[发明专利]一种移动机器人编队与避障控制方法

权利要求书

1.一种移动机器人编队与避障控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立每个移动机器人的动力学方程；

(2)定义一个圆形的期望轨迹，用步骤(1)动力学方程表示的移动机器人的轨迹都收敛在圆上，形成一个圆形编队；

(3)每个移动机器人都用相同电荷来建模，通过步骤(2)形成的圆形编队，输入相应的控制力与圆相切的斥力的合力为零，可以得到圆上移动机器人的正多边形编队；

(4)在步骤(3)形成正多边形编队的基础上，在正多边形中心建立一个虚拟机器人，圆上的移动机器人会跟随虚拟移动机器人轨迹进行编队运动；

(5)假设基于虚拟结构控制的编队整体处于一个旋转势场，移动机器人编队在旋转势场中不会停留在局部最小位置，能够顺利避开障碍物到达目标点。

2.根据权利要求1所述的一种移动机器人编队与避障控制方法，其特征在于，步骤(1)建立每个移动机器人的动力学方程，包括以下过程：

假设有n个无运动约束的全驱动移动机器人，第i个机器人运动学方程为：

其中(x_i,y_i)是移动机器人的位置坐标，M是机器人质量，B为阻力系数，是控制力，i_d是控制移动机器人瞬态相应系数。

3.根据权利要求1所述的一种移动机器人编队与避障控制方法，其特征在于，步骤(2)中，引入期望轨迹，形成一个圆形编队，定义在步骤(1)控制下的移动机器人强制向半径为α和中心(x_c,y_c)的圆移动，当移动机器人到达圆上时，移动机器人将停止移动；期望轨迹方程为：

为了让轨迹收敛到圆上，定义e＝r-α，让r收敛到α；定义一个Lyapanov函数：

当移动机器人向圆移动时，轨迹会收敛到圆上，不会发生旋转运动，形成圆形编队。

4.根据权利要求1所述的一种移动机器人编队与避障控制方法，其特征在于，步骤(3)，将移动机器人形成圆形编队的情况下，排列成正多边形编队；移动机器人都由同种电荷来建模，定义一个外力公式(5)将移动机器人固定在半径为α和中心(x_c,y_c)的圆上，得到圆上移动机器人的正多边形编队；

定义外力为：

定义两个电荷之间的斥力为：

F_ki是第k和第i个电荷之间的力，k_r是正常数系数，r_ki是两电荷之间距离；

N-1电荷对第k电荷施加的力如下：

其中f_i为机器人受到的吸引力，F_i为机器人受到的排斥力。

5.根据权利要求1所述的一种移动机器人编队与避障控制方法，其特征在于，步骤(4)，在正多边形编队中心建立虚拟移动机器人，在圆上的移动机器人会跟踪虚拟机器人轨迹来进行调整；虚拟移动机器人的动力学方程为：

其中f_xv,f_yv为虚拟力；

在虚拟结构中第k个机器人的虚拟力：

6.根据权利要求1所述的一种移动机器人编队与避障控制方法，其特征在于，步骤(5)，引入旋转势场，移动机器人从左侧接近障碍物的情况下；机器人通过传感器来获得障碍物的中心和尺寸；定义一个最小面积的椭圆，旋转势场矢量位于该椭圆平行的平面上；此时，应将方向角与移动机器人连线与障碍物重心和水平轴之间的夹角进行比较，用x_k表示，通过旋转势场的作用使它通过障碍物区域，右侧障碍物分析同理可得；

定义最小面积椭圆方程：

其中(x₀,y₀)为障碍物的中心点；考虑一个椭圆方程：A²(x-x₀)²+B²(y-y₀)²＝1，椭圆面积与成正比；要使椭圆面积最小，(AB)²应最大，此时成立。