[发明专利]一种移动机器人编队与避障控制方法

说明书

本发明提供一种移动机器人编队与避障控制方法，建立动力学方程；定义一个圆形的期望轨迹，用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；每个移动机器人都用相同电荷来建模，通过圆形编队，输入控制力与圆相切的斥力的合力为零，得到圆上移动机器人的正多边形编队；在正多边形中心建立一个虚拟机器人，圆上的移动机器人跟随虚拟移动机器人轨迹进行编队运动；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，避开障碍物到达目标点。本发明用电荷代表移动机器人进行建模，利用排斥效应和旋转势场，确保编队整体不会停留在局部最小值，能够顺利完成避障。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种移动机器人编队与避障控制方法。

背景技术

随着移动机器人技术的不断突破，单个机器人进行避障的技术方面已经日趋成熟，但面对复杂的任务不能高效的完成，而多移动机器人协作可以高效的完成任务而且节约成本，在完成任务的过程中难免会遇到障碍物，编队避障一直以来都是机器人研究领域的难点，也是需要一直深入研究的问题。

目前对于移动机器人躲避静态避障物的方法有如下两种方案，一种是编队整体进行避障，采用的控制方法有：人工势场法、领航-跟随编队控制方法、基于行为法等，另一种是编队拆分避障，采用的控制方法有：栅格法、可视图法、模糊逻辑法，遗传算法等。编队整体避障相对于拆分避障，更具有稳定性、整体性和实用性，可以有效避免拆分避障过程出现机器人发生碰撞，更高效的通过障碍物。中国专利《一种适用于全向轮移动机器人的人工势场避障方法》(申请日：2018.05.31；申请号：CN201810550180.9；公开日：2018.10.02；专利号：G05D1/02)》人工势场法存在局部最小值的问题，会导致编队避障失败。中国专利《一种多移动机器人系统半自主编队及避障控制方法》(申请日：2019.10.14；申请号：CN110703751A；公开日：2020.01.17》基于虚拟结构的整体编队结构难以改变，导致编队避障轨迹不平滑且稳定性低。

发明内容

针对编队整体避障中的跟踪曲线不平滑和稳定性低的问题，本发明提出了一种移动机器人编队与避障控制方法。在多机器人编队系统中引入旋转势场和虚拟刚体的概念，建立基于分散虚拟结构的移动机器人编队模型，设计旋转势场避障方法。使机器人群完成编队通过障碍物的同时，面对机器人增加或减少的情况仍然能够完成任务，提高控制系统的容错性。

本发明的目的是提出一种基于分散虚拟结构的移动机器人编队控制技术和基于旋转势场的编队整体避障策略，各移动机器人都由一个相同电荷来进行建模，所有移动机器人被安置在一个半径为预定半径的圆上，形成一个正多边形编队，每个移动机器人都能在编队中自主找到自己的位置。假设圆中心有一个虚拟机器人，以虚拟机器人为编队中心，实现正多边形编队控制。假设编队整体处于旋转势场中，通过引入旋转势场，合成矢量的方向被调整到接近移动机器人的方向，使移动机器人不会停留在局部最小值，从而顺利避开障碍物。

一种移动机器人编队与避障控制方法，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。

具体的各个步骤技术方案为：