一种多机器人编队方法技术

本发明专利技术公开了一种多机器人编队方法，属于机器人智能控制技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种多机器人编队方法


[0001]本专利技术属于机器人智能控制
，具体涉及一种多机器人编队方法
。

技术介绍

[0002]随着科学技术的发展，机器人技术也日趋成熟，但目前来看，大部分机器人技术是基于单个机器人的，为了应对更为复杂的情况，多机器人系统应运而生
。
多机器人系统比单个机器人更加稳健
、
容错和灵活，并且能更好地适应其行为环境的变化
。
[0003]目前多机器人编队方法都只考虑单个特定的队形，同时在移动中队形结构的维持存在缺陷，且无法进行队形变换
。
从多机器人编队的角度看，如何在多机器人系统中保持特定的队形，移动中维持队形结构稳定以及能够进行队形变换是目前着重需要解决的问题
。

技术实现思路

[0004]针对多机器人系统中不能保持特定队形
、
维持队形结构稳定以及不能维持队形变换的问题，本专利技术提供了一种多机器人编队方法
。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用了下列技术方案：
[0006]一种多机器人编队方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：通信图设计，采用图拓扑结构，单个机器人视为节点，机器人之间相互通信的链路视为边，设计多机器人之间的通信图
。
假设多机器人系统由
n
个移动机器人组成，通信图的设计确保是无向连通图，才能保证该连通图的拉普拉斯矩阵
L
的秩为
n
‑1且/>‑
L
有一个零特征值其他特征值均有负实部，从而实现系统状态的一致性，达到保持队形的目的；
[0008]步骤2：控制器设计，依据设计好的通信图，为每个机器人添加符合自身运动学模型的一致性协议控制器；
[0009]进一步地，所述步骤2的具体过程如下：
[0010]步骤
2.1
：写出单个智能体的状态所满足的微分方程：
[0011][0012][0013]p
i
表示移动机器人
i
的位置；
v
i
表示移动机器人
i
的速度；表示移动机器人
i
的加速度；
u
i
表示移动机器人
i
的控制输入；令
x
i
＝
[p
i v
i
]T
，将上述的位置和速度拼接写成矩阵的形式并将其转置，则上述式子转换为状态空间表达式有：
[0014][0015][0016]其中
T
表示转置，
p
i
表示移动机器人
i
的位置，
v
i
表示移动
机器人
i
的速度；
[0017]步骤
2.2
：得到状态空间表达式之后，构建多机器人系统；假设此时多机器人系统由
n
个移动机器人组成，令
x
＝
[p
T v
T
]T
，
p
＝
[p
1 p1…
p
n
]，
v
＝
[v
1 v2…
v
n
]，
u
＝
[u
1 u2…
u
n
]，将其写为矩阵的形式，则得到多机器人系统为：
[0018][0019]其中令
[0020][0021]化简后得到：
[0022][0023]因此，当多机器人状态满足以下式子时，多机器人系统达到一致性，其中
i,j
＝
1,2,
…
,n
；
[0024][0025][0026]步骤
2.3
：依据设计的通信图，写出对应的拉普拉斯矩阵
L
：
[0027]步骤
2.4
：针对该多机器人系统，设计一致性控制器为：
[0028][0029]其中，
α
>0,
β
>0
为增益参数，
t
表示时间，结合拉普拉斯矩阵
L
得到：
[0030]u(t)
＝
‑
α
Lp(t)
‑
β
Lv(t)
＝
‑
[
α
L β
L]x(t)
[0031]当移动机器人的位置和速度未达到预期状态时，通过该控制器在一段时间内便可以达到目标状态
。
[0032]步骤3：基于领航者移动机器人的坐标变换，将跟随者移动机器人在世界坐标系下的坐标通过
TF
变换转换到领航者移动机器人坐标系下的坐标；
[0033]进一步地，步骤3的具体过程如下：
[0034]步骤
3.1
：在由
n
