一种基于编队完整度评价指数的机器人编队控制方法技术

本发明专利技术提供一种基于编队完整度评价指数的机器人编队控制方法，涉及机器人编队运动控制领域。该方法通过计算机器人实际编队与理想编队的队形平均中心距离误差、机器人到平均中心距离和的误差以及机器人角度误差，并根据实际编队应用场景下的各个误差的权值计算出编队完整度评价指数。在保留虚拟结构法位置约束的前提下融合速度约束，优先使用运算量小的速度约束作为编队运动控制方法，通过实时计算机器人编队完整度评价指数，当编队运动误差达到阈值时，编队控制方法切换至位置约束，消除运动误差，避免运动全程采用位置约束，可在保证编队队形稳定的前提下减少机器人路径规划次数，减少编队运动过程中的运算量，更满足实际环境下的应用需求。环境下的应用需求。环境下的应用需求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于编队完整度评价指数的机器人编队控制方法


[0001]本专利技术涉及机器人编队控制
，尤其涉及一种基于编队完整度评价指数的机器人编队控制方法。

技术介绍

[0002]机器人的编队控制主要采用领航跟随法、基于行为法、虚拟结构法以保证编队在运动过程中保持队形完整性。采用虚拟结构法编队的机器人系统有明确的队形结构，更方便控制机器人编队执行具体任务，在任务计划阶段能更好分析编队运动行为。将多机器人视作一个刚性整体实现虚拟结构法，机器人做相同的动作，在宏观上表现为一个“整体机器人”在运动，“整体机器人”内部保持刚性，即相对位置不变。虚拟结构法可以视作机器人跟随一个对应的虚拟领航者的领航跟随法。受制于虚拟结构法本身的特性，编队在运行过程中需要始终维持队形刚性结构，计算量较大。
[0003]采用虚拟结构法编队的机器人全程采用位置约束，每个机器人都运行完整的目标导航算法进行路径规划，保证了编队队形稳定性，由此需要大量的位置约束信息，随着编队内机器人数量的增加，机器人需要考虑的约束信息相应增加，导致运算量增大，难以满足实时性要求，在实际应用中存在一定局限性。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于编队完整度评价指数的机器人编队控制方法，从编队队形平均误差、编队机器人到平均中心距离和的误差、角度误差等因素综合评价机器人编队的队形完整度，并根据该评价指数切换速度约束与位置约束，在保证编队队形结构稳定的前提下，减少了整体的运算量。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：
[0006]一种基于编队完整度评价指数的机器人编队控制方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：根据实际编队队形内机器人位置坐标计算出实际平均中心坐标，并同时计算出理想队形下的平均中心坐标；根据两个平均中心坐标计算出两者之间的欧氏距离，得到平均中心误差；
[0008]步骤2：分别计算编队内各个机器人的实际坐标到实际平均中心坐标的欧氏距离，并求和；同时计算出理想队形中各个机器人理想坐标到理想平均中心坐标的欧氏距离，并求和；将两个距离和求差，得到距离和误差；
[0009]步骤3：分别计算各个机器人的实际yaw轴角度和理想yaw轴角度之差，并最后把各个差值求和，得到角度误差；
[0010]步骤4：将平均中心误差、距离和误差、角度误差根据不同权值求和，得到编队完整度评价指数；
[0011]步骤5：根据实时计算的编队完整度评价指数和一个预设阈值判断机器采用位置约束或者速度约束进行机器人编队控制，实现基于编队完整度评价指数的编队控制方法。
[0012]进一步地，所述步骤1中的平均中心误差E
c
定义为两个平均中心之间的欧式距离，即平均中心误差；
[0013]在地图坐标系中，只考虑机器人的位置坐标，各个机器人组成一个n边形，顶点坐标为(x
i
,y
i
)，i＝1，2
…
n，该n边形的平均中心C的坐标为(x
c
,y
c
)，其中)，其中
[0014]编队内机器人的实际位置和理想位置分别组成两个多边形，两个多边形的平均中心分别为为C和C
’
；平均中心误差E
c
如公式(1)所示：
[0015][0016]其中，(x
′
i
,y
′
i
)为理想编队队形形状n边形的顶点坐标。
[0017]进一步地，所述步骤2中的各个机器人坐标到平均中心坐标的欧式距离和L如公式(2)所示；
[0018][0019]编队机器人到平均中心距离和误差为E
L
如式(3)所示，其中L和L
’
分别为实际编队和理想编队中各个机器人坐标到平均中心坐标C和C
’
的距离的和；
[0020]E
L
＝|L
‑
L
′
|
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(3)。
[0021]进一步地，所述步骤3中，使用偏航角描述机器人的车头朝向，机器人的实际偏航角∈[
‑
π,π]与理想偏航角的差值e
i
如公式(4)所示；
[0022][0023]角度误差如公式(5)所示；
