[发明专利]一种基于能量差异的多机器人分布式最优协同控制算法

说明书

本发明涉及一种基于能量差异的多机器人分布式最优协同控制算法，所述方法包括以下步骤：步骤A：创建多机器人动力学模型，并对多机器人系统构造终端固定的有限时间输出调节优化问题；步骤B：求解步骤A中的优化问题，获得多机器人系统有限时间最优协同控制策略；步骤C：设计有限时间分布式次优协同控制策略，步骤D：构造分布式次优控制器性能评价指标；步骤E：利用步骤D中性能评价指标，设计分布式次优控制器优化算法，获得能量消耗与通信成本更低的分布式控制策略。该方法实现多机器人系统高效节能的控制目标，为实际多机器人系统分布式控制器设计，在能量消耗与通信成本间的平衡提供理论依据。

技术领域

本发明涉及一种控制算法，具体涉及一种基于能量差异的多机器人分布式最优协同控制 算法，应用于自主无人系统技术领域。

背景技术

近些年，随着传感器测量以及无线通信技术的快速发展使得机器人技术获得了飞跃式地 发展。其中，多机器人系统展现出的高效率、低成本以及稳定性使得其相较于单机器人系统 获得更为广泛地应用，例如多机器人编队，大规模无人机飞行控制等。多机器人分布式协同 控制的关键在于利用机器人之间的局部交互，克服环境障碍，完成复杂环境下的协同任务。 比如在森林大火救援中，多机器人系统在协同救援过程中，不仅需要考虑外部环境对通信连 通性的影响，还应对整个系统的续航能力有特殊要求。由于多机器人系统大都采用Lipo锂电， 续航时间有限，因此，研究如何以最小能量实现多机器人的分布式协同控制，从而尽可能地 延长多机器人系统的续航时间具有着重要的实际意义。但是现有技术存在以下问题:

现有技术缺点①：多机器人系统的全局最优控制，要求控制器是集中式的，然而这种集 中式的控制策略需要很高的通信成本，而且随着多机器人系统规模增大，传感器传输距离限 制，导致集中式的协同控制无法实现多机器人系统协同控制。

现有技术缺点②：已有多机器人系统分布式次优化协同控制算法，无法定量分析其与最 优控制策略的能量差异。

主要的现有技术问题为现有技术缺点①，已有的多机器人最优协同控制研究主要集中在 一阶以及二阶多机器人系统，对于更为复杂的高阶多机器人系统研究较少，主要是对于所机 器人高阶自主无人系统，设计通信拓扑与系统参数高度耦合，很难过通过传统的变分法获得 最优协同控制解析解。另外，针对全局最优控制需要获取全局信息这一事实，已有算法设计 了分布式次优协同控制算法，但是并未能定量表述定量描述次优控制器能量范围，因此无法 从能量角度，为实际多机器人的分布式控制器的设计提供依据。

现有技术缺点①原因：高阶最优协同优化问题解析解难以获得，因为设计系统参数与通 信拓扑高度耦合，无法给出精确化的最优通信拓扑结构。

现有技术缺点②原因：由于分布式次优控制策略涉及拉普拉斯矩阵以及时变控制增益， 因为难以获得其能量消耗，从而无法评估分布式次优控制器与最优控制器之间的能量差异, 因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。

发明内容

其中Y(t_f)＝0是终端约束条件，

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种基于能量差异的多机器人分布式最优协 同控制算法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤A：创建多机器人动力学模型，并对多机器人系统构造终端固定的有限时间输出调节优化 问题；

步骤B：求解步骤A中的优化问题，获得多机器人系统有限时间最优协同控制策略；

步骤C：设计有限时间分布式次优协同控制策略，利用步骤B中的时变控制增益设计分布式次 优控制器，并在分布式通信拓扑下验证该次优控制器在任意指定时间内收敛；

步骤D：构造分布式次优控制器性能评价指标；

步骤E：利用步骤D中性能评价指标，设计分布式次优控制器优化算法，获得能量消耗与通信 成本更低的分布式控制策略。