个移动机器人组成的多机器人系统中，选定任意一个移动机器人为领航者
i
，其余的
n
‑1个移动机器人为跟随者
j
，其中
j
＝
1,2,
…
,n
‑1；领航者移动机器人用于引导跟随者移动机器人编队达到目标位置；跟随者移动机器人的主要任务是遵循领航者移动机器人的运动轨迹，保持一定的间距和相对位置，以实现编队中的协同运动；领航者移动机器人和跟随者移动机器人之间的关系是协同合作的，领航者移动机器人负责决策和路径规划，而跟随者移动机器人则遵循领航者移动机器人的引导，以确保编队任务的完成；
[0035]步骤
3.2
：基于领航者移动机器人的坐标变换，将跟随者移动机器人在世界坐标系下的坐标通过
TF
变换转换到以领航者移动机器人为中心的坐标系下的坐标，其目的是后续设计队形状态机时，跟随者移动机器人的目标位置只需要考虑以领航者移动机器人为坐标原点的坐标系下的坐标，从而便于设计不同队形下跟随者移动机器人的期望目标；
[0036]步骤
3.3
：通过该坐标变换，领航者移动机器人
i
根据给定的线速度和给定的角速度在二维平面进行运动，跟随者移动机器人
j
只需保持在领航者移动机器人坐标系下的期望的相对距离和相对角度即可形成期望的编队队形
。
[0037]步骤4：设计队形切换的状态机，每种队形有一个状态机，不同队形的切换通过状态机来实现；
[0038]进一步地，步骤4的具体过程如下：设计队形切换的状态机，每种队形有一个状态机，不同队形的状态机主要用于设计该队形下跟随者移动机器人在领航者移动机器人坐标系下所期望达到的目标点，从而实现目标队形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种多机器人编队方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：通信图设计，采用图拓扑结构，单个机器人视为节点，机器人之间相互通信的链路视为边，设计多机器人之间的通信图；步骤2：控制器设计，依据设计好的通信图，为每个机器人添加符合自身运动学模型的一致性协议控制器；步骤3：基于领航者机器人的坐标变换，将跟随者在世界坐标系下的坐标通过
TF
变换转换到领航者机器人坐标系下的坐标；步骤4：设计队形切换的状态机，每种队形有一个状态机，不同队形的切换通过状态机来实现；步骤5：发布目标点，多机器人保持队形到达目标点；步骤6：发布队形切换指令，多机器人系统进行不同队形之间的切换
。2.
根据权利要求1所述的一种多机器人编队方法，其特征在于：所述步骤2的具体过程如下：步骤
2.1
：单个智能体的状态所满足的微分方程表示为：：单个智能体的状态所满足的微分方程表示为：
p
i
表示移动机器人
i
的位置；
v
i
表示移动机器人
i
的速度；表示移动机器人
i
的加速度；
u
i
表示移动机器人
i
的控制输入；令
x
i
＝
[p
i v
i
]
T
，将上述的位置和速度拼接写成矩阵的形式并将其转置，则上述式子转换为状态空间表达式有：并将其转置，则上述式子转换为状态空间表达式有：其中
T
表示转置，
p
i
表示移动机器人
i
的位置，
v
i
表示移动机器人
i
的速度；
u
i
表示移动机器人
i
的控制输入；步骤
2.2
：得到状态空间表达式，构建多机器人系统；当多机器人系统由
n
个移动机器人组成，令
x
＝
[p
T v
T
]
T
，
p
＝
[p
1 p1ꢀ…ꢀ
p
n
]
，
v
＝
[v
1 v2ꢀ…ꢀ
v
n
]
，
u
＝
[u
1 u2ꢀ…ꢀ
u
n
]
，将其写为矩阵的形式，则得到多机器人系统为：
其中，令其中，令化简后得到：因此，当多机器人状态满足以下条件时，多机器人系统达到一致性，其中
i,j
＝
1,2,
…
,n
；；步骤
2.3
：依据设计的通信图，得出对应的拉普拉斯矩阵
...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩慧妍，石树熙，况立群，熊风光，庞敏，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：