[发明专利]一种基于广播式通信架构的领航跟随型多机编队容错控制方法

说明书

本发明提出一种基于广播式通信架构的领航跟随型多机编队容错控制方法。该方法采用基于固定频道的广播式多机通信，解决了传统点对点通信方式下多机编队中领航机器人失效后编队通信中断问题，并以此广播式的通信架构为基础，提出了领航机器人距离最优替补容错控制方法，解决了传统点对点通信方式下领航机器人通信失效下多跟随机器人的无碰撞竞争替补问题，使得领航跟随型编队在领航机器人通信失效条件下编队仍能自主决策出新领航机器人，从而保持近似的编队队形执行预期的作业任务。该通信方法具有容易部署、可扩展性好、具有容错机制等特点，适用于多移动机器人的编队协作，也支持其他无人系统的多机通信。

技术领域

本发明涉及多机器人编队容错控制领域，具体为一种基于广播式通信架构的领航跟随型多机编队容错控制方法。

背景技术

多机器人编队是指各个机器人通过相互协调最终在保持特定几何形状基础上完成预定任务，在这其中各个机器人之间的通信则是多机的基础。多机编队具有覆盖范围广、合作效率高、抗损毁性强等优点，在无人机群盯梢侦察、联合救援与反恐、多机合作搬运等领域得到广泛应用。其中领航跟随型编队具有控制简单、稳定性高、扩展性好等优点，在编队控制方法中应用最为广泛。

领航跟随型多机编队是在执行编队任务的多机器人群体中，按照编队队形设定，跟随机器人以一定的距离间隔实时自主地跟随领航者的位置和方向，最终共同形成预定编队队形。其中，领航机器人负责路径规划、环境探测，并实时将自身位姿发送给各跟随机器人，是整个多机编队系统的核心。

随着多机编队应用领域的多样化、应用场景的复杂化，特别是在强对抗的战场环境下，编队在执行任务的过程中，部分个体失效不可避免。尤其是当领航机器人产生通信故障时，领航机器人与各跟随机器人之间的通信随即中断，将无法继续向其他机器人发送位置及环境信息，导致跟随机器人失去领导者，使编队处于无组织状态，导致编队瓦解无法继续执行任务。

在多机编队系统控制方法方面，现有研究主要侧重于理想环境下的轨迹跟踪问题，且主要侧重于移动机器人的运动控制算法研究。而以对抗环境下的多机编队容错控制为切入点的研究相对较少。另外，在现有多机编队容错控制研究中，也主要是针对理想情况下的领航机器人遴选问题，而很少研究领航机器人失效条件下多跟随机器人的无碰撞竞争替补问题。

在多机编队系统通信方式方面，目前最常见的通信则为点对点式通信，点对点式通信中最具有代表性的通信网络则为无线局域网。无线局域网主要是针对确定性条件下的机器人组网与交互，无法考虑实际应用当中的领航机器人通信失效问题，因此本文以此为切入点建立基于固定通信频段的广播式通信架构。

在实际问题中，领航机器人通信故障将引起领航机器人与跟随机器人之间的通信中断，使编队处于无组织状态，导致整个编队系统紊乱而无法继续执行作业任务。因此，本发明以广播式通信架构作为多机器人之间通信方式，在此基础上提出了一种适用于领航机器人通信失效的距离最优替补容错控制方法。

发明内容

当领航跟随型多机编队系统工作在复杂未知的对抗环境中时，个体机器人失效在所难免。本发明针对领航机器人通信失效的情况，基于广播式通信架构在网络全连通方面的优势，将这种分布式的广播式通信架构引入领航跟随型多机编队控制问题中，提出了一种基于广播式通信架构的领航跟随型多机编队容错控制方法。旨在解决因领航机器人故障或损毁带来的整个多机编队失效问题。同时为多移动机器人的自主成形、队形保持、队形变换、目标跟踪和编队系统故障后的任务执行提供一种有效、可扩展、具有容错功能的编队通信方法支持。

基于上述原理，本发明的技术方案为：

所述一种基于广播式通信架构的领航跟随型多机编队容错控制方法，其特征在于：包括以下步骤：