一种协同目标包围与跟踪控制方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种协同目标包围与跟踪控制方法和装置，包括：获取移动机器人和目标的实时位置和速度信息；根据所述实时位置和速度信息，得到移动机器人相对于目标局部坐标系下的相对位置和速度信息；根据所述相对位置和速度信息，通过分布式协同耦合控制器实现多个非完整移动机器人协同包围和跟踪目标。采用本发明专利技术的技术方案，能够将非完整约束移动机器人与分布式协同控制方法相结合，在有限时间内快速实现多机器人包围和跟踪上目标，同时满足多机器人系统对跟踪精度和抗干扰性的要求，提高机器人的系统跟踪控制性能。人的系统跟踪控制性能。人的系统跟踪控制性能。

【技术实现步骤摘要】
一种协同目标包围与跟踪控制方法和装置


[0001]本专利技术属于多智能体协同控制
，尤其涉及一种面向多个 非完整移动机器人的协同目标包围与跟踪控制方法和装置，进一步涉 及多个非完整移动机器人协同包围和跟踪一个静止或运动目标，适用 于解决圆形编队控制问题。

技术介绍

[0002]近年来，利用一群自主移动机器人对静止或运动目标进行包围和 跟踪控制因其广泛的实际应用而引起了极大的研究兴趣，如运动目标 围捕和跟踪、车辆/舰队护送和巡逻、空间和地面探索、协同追踪和 监视、环境监测和采样等实际问题。在二维空间中多智能体协同包围 和跟踪目标大多采用圆形编队结构，因为其具有灵活简单易实现的特 点得到了广泛的应用。例如，在拦截和跟踪运动目标的过程中，圆形 编队不仅可以实现对目标的完全覆盖，而且可以灵活地跟踪运动目标， 大大降低了目标被攻击或逃逸的几率；在环境监测和采样过程中，形 成圆形队形的无人机群系统可以从不同角度更有效地观察指定目标， 确保采样过程的全面性和完整性。
[0003]在现实应用中，多机器人系统协同包围和跟踪的目标往往会以未 知的速度进行运动，但这种未知的运动状态一般可以由静止、匀速和 变速三种状态组成。机器人在二维或三维空间运动，环境中不可避免 地出现障碍物、外部干扰等现实问题，因此亟需选择合适的控制方法 解决这些问题。尤其对于具有非完整约束、非线性特征的移动机器人 与分布式协同控制技术相结合，使得多机器人协同目标包围与跟踪控 制研究更具有理论和实际应用价值。
[0004]目前，协同目标包围与跟踪控制问题常用的控制方法有：集群空 间控制、零空间行为空、循环追踪策略、图论法、向量场法和集聚运 动法等。而大多数方法适用于解决多智能体在圆周上均匀分布或者都 分布在同一个圆上，以及未考虑环境约束和机器人本身速度约束等。 很少方法研究机器人在圆周上初始相位的定位问题，而在实际应用背 景下，有时需求确定机器人相对于目标的初始相位。例如，多机器人 系统对目标监视时，需要提前规划好每个机器人的初始相位，从而对 特定区域进行巡视。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术提供一种面向多个非完整移动机器人的协 同目标包围与跟踪控制方法和装置，能够将非完整约束移动机器人与 分布式协同控制方法相结合，在有限时间内快速实现多机器人包围和 跟踪上目标，同时满足多机器人系统对跟踪精度和抗干扰性的要求， 提高机器人的系统跟踪控制性能。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下方案：
[0007]一种协同目标包围与跟踪控制方法，包括以下步骤：
[0008]获取移动机器人和目标的实时位置和速度信息；
[0009]根据所述实时位置和速度信息，得到移动机器人相对于目标局部 坐标系下的相
对位置和速度信息；
[0010]根据所述相对位置和速度信息，通过分布式协同耦合控制器实现 多个非完整移动机器人协同包围和跟踪目标。
[0011]作为优选，获取移动机器人和目标的实时位置和速度信息之前还 包括：
[0012]确定初始状态下所有机器人和目标在惯性坐标系下的编号；
[0013]根据所述编号建立非完整移动机器人的运动学模型以及非完整 移动机器人和目标的一阶动力学模型。
[0014]作为优选，根据所述实时位置和速度信息，基于所述运动学模型 得到移动机器人相对于目标局部坐标系下的相对位置和速度信息。
[0015]作为优选，所述分布式协同耦合控制器基于所述一阶动力学模型， 通过圆形运动控制律、相位分配与定位控制律和避障控制律，以自定 义的分配方式对静止或运动目标进行协同包围与跟踪控制。
[0016]作为优选，所述圆形运动控制律为所有机器人跟踪以目标为圆心 形成的期望圆环，并一直保持与目标的期望距离。
[0017]作为优选，所述相位分配与定位控制律为每个机器人保持与其编 号前一位邻居的期望相对相位，同时定位自身在圆周上的期望初始相 位。
[0018]作为优选，所述避障控制律为通过设置斥力势场产生排斥力进行 避障。
