[发明专利]一种考虑外部干扰下移动机器人的编队控制方法

说明书

本发明公开了一种考虑外部干扰下移动机器人的编队控制方法，包括以下步骤：步骤一：引入虚拟领航者的方法，建立移动机器人领航‑跟随编队控制运动学数学模型；步骤二：考虑外界环境扰动项，建立移动机器人运动学编队控制误差模型；步骤三：设计编队协同控制器，使移动机器人按照设定的速度沿着设定路径航行，完成编队队形的建立；步骤四：编队协同控制律收敛性证明，使移动机器人编队轨迹收敛于设定路径并形成设定的编队队形。本发明考虑了模型的不确定性后，保证编队队形存在偏差时收敛到设定编队且编队队形具有更高的精度。利用李雅普诺夫稳定性分析方法，证明闭环系统所有状态和信号收敛于一有界集。

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种考虑外部干扰下移动机器人虚拟领航-跟随编队控制方法。

背景技术

随着计算机技术、网络技术、通信技术等的快速发展，机器人的技术渗透到各行各业，单智能体的工作模式越来越难以满足人们的需求，许多工作场景需要两个或更多的智能体一起协同运作。机器人编队相对于单体具有适应性强、容错性高和对资源利用率高等优点，机器人有许多重要用途，如共同搬运、巡检安防、工厂生产、军事侦察、灾难救援等。在这些任务中，机器人的期望运动根据要遵循的几何路径和沿路径行驶的期望速度来表征。机器人编队所采用的队形结构中，“leader-follower”编队结构形式凭借着简单性和可扩展性等优势，在实际工程中经久不衰。跟随者通过获取领导者的状态信息，它将队形控制转化为跟随者跟踪领航者的方向和位置的问题，跟随者需要获得领导者的运动状态等信息，与领导者保持相似的状态，使多机器人最终呈现设定的编队队形。然而结合实际工程，机器人的精确运动模型难以获得，主要存在以下两个问题：

(1)在传统的编队控制方法中，领航者的特性决定了整个编队。若实际过程中领航者出现故障，导致难以维持后续的机器人编队，整个系统的冗余性不高。

(2)外界环境的干扰会影响编队队形的精度，因此需要考虑外部扰动对机器人的作用，否则可能降低系统稳定性，甚至影响系统的可操作性。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种考虑外部干扰下移动机器人虚拟领航-跟随编队控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种考虑外部干扰下移动机器人的编队控制方法，包括以下步骤：

步骤一：引入虚拟领航者的概念，建立移动机器人领航-跟随编队控制运动学数学模型；

步骤二：考虑外界环境扰动项，建立移动机器人运动学编队控制误差模型；

步骤三：设计编队协同控制器，使移动机器人按照设定的速度沿着设定路径航行，完成编队队形的建立；

步骤四：编队协同控制律收敛性证明，使移动机器人编队轨迹收敛于设定路径并形成设定的编队队形。

所述步骤一中，建立移动机器人领航-跟随编队控制运动学数学模型后，确定真实领航机器人的实际位姿和虚拟领航机器人的期望位姿之间的关系，使得跟随机器人参照虚拟领航机器人完成对真实领航机器人的跟随。

所述步骤一中，移动机器人的运动学数学模型为：

其中，是移动机器人在二维笛卡尔坐标系下的位姿导数，u是移动机器人坐标系下速度和角速度，表示如下：

其中，v是速度，ω是角速度；分别是二维笛卡尔坐标系下的绝对位姿x、y、θ的导数；

期望输入和状态量为：

其中，是移动机器人在二维笛卡尔坐标系下的期望位姿导数，u_d是移动机器人坐标系下的期望速度和期望角速度，分别表示如下：