性能包含控制方法，针对包含M个领航者机器人与N个跟随者机器人的n维空间多移动机器人系统，按如下步骤，实现对n维空间多移动机器人系统中各跟随者机器人的协同控制；
[0006]步骤A.建立惯性坐标系下多领航者机器人与多跟随者机器人分别对应的动力学模型，并采用跟踪微分器对多领航者机器人所对应动力学模型中的速度状态进行估计，获得多领航者机器人所对应的速度状态估计信息，然后进入步骤B；
[0007]步骤B.根据惯性坐标系下多领航者机器人与多跟随者机器人分别对应的动力学模型，结合多领航者机器人所对应的速度状态估计信息，构造多移动机器人分布式包含控制协议，然后进入步骤C；
[0008]步骤C.针对遭受不确定环境干扰影响的跟随者机器人动力学模型，设计固定时间
干扰观测器，用于对外部扰动进行实时估计与补偿，然后进入步骤D；
[0009]步骤D.利用性能函数，并结合误差转换函数，针对多移动机器人分布式包含控制协议进行性能转换，更新多移动机器人分布式包含控制协议，然后进入步骤E；
[0010]步骤E.根据更新后的多移动机器人分布式包含控制协议，结合固定时间干扰观测器的观测信息，设计多移动机器人分布式包含控制器，用于对n维空间多移动机器人系统中的各跟随者机器人实现协同控制。
[0011]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤A中按如下操作，建立惯性坐标系下多领航者机器人与多跟随者机器人分别对应的动力学模型；
[0012]首先建立惯性坐标系下多领航者机器人所对应动力学模型如下：
[0013][0014]l＝1、...、M，x
l
＝(x
l,1
,
…
,x
l,n
)，x
l
表示n维空间多移动机器人系统中第l个领航者机器人的位置状态，x
l,n
表示第l个领航者机器人对应第n维方向的位置状态；v
l
表示n维空间多移动机器人系统中第l个领航者机器人的速度状态；u
l
表示n维空间多移动机器人系统中第l个领航者机器人的控制输入量；
[0015]然后建立惯性坐标系下多跟随者机器人所对应动力学模型如下：
[0016][0017]k＝1、...、N，x
k
＝(x
k,1
,
…
,x
k,n
)，x
k
表示n维空间多移动机器人系统中第k个跟随者机器人的位置状态，x
k,n
表示第k个跟随者机器人对应第n维方向的位置状态；v
k
表示n维空间多移动机器人系统中第k个跟随者机器人的速度状态；u
k
表示n维空间多移动机器人系统中第k个跟随者机器人的控制输入量，ω
k
表示n维空间多移动机器人系统中第k个跟随者机器人所对应的不确定外界干扰。
[0018]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤A中按如下操作，采用跟踪微分器对多领航者机器人所对应动力学模型中的速度状态进行估计，获得多领航者机器人所对应的速度状态估计信息；
[0019]针对n维空间多移动机器人系统中的多领航者机器人，建立二阶跟踪微分器如下：
[0020][0021]其中，z1和z2分别表示二阶跟踪微分器的状态变量，非线性函数F(z1,z2)＝ξ(z1)+ξ(z2)，τ
l
为第l个领航者机器人所对应二阶跟踪微分器中大于0的预设常数参量，根据非线性函数F(
·
)的解满足z1(t)
→
0、且z2(t)
→
0(t
→
∞)，则对于任意满足T＞0的可积、且有界信号Q
l
，更新二阶跟踪微分器如下，t表示时间变量，z1(t)表示二阶跟踪微分器中一阶状态分量对应时刻t的值，z2(t)表示二阶跟踪微分器中二阶状态分量对应时刻t的值，T表示某一大于零的时刻，Q
l
表示任意满足T＞0的可积、有界信号，是跟踪
微分器的输入信号；
[0022][0023]即在有限时间内确保|X1‑
Q
l
|和有界，进而应用该二阶跟踪微分器，获得多领航者机器人所对应动力学模型中速度状态v
l
的估计值即获得多领航者机器人中第l个领航者机器人所对应的速度状态估计信息l＝1、...、M，X1和X2表示针对输入信号Q
l
所构造二阶跟踪微分器的状态变量，R
l
表示预设正的可调参数，“.”表示微分，表示输入信号Q
l
的微分信号估计值。
[0024]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤B包括如下：
[0025]首先以n维空间多移动机器人系统中各移动机器人为各节点，两两移动机器人分别所对应节点之间建立边，定义n维空间多移动机器人系统的通信拓扑图其中，i＝1、
…
、M+N，j＝1、
…
、M+N，表示n维空间多移动机器人系统中所有节点的集合，υ
i
