一種分布式的多機器人包含避碰控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及智能機器人技術(shù)領(lǐng)域，具體來說涉及一種分布式的多機器人包含避碰 控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著計算機技術(shù)、控制理論、人工智能理論、傳感器技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，由多 學科交叉而形成的機器人學研宄也進入了一個嶄新的階段。從可編程的、示教再現(xiàn)型的工 業(yè)機器人到具有一定傳感能力和適應能力的機器人，再到配備多種先進傳感器，具有較強 適應能力的智能機器人，機器人學的研宄工作經(jīng)歷了一個從簡單到復雜，從功能單一到功 能多樣，從工業(yè)制造領(lǐng)域到軍事偵察、核工業(yè)、航空航天、服務業(yè)、基因工程等諸多領(lǐng)域的過 程?？梢灶A見，在不久的將來，機器人技術(shù)在各個領(lǐng)域的應用將會更加廣泛和深入。而各種 機器人系統(tǒng)在實際工作中的廣泛應用又為機器人學提出了新的要求和新的研宄課題。多機 器人系統(tǒng)的研宄就是在這些新的應用需求驅(qū)動下提出，并隨著機器人學的不斷發(fā)展而逐漸 成為機器人學研宄的一個重要分支。
[0003] 多機器人系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制已成為控制領(lǐng)域新興的研宄熱點，并且作為控制理論界的 綜合性前沿課題，其研宄范疇涉及到生物、數(shù)學、物理、控制、計算機、通信以及人工智能等 領(lǐng)域，并且在諸多工程領(lǐng)域已得到了成功應用，其中包括：機器人編隊、分布式計算、空間 開發(fā)與探測、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位以及智能電網(wǎng)調(diào)度等工程實際中。其主要任務是設(shè)計控 制協(xié)議，并通過局部交換來實現(xiàn)全局交換，從而達到理想的一致性狀態(tài)。
[0004] 現(xiàn)有的協(xié)調(diào)控制算法經(jīng)常集中在無領(lǐng)航者或單領(lǐng)航者的情況下，而包含控制在實 際應用中則更為普遍。所謂包含控制，是指一組跟隨者在多個領(lǐng)航者的引領(lǐng)下，從而到達并 保持在由領(lǐng)導者所圍成的最小幾何空間（凸包）中運動。在實際應用中，包容控制在多個 機器人共同完成危險物資處理、敵區(qū)搜索、火災營救以及合作運輸?shù)葏f(xié)調(diào)任務中具有大量 的潛在應用。譬如，一組具有不同性能的小車從出發(fā)地移動到目的地，此時，我們只需在部 分小車上配有傳感器來探測危險障礙物，那么這些小車指定為領(lǐng)航者，其余小車則為跟隨 者。通過探明危險障礙物的位置，領(lǐng)航者能夠形成一個安全的移動區(qū)域，如果跟隨者一直在 由領(lǐng)航者形成的安全區(qū)域內(nèi)移動，則該組小車能夠安全順利地到達目的地。作為一種特殊 的多領(lǐng)航情況，多機器人網(wǎng)絡(luò)的包容控制得到了學者們的極大重視。
[0005] 在多機器人包含控制研宄方面，目前很多研宄工作致力于對控制協(xié)議的設(shè)計 改進以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及通過局部交換來實現(xiàn)全局交換，從而達到理想的一致性 狀態(tài)° 例如：Mei J，F(xiàn)errari-Trecate (Containment control in mobile networks. IEEE Transactions on Automatic Control，2008)針對固定無向網(wǎng)絡(luò)研宄了其包含控 制問題，提出停一走策略，從而驅(qū)使一組單積分個體進入到由領(lǐng)航者所構(gòu)成的凸包中。 Ziyang Meng, Ren Wei, (Distributed finite-time containment control for multiple lagrangian systems. Proc of American Control Conf. Baltimore:IEEE Press, 2010) 討論的帶有未知參數(shù)的的拉格朗日系統(tǒng)的包含控制問題，基于相對位置和速度矢量提 出了帶有參數(shù)估計器的自適應包含控制協(xié)議。在實際應用中，網(wǎng)絡(luò)個體會受到模型不 確定性、網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和傳感器可視范圍的影響，個體之間通常為有向通信。Yongcan Cao, Daniel Stuat(Distributed containment for multiple autonomous vehicles with double-integrator dynamics:algorithns and experiments. IEEE Trans on Control Systems Technology, 2011)研宄二階有向網(wǎng)絡(luò)的包容控制問題，提出了當領(lǐng)導者靜止 或運動的時相應的控制協(xié)議。