[发明专利]基于轨道扩展的多机器人的寻迹编队控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于轨道扩展的多机器人寻迹编队控制方法。

背景技术

机器人的寻迹控制技术因其控制律比较简单、控制系统具有好的鲁棒性以及易于工程实践等特点被广泛应用于军事、灾难搜救以及信息采集等各种领域中。所谓机器人的寻迹控制，是指在控制系统的驱动下，机器人从任意初始位置驶入预先规划好的轨迹，并沿此轨迹运动或者最终运动到目的地。例如：轮式机器人按预定的路径去搜救幸存者、水下机器人运动于椭圆轨道采集海洋信息等。近些年来，随着灵敏传感器的快速发展，人们可以将传感器安装于多个移动机器人，从而构成移动传感器网络像生物体那样通过编队来共同采集某一区域的信息。为了能够在时间和空间上实现移动传感器网络测量的最优化，需要根据所测区域时间和空间的变化来规划每个机器人的运动轨迹，并且在规划好的轨迹上协调机器人间的编队运动，这样的控制任务称为寻迹编队控制问题。

当前，已有的寻迹方法都是针对单个机器人的，多机器人的寻迹编队控制研究甚少。Princeton大学的Leonard教授指导的团队采用沿曲线法向量扩展的方法将简单闭曲线扩展为一组关于轨道函数的闭曲线设计了多个质点机器人在单条简单闭曲线上的寻迹编队控制律(F.Zhang et al，″Control of coordinated patternsfor ocean sampling，″Int.J.Control，vol.80，pp.1186-1199，2007)。但是，该方法对一些简单闭曲线(如：椭圆、圆角正方形以及圆角平行四边形等)是很难求出轨道函数显示表达式，而轨道函数在控制律的设计中是必不可少的，这使得某些情况下寻迹编队控制很难实现。其次，该方法将通信拓扑限制为双向链式结构、运动中质点机器人的速度要求始终不能为0并且控制律设计中需要用到邻居的加速度信息，这在一定程度上也限制了该方法在实际中的运用。中国专利“基于投影的多运动体的协同路径跟踪控制方法”(专利号：ZL200810196368.4)采用基于沿着横轴或纵轴投影的方法设计多质点机器人的协同路径跟踪控制律，由于该方法需要在目标路径上一直能够找到运动体的唯一的投影点，因而不适应目标路径是闭曲线的情况。此外，实际中应用较多的轮式机器人含有非完整约束(如：不能侧滑等)，而上述两种方法针对的模型都是满足牛顿第二定律的质点运动，因而不能直接用于真实机器人的控制。

实际上，最优化信息采集中的目标轨道多为简单凸闭曲线。例如，海洋探测中设定的轨道通常为边很长且接近直线的超椭圆曲线(包括椭圆、圆角正方形以及圆角平行四边形等)，同样的情况也出现于多个轮式机器人协同采集某一陆地的信息。与此同时，机器人的运动通常满足非完整约束的动力学方程。因此，设计多个满足非完整约束的动力学机器人在一组简单凸闭轨道上的寻迹编队控制方法将更加具有现实意义。但目前还不存在此类控制方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种方法简单可靠、精度较高，可用于多机器人最优化信息采集等复杂任务的基于轨道扩展的多机器人寻迹编队控制方法。

技术方案：本发明所述的本发明是一种基于轨道扩展的多机器人寻迹编队控制方法，其中所述的机器人的运动满足非完整约束的动力学方程并且目标轨道是简单凸闭曲线，具体包括如下步骤：

a)对于平面中一组目标轨道，将目标轨道沿其中心指向轨道上各点的向量扩展为关于轨道函数等值轨道簇，并确定机器人的可运动范围；

b)由轨道函数计算寻迹误差，设计机器人的虚拟角速度使寻迹误差达到设计要求；

c)由轨道函数和目标轨道对应的参数计算机器人沿目标轨道运动的广义弧长及其导数，由通信得到的邻居信息，设计机器人的控制力来实现编队；

d)计算真实与虚拟角速度间的误差，设计机器人的控制力矩完成寻迹；

e)通过伺服系统完成机器人的运动控制。

其中所述步骤a)包括如下步骤：

a1)将目标轨道沿其中心指向轨道上各点的向量扩展为等值轨道簇；

a2)根据曲线的正则条件，确定对应机器人的可运动范围；

a3)在可运动范围上构建轨道函数，使得每条等值轨道可由轨道函数取不同的值来表示。

其中所述步骤b)包括如下步骤：

b1)由机器人的位置和轨道函数，计算轨道函数值与期望值间的位置寻迹误差；

b2)由轨道函数得到轨道的切向量，计算机器人的运动方向与轨道切方向间的角度寻迹误差；

b3)由位置寻迹误差和角度寻迹误差，设计机器人的虚拟角速度使使得寻迹误差减少到满足的设计要求，同时保证机器人始终在可运动范围内运动。