[0019]本专利技术还提供一种协同目标包围与跟踪控制装置，包括：
[0020]获取模块，用于获取移动机器人和目标的实时位置和速度信息；
[0021]处理模块，用于根据所述实时位置和速度信息，得到移动机器人 相对于目标局部坐标系下的相对位置和速度信息；
[0022]控制模块，用于根据所述相对位置和速度信息，通过分布式协同 耦合控制器实现多个非完整移动机器人协同包围和跟踪静止或运动 目标。
[0023]作为优选，还包括：
[0024]确定模块，用于确定初始状态下所有机器人和目标在惯性坐标系 下的编号；
[0025]建立模块，用于根据所述编号建立非完整移动机器人的运动学模 型以及非完整移动机器人和目标的一阶动力学模型。
[0026]作为优选，所述分布式协同耦合控制器基于一阶动力学模型，通 过圆形运动控制律、相位分配与定位控制律和避障控制律，以自定义 的分配方式对静止或运动目标进行协同包围与跟踪控制；其中，
[0027]所述圆形运动控制律为所有机器人跟踪以目标为圆心形成的期 望圆环，并一直保持与目标的期望距离；
[0028]所述相位分配与定位控制律为每个机器人保持与其编号前一位 邻居的期望相对相位，同时定位自身在圆周上的期望初始相位；
[0029]所述避障控制律为通过设置斥力势场产生排斥力进行避障。
[0030]本专利技术具有以下技术效果：
[0031]1.本专利技术提供的分布式协同耦合控制方法，能够不依赖于多机器 人系统的精确数学模型，并在给定的时间范围内，以非常简单的算法 实现平面上任意初始位置的多个非完整移动机器人运动到相同或不 同半径的圆上，并对给定的静止或运动目标协同包围和
跟踪，因此具 有更加广泛的应用前景。
[0032]2.本专利技术将圆形运动控制，相位分配与定位控制和避障控制相结 合，能同时实现多个非完整移动机器人运动到圆上指定位置并在运动 过程中能有效地避开障碍物，同时保证编队的稳定性。
[0033]3.本专利技术通过分布式协同耦合控制方法的运用，既提高了圆形轨 迹跟踪的精度和算法的收敛速度，又能很好的适用于具有非完整约束 和非线性特征的移动机器人，使得差速式移动机器人能快速包围和跟 踪上静止/运动目标，在实际应用时具有更好的追踪效果。
附图说明
[0034]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面 将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描 述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来 讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他 的附图。
[0035]图1为本专利技术的方法流程图；
[0036]图2为本专利技术实施例中惯性坐标系下n个非完整约束移动机器人 和目标的初始状态的示意图；
[0037]图3为本专利技术实施例中非完整约束移动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种协同目标包围与跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：获取移动机器人和目标的实时位置和速度信息；根据所述实时位置和速度信息，得到移动机器人相对于目标局部坐标系下的相对位置和速度信息；根据所述相对位置和速度信息，通过分布式协同耦合控制器实现多个非完整移动机器人协同包围和跟踪目标。2.如权利要求1所述的协同目标包围与跟踪控制方法，其特征在于，获取移动机器人和目标的实时位置和速度信息之前还包括：确定初始状态下所有机器人和目标在惯性坐标系下的编号；根据所述编号建立非完整移动机器人的运动学模型以及非完整移动机器人和目标的一阶动力学模型。3.如权利要求2所述的协同目标包围与跟踪控制方法，其特征在于，根据所述实时位置和速度信息，基于所述运动学模型得到移动机器人相对于目标局部坐标系下的相对位置和速度信息。4.如权利要求3所述的协同目标包围与跟踪控制方法，其特征在于，所述分布式协同耦合控制器基于所述一阶动力学模型，通过圆形运动控制律、相位分配与定位控制律和避障控制律，以自定义的分配方式对静止或运动目标进行协同包围与跟踪控制。5.如权利要求4所述的协同目标包围与跟踪控制方法，其特征在于，所述圆形运动控制律为所有机器人跟踪以目标为圆心形成的期望圆环，并一直保持与目标的期望距离。6.如权利要求4所述的协同目标包围与跟踪控制方法，其特征在于，所述相位分配与定位控制律为每个机器人保持与其编号前一位邻居的期望相对相位，同时...

【专利技术属性】
技术研发人员：王刚，黎星华，张承耀，李文俊，贾靖超，高晓珊，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：