表示n维空间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种网络化多移动机器人分布式保性能包含控制方法，其特征在于：针对包含M个领航者机器人与N个跟随者机器人的n维空间多移动机器人系统，按如下步骤，实现对n维空间多移动机器人系统中各跟随者机器人的协同控制；步骤A.建立惯性坐标系下多领航者机器人与多跟随者机器人分别对应的动力学模型，并采用跟踪微分器对多领航者机器人所对应动力学模型中的速度状态进行估计，获得多领航者机器人所对应的速度状态估计信息，然后进入步骤B；步骤B.根据惯性坐标系下多领航者机器人与多跟随者机器人分别对应的动力学模型，结合多领航者机器人所对应的速度状态估计信息，构造多移动机器人分布式包含控制协议，然后进入步骤C；步骤C.针对遭受不确定环境干扰影响的跟随者机器人动力学模型，设计固定时间干扰观测器，用于对外部扰动进行实时估计与补偿，然后进入步骤D；步骤D.利用性能函数，并结合误差转换函数，针对多移动机器人分布式包含控制协议进行性能转换，更新多移动机器人分布式包含控制协议，然后进入步骤E；步骤E.根据更新后的多移动机器人分布式包含控制协议，结合固定时间干扰观测器的观测信息，设计多移动机器人分布式包含控制器，用于对n维空间多移动机器人系统中的各跟随者机器人实现协同控制。2.根据权利要求1所述一种网络化多移动机器人分布式保性能包含控制方法，其特征在于：所述步骤A中按如下操作，建立惯性坐标系下多领航者机器人与多跟随者机器人分别对应的动力学模型；首先建立惯性坐标系下多领航者机器人所对应动力学模型如下：l＝1、...、M，x
l
＝(x
l,1
,
…
,x
l,n
)，x
l
表示n维空间多移动机器人系统中第l个领航者机器人的位置状态，x
l,n
表示第l个领航者机器人对应第n维方向的位置状态；v
l
表示n维空间多移动机器人系统中第l个领航者机器人的速度状态；u
l
表示n维空间多移动机器人系统中第l个领航者机器人的控制输入量；然后建立惯性坐标系下多跟随者机器人所对应动力学模型如下：k＝1、...、N，x
k
＝(x
k,1
,
…
,x
k,n
)，x
k
表示n维空间多移动机器人系统中第k个跟随者机器人的位置状态，x
k,n
表示第k个跟随者机器人对应第n维方向的位置状态；v
k
表示n维空间多移动机器人系统中第k个跟随者机器人的速度状态；u
k
表示n维空间多移动机器人系统中第k个跟随者机器人的控制输入量，ω
k
表示n维空间多移动机器人系统中第k个跟随者机器人所对应的不确定外界干扰。3.根据权利要求1所述一种网络化多移动机器人分布式保性能包含控制方法，其特征在于：所述步骤A中按如下操作，采用跟踪微分器对多领航者机器人所对应动力学模型中的速度状态进行估计，获得多领航者机器人所对应的速度状态估计信息；针对n维空间多移动机器人系统中的多领航者机器人，建立二阶跟踪微分器如下：
其中，z1和z2分别表示二阶跟踪微分器的状态变量，非线性函数F(z1,z2)＝ξ(z1)+ξ(z2)，τ
l
为第l个领航者机器人所对应二阶跟踪微分器中大于0的预设常数参量，根据非线性函数F(
·
)的解满足z1(t)
→
0、且z2(t)
→
0(t
→
∞)，则对于任意满足T＞0的可积、且有界信号Q
l
，更新二阶跟踪微分器如下，t表示时间变量，z1(t)表示二阶跟踪微分器中一阶状态分量对应时刻t的值，z2(t)表示二阶跟踪微分器中二阶状态分量对应时刻t的值，T表示某一大于零的时刻，Q
l
表示任意满足T＞0的可积、有界信号，是跟踪微分器的输入信号；即在有限时间内确保|X1‑
Q
l
|和有界，进而应用该二阶跟踪微分器，获得多领航者机器人所对应动力学模型中速度状态v
l
的估计值即获得多领航者机器人中第l个领航者机器人所对应的速度状态估计信息l＝1、...、M，X1和X2表示针对输入信号Q
l
所构造二阶跟踪微分器的状态变量，R
l
表示预设正的可调参数，“.”表示微分，表示输入信号Q
l
的微分信号估计值。4.根据权利要求1所述一种网络化多移动机器人分布式保性能包含控制方法，其特征在于：所述步骤B包括如下：首先以n维空间多移动机器人系统中各移动机器人为各节点，两两移动机器人分别所对应节点之间建立边，定义n维空间多移动机器人系统的通信拓扑图其中，i＝1、
…
、M+N，j＝1、
…
、M+N，表示n维空间多移动机器人系统中所有节点的集合，υ
i
表示n维空间多移动机器人系统中第i个机器人对应的节点；表示n维空间多移动机器人系统中所有边的集合，e
ji
表示n维空间多移动机器人系统中第j个机器人所对应节点与第i个机器人所对应节点之间的边，表示n维空间多移动机器人系统的邻接矩阵，a
ij
表示n维空间多移动机器人系统中各条边上的权重系数，当第j个机器人与第i个机器人之间具备通信交互通道，则a
ij
＝1，否则a
ij
＝0，且a
ii
＝0、a
jj
＝0，并分别针对各移动机器人所对应节点，定义移动机器人所对应节点直接相连各边上权重系数之和、作为该移动机器人所对应节点的入度，即d
i
(υ
i
)＝∑a
ij
；然后针对n维空间多移动机器人系统的通信拓扑图，根据l＝1、...、M，k＝1、...、N，定义第k个跟随者机器人所对应节点与第l个领航者机器人所对应节点之间边上的权重系数
b
kl
，即若第k个跟随者机器人与第l个领航者机器人之间具备通信交互通道，则b
kl
＝1，否则b
kl
＝0；最后根据惯性坐标系下多领航者机器人与多跟随者机器人分别对应的动力学模型，结合多领航者机器人所对应的速度状态估计信息，构造多移动机器人一致性包含控制误差面如下，多移动机器人分布式包含控制协议；s
kx
＝[s
kx,1
,
…

【专利技术属性】
技术研发人员：曹志斌，孙山林，翁扬锦，龙诗科，罗维，
申请(专利权)人：桂林航天工业学院，
类型：发明
国别省市：