[0024][0025]进一步地，所述步骤4的编队完整度评价指数P如公式(6)所示，其中P为非负数，P越小，实际编队越接近于理想编队；
[0026][0027]其中给，权重Q＝[q1,q2,q3]T
；q1,q2,q3均为非负数，分别对应平均中心误差E
C
、平均中心距离和的误差E
L
、角度误差的敏感程度。
[0028]进一步地，q1,q2,q3的具体数值等比例缩放；q1,q2,q3的比例关系由运行环境和编队执行的任务要求确定，而其具体数值为方便后期数据处理设定相应取值范围。
[0029]进一步地，对于任务环境而言，E
C
、E
L
、的最大值是确定的，则q1≤P/E
C_max
，q2≤P/E
L_max
，则q1,q2,q3的比例关系为
[0030]进一步地，所述步骤5中，在编队队形形成之后的运动过程中优先使用速度约束作为编队队形的约束条件，在这个开环控制系统中，由于机器人累积误差的存在，编队不能长时间保持稳定结构；引入队形完整度评价指数量化机器人编队的松散程度，根据机器人运行环境、编队任务要求设置合适的阈值，适时切换至位置约束条件，各个机器人通过路径规划运动至理想编队中对应的位置，即能消除累积误差，从而重新切换至速度约束条件。
[0031]进一步地，所述速度约束条件，编队行进过程中，其中一个机器人作为领队进行路径规划，实现机器人完整目标点导航算法，而编队中其他机器人采用速度约束来维持机器
人编队的行进，受速度约束的机器人的实际位置只与机器人的初始位姿和后续的速度控制指令相关，而与编队内部的其他机器人位置无关，没有全局地图反馈，此时队形保持是开环控制；因此在不考虑机器人运动误差的理想情况下，机器人在形成编队队形之后只通过速度约束仍然能保证机器人编队队形稳定。
[0032]进一步地，所述位置约束条件，编队中的机器人看作是领航跟随法中的跟随者，每个机器人都有一个对应的虚拟领航者；虚拟领航者的运动能够脱离机器人自身硬件、实际摩擦力因素的影响，所有的虚拟领航者能实现理想状态下运动，因此由虚拟领航者组成的编队队形绝对稳定；实际机器人作为跟随者只需要将自身的运动目标位姿设置为虚拟领航者的实时位姿，进行路径规划，有全局地图作为位姿信息反馈，在位置约束条件下，队形保持是闭环控制，通过各个机器人不断路径规划，能保证编队的队形始终是完整的，这样机器人编队对于外界而言是一个刚性整体，其内部结构稳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于编队完整度评价指数的机器人编队控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1：根据实际编队队形内机器人位置坐标计算出实际平均中心坐标，并同时计算出理想队形下的平均中心坐标；根据两个平均中心坐标计算出两者之间的欧氏距离，得到平均中心误差；步骤2：分别计算编队内各个机器人的实际坐标到实际平均中心坐标的欧氏距离，并求和；同时计算出理想队形中各个机器人理想坐标到理想平均中心坐标的欧氏距离，并求和；将两个距离和求差，得到距离和误差；步骤3：分别计算各个机器人的实际yaw轴角度和理想yaw轴角度之差，并最后把各个差值求和，得到角度误差；步骤4：将平均中心误差、距离和误差、角度误差根据不同权值求和，得到编队完整度评价指数；步骤5：根据实时计算的编队完整度评价指数和一个预设阈值判断机器采用位置约束或者速度约束进行机器人编队控制，实现基于编队完整度评价指数的编队控制方法。2.根据权利要求1所述的基于编队完整度评价指数的机器人编队控制方法，其特征在于：所述步骤1中的平均中心误差E
c
定义为两个平均中心之间的欧式距离，即平均中心误差；在地图坐标系中，只考虑机器人的位置坐标，各个机器人组成一个n边形，顶点坐标为(x
i
,y
i
)，i＝1，2
…
n，该n边形的平均中心C的坐标为(x
c
,y
c
)，其中)，其中编队内机器人的实际位置和理想位置分别组成两个多边形，两个多边形的平均中心分别为为C和C
’
；平均中心误差E
c
如公式(1)所示：其中，(x
′
i
,y
′
i
)为理想编队队形形状n边形的顶点坐标。3.根据权利要求2所述的基于编队完整度评价指数的机器人编队控制方法，其特征在于：所述步骤2中的各个机器人坐标到平均中心坐标的欧式距离和L如公式(2)所示；编队机器人到平均中心距离和误差为E
L
如式(3)所示，其中L和L
’
分别为实际编队和理想编队中各个机器人坐标到平均中心坐标C和C
’
的距离的和；E
L
＝|L
‑
L
′
|
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(3)。4.根据权利要求3所述的基于编队完整度评价指数的机器人编队控制方法，其特征在于：所述步骤3中，使用偏航角描述机器人的车头朝向，机器人的实际偏航角与理想偏航角的差值e
i
如公式(4)所示；角度误差如公式(5)所示；
5.根据权利要求4所述的基于编队完整度评价...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘猛，郭向坤，李毅，
申请(专利权)人：沈阳理工大学，
类型：发明
国别省市：