基于分布式圓心和半徑估計(jì)的多機(jī)器人圓形編隊(duì)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于分布式圓心和半徑估計(jì)的多機(jī)器人圓形編隊(duì)控制方法，包括以下步驟：S1.第i護(hù)衛(wèi)機(jī)器人獲取相鄰作業(yè)機(jī)器人的位置信息ril(t)；S2.與相鄰護(hù)衛(wèi)機(jī)器人進(jìn)行通訊，利用分布式位置估計(jì)器得到編隊(duì)圓心的估計(jì)值pi(t)；S3.根據(jù)最大值一致性算法得到編隊(duì)半徑ρi(t)；S4.利用編隊(duì)控制器實(shí)現(xiàn)圓形編隊(duì)控制。本發(fā)明在編隊(duì)過程中使用了分布式位置估計(jì)的思想，能夠在編隊(duì)中避免使用所有機(jī)器人的位置信息，提高系統(tǒng)魯棒性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性。
【專利說明】
基于分布式圓心和半徑估計(jì)的多機(jī)器人圓形編隊(duì)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及機(jī)器人控制領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于分布式圓屯、和半徑估計(jì)的多機(jī)器 人圓形編隊(duì)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著通訊技術(shù)及控制理論的日益發(fā)展，人工智能等相關(guān)應(yīng)用在處理大型、復(fù)雜的 實(shí)際問題時(shí)逐漸體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。移動(dòng)機(jī)器人通過各類傳感器對(duì)自身狀態(tài)及環(huán)境信息的 感知，能夠按照任務(wù)的需求自主地完成任務(wù)。然而單個(gè)機(jī)器人往往因?yàn)樽陨淼木窒扌远鵁o 法完成某些任務(wù)，而需要多個(gè)機(jī)器人共同完成。早期，運(yùn)類問題都普遍采用的是集中式控制 算法，但全局信息的需求給集中式系統(tǒng)帶來一系列問題。隨著多機(jī)器人協(xié)調(diào)合作相關(guān)研究 飛速發(fā)展，分布式控制問題成為一大熱點(diǎn)。在分布式控制問題中，多個(gè)機(jī)器人通過局部信息 的傳遞，相互作用并相互影響最終達(dá)到狀態(tài)一致進(jìn)而完成任務(wù)。運(yùn)樣的分布式控制方法能 夠有效的節(jié)約成本并利用局部協(xié)調(diào)作用得到最大化的群體優(yōu)勢(shì)。
[0003] 隨著機(jī)器人向應(yīng)用系統(tǒng)的方向發(fā)展，多機(jī)器人編隊(duì)控制問題已成為研究的熱點(diǎn)問 題。根據(jù)不同解決思路，編隊(duì)控制研究方法分為跟隨-領(lǐng)航者法、模型預(yù)測(cè)控制法和分布式 控制法等等?，F(xiàn)有方法或是解決了領(lǐng)航跟隨編隊(duì)運(yùn)動(dòng)中的通信異常問題，使得通信更加穩(wěn) 定;或是調(diào)整隊(duì)形的尺度來躲避障礙物，使得在進(jìn)行任務(wù)中，能更加適應(yīng)環(huán)境的變化;或是 利用位置估計(jì)器來實(shí)現(xiàn)期望編隊(duì)。但運(yùn)些技術(shù)方案的隊(duì)形往往是預(yù)先設(shè)定好的或者能夠根 據(jù)靜止障礙物來進(jìn)行調(diào)整。在多個(gè)機(jī)器人進(jìn)行圓形編隊(duì)時(shí)，當(dāng)圓屯、和半徑在不斷發(fā)生變化 時(shí)，上述方法就將不再適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于分布式圓屯、和半徑估計(jì)的多機(jī)器人圓形編 隊(duì)控制方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種基于分布式圓屯、和半徑估計(jì)的多 機(jī)器人圓形編隊(duì)控制方法，包括W下步驟:S1.第i護(hù)衛(wèi)機(jī)器人獲取相鄰作業(yè)機(jī)器人的位置 信息m(t);S2.與相鄰護(hù)衛(wèi)機(jī)器人進(jìn)行通訊，利用分布式位置估計(jì)器得到編隊(duì)圓屯、的估計(jì) 值Pi(t);S3.根據(jù)最大值一致性算法得到編隊(duì)半徑Pi(t);S4.利用編隊(duì)控制器實(shí)現(xiàn)圓形編隊(duì) 控制。
[0006] 進(jìn)一步，在步驟S2中用W下方法獲得編隊(duì)圓屯、的估計(jì)值pi(t):
[0007]
其中m為作業(yè) 機(jī)器人的數(shù)目，n為護(hù)衛(wèi)機(jī)器人的數(shù)目，m表示第i護(hù)衛(wèi)機(jī)器人的相鄰作業(yè)機(jī)器人的個(gè)數(shù)，1 ￡{1，2，-'，111}，^1(〇表示第1護(hù)衛(wèi)機(jī)器人的第1相鄰作業(yè)機(jī)器人的位置信息，仍(〇為第1 護(hù)衛(wèi)機(jī)器人的相鄰護(hù)衛(wèi)機(jī)器人集合，若jGNi(t)，則9^*)表示第i護(hù)衛(wèi)機(jī)器人的相鄰護(hù)衛(wèi)機(jī) 器人對(duì)圓屯、的估計(jì)值，Cl為非負(fù)常數(shù)，AO)是巧(0對(duì)時(shí)間求導(dǎo)。