Chengjie Xu ;Ying Zheng(Necessary and sufficient conditions for distributed containment control of multi-agent systems without velocity measurement，Control Theory&Applications 2014)提出在二階多機器人網(wǎng)絡(luò) 中僅知道領(lǐng)導者位置信息時，應用分布式濾波器來對鄰居機器人速度進行估計，從而實現(xiàn) 包含控制。在大規(guī)模的多機器人包含控制中如何合理的選擇領(lǐng)導者，并且避免規(guī)模增大時 機器人個體之間的避碰問題，是控制工程師非常感興趣的問題，該控制問題具有兩個顯著 特征，一是個體之間存在著局部信息傳遞，二是個體獨立進行分布式控制，可以看出由個體 形成的網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)起著非常重要的作用，其領(lǐng)導者的選擇是群體實現(xiàn)同步的前提條 件，因此為了解決的多機器人系統(tǒng)的同步包含控制問題，需要著重解決群體網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) 的構(gòu)建以及機器人規(guī)模增大時機器人個體之間的避碰問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是，為了解決機器人個體之間的避碰問題，本發(fā)明提供一種基于局 部信息可知的能解決機器人群體規(guī)模增大時機器人個體之間的碰撞問題及群體網(wǎng)絡(luò)拓撲 結(jié)構(gòu)可控的包含控制方法。
[0007] 實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是，本發(fā)明一種基分布式的多機器人包含控制方法，將多 機器人網(wǎng)絡(luò)同圖論相結(jié)合，并應用可控性理論級最大匹配算法確定有向網(wǎng)絡(luò)中的領(lǐng)導者跟 隨者集合；領(lǐng)導者集合確定后，當領(lǐng)導者靜止時，根據(jù)領(lǐng)導者機器人與跟隨者機器人之間的 作用力關(guān)系及控制參數(shù)，引入勢能函數(shù)實現(xiàn)避碰，設(shè)計出領(lǐng)導者靜態(tài)時的包含避碰控制率； 當領(lǐng)導者運動時，針對局部信息可知的情況，即部分跟隨者對領(lǐng)導者速度不可知，為跟隨者 設(shè)計冪次估計器實現(xiàn)對領(lǐng)導者的速度估計，進而根據(jù)移動機器人的運動特性和控制參數(shù)， 設(shè)計多個機器人領(lǐng)導者動態(tài)時的包含避碰控制率。
[0008] 所述方法包括以下步驟：
[0009] (1)針對有向網(wǎng)絡(luò)中各機器人之間的通信關(guān)系，應用可控性理論確定網(wǎng)絡(luò)中的領(lǐng) 導者與跟隨者集合；
[0010] (2)當領(lǐng)導者靜態(tài)時，由領(lǐng)導者與鄰居機器人之間的通信關(guān)系，設(shè)計跟隨者機器人 的位置控制算子；
[0011] (3)在跟隨者位置控制算子的基礎(chǔ)上引入勢能函數(shù)，確保跟隨者機器人在運動過 程中互相之間能夠?qū)崿F(xiàn)避碰，形成領(lǐng)導者靜態(tài)時的包含避碰控制率；
[0012] (4)當領(lǐng)導者動態(tài)時，由領(lǐng)導者與鄰居機器人之間的通信關(guān)系，設(shè)計跟隨者機器人 的位置控制算子；
[0013] (5)針對局部信息可知時，即網(wǎng)絡(luò)拓撲中存在部分跟隨者對領(lǐng)導者速度不可知的 情況，為跟隨者機器人制定的控制策略中引入冪次估計器，來估計領(lǐng)導者機器人的速度，確 定跟隨者機器人的速度控制算子；
[0014] (6)最后將機器人的位置控制算子和方向控制算子加權(quán)集成，并引入勢能函數(shù)確 保運動過程中個體之間互相避碰，形成動態(tài)機器人的分布式包含避碰控制率。
[0015] 所述領(lǐng)導者與跟隨者集合的方法有：
[0016] 1)應用圖論的方法表示網(wǎng)絡(luò)中的機器人之間的通信關(guān)系，并將有向圖G(A)轉(zhuǎn)換 為二分圖H(A)表不：
[0017] 其中我們把多機器人系統(tǒng)視為由N個節(jié)點組成的有向網(wǎng)絡(luò)G，NXN矩陣A = {aijli，j e [1，N]}表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的鄰接關(guān)系，如果節(jié)點i能夠接受到j(luò)的信息，有aiJ> 0。轉(zhuǎn)化后的二分圖
分 別表示狀態(tài)矩陣A的各列與各行的節(jié)點集合，r = {(Xpxplaij辛0}表示邊集。
[0018] 2)根據(jù)二分圖最大匹配算法，求得網(wǎng)絡(luò)中的匹配節(jié)點與非匹配節(jié)點集合，對于一 個非匹配節(jié)點數(shù)不為0的網(wǎng)絡(luò)，驅(qū)動節(jié)點數(shù)極為非匹配節(jié)點數(shù)。
[0019] 3)將機器人網(wǎng)絡(luò)中的驅(qū)動節(jié)點視為領(lǐng)導者，其它節(jié)點為跟隨者。
[0020] 機器人領(lǐng)導者靜態(tài)時的包含避碰控制率的方法如下：
[0021] 1)跟隨者機器人的位置控制算子由跟隨者機器人和其鄰居機器人之間通信關(guān)系 確定；
[0022] 跟隨者的二階動力學