[000引講一巧，在巧驟S3中，編隊(duì)半巧Pi (t)通過W下方法獲得：
[0009]
，其中，定義
表示第i護(hù) 衛(wèi)機(jī)器人獲得的編隊(duì)半徑，Pi(O)表示取第i護(hù)衛(wèi)機(jī)器人的各相鄰作業(yè)機(jī)器人與編隊(duì)圓屯、距 離的最大值作為初始編隊(duì)半徑。
[0010]進(jìn)一步，所述編隊(duì)控制器如下所述：
[0011]
，其中，yi(t)是護(hù)衛(wèi)機(jī)器人的位置信息，Pi ? ^ (t)為編隊(duì)圓屯、估計(jì)值，Pi(t)為編隊(duì)半徑，^ + 9保證n個(gè)護(hù)衛(wèi)機(jī)器人W任意偏轉(zhuǎn)角度0均 巧 勻地分布在圓形編隊(duì)圓周上，k為常數(shù)k>l保證Wpi(t)為圓屯、，Pi(t)為半徑的護(hù)衛(wèi)機(jī)器人 編隊(duì)位于作業(yè)機(jī)器人的外部。
[0012] 由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：
[0013] 1、在編隊(duì)過程中使用了分布式位置估計(jì)的思想，能夠在編隊(duì)中避免使用所有機(jī)器 人的位置信息，提高系統(tǒng)魯棒性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性。
[0014] 2、考慮到機(jī)器人動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)情形，在編隊(duì)過程中加入最大值一致半徑算法來獲得編 隊(duì)半徑。與固定編隊(duì)半徑方案相比，本編隊(duì)更加靈活，能更加有效的對(duì)作業(yè)機(jī)器人進(jìn)行保 護(hù)。
[0015] 3、結(jié)合分布式位置估計(jì)器及最大值一致性算法，當(dāng)多機(jī)器人形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖滿 足連通的條件下，可W實(shí)現(xiàn)有效的編隊(duì)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到期望的圓形編隊(duì)，且編隊(duì)效果與護(hù)衛(wèi)機(jī)器 人的初始位置無關(guān)。
【附圖說明】
[0016] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn) 一步的詳細(xì)描述，其中：
[0017] 圖1為圓形編隊(duì)原理示意圖；
[001引圖2為通訊拓?fù)鋱D；
[0019] 圖3為基于分布式圓屯、和半徑估計(jì)的機(jī)器人圓形編隊(duì)控制方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] W下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述;應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例 僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0021] -種基于分布式圓屯、和圓半徑估計(jì)的機(jī)器人圓形編隊(duì)控制方法，具體過程為：
[0022] 首先，為了減少傳統(tǒng)集中式算法帶來的缺陷，引入分布式位置估計(jì)器獲取編隊(duì)的 中屯、位置信息，其中編隊(duì)中屯、位置與要護(hù)衛(wèi)的所有作業(yè)機(jī)器人位置相關(guān)。每個(gè)護(hù)衛(wèi)機(jī)器人 能夠獲知各自所需護(hù)衛(wèi)的作業(yè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置信息，各護(hù)衛(wèi)機(jī)器人與其相鄰的護(hù)衛(wèi)機(jī)器 人進(jìn)行通訊，即能獲取相鄰護(hù)衛(wèi)機(jī)器人對(duì)應(yīng)的作業(yè)機(jī)器人的位置信息。通過局部信息交互， 采用本發(fā)明位置估計(jì)器獲取編隊(duì)中屯、位置信息。
[0023] 其次，由于作業(yè)機(jī)器人在作業(yè)過程中是不斷運(yùn)動(dòng)變化的，則護(hù)衛(wèi)機(jī)器人所形成的 保護(hù)范圍需要隨著作業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而做出相應(yīng)變動(dòng)。為了解決運(yùn)個(gè)問題，本發(fā)明采用最 大值一致半徑算法獲取編隊(duì)半徑。每個(gè)護(hù)衛(wèi)機(jī)器人能夠獲知各自對(duì)應(yīng)的作業(yè)機(jī)器人與編隊(duì) 中屯、位置的距離信息，各護(hù)衛(wèi)機(jī)器人篩選出最大值作為各自的編隊(duì)半徑并和相鄰護(hù)衛(wèi)機(jī)器 人進(jìn)行通訊。通過局部通訊，本發(fā)明采用的最大值一致性算法能夠使得各護(hù)衛(wèi)機(jī)器人的編 隊(duì)半徑達(dá)到一致并滿足功能需求。
[0024] 假設(shè)此時(shí)有m個(gè)作業(yè)機(jī)器人在作業(yè)，指派n個(gè)護(hù)衛(wèi)機(jī)器人對(duì)該m個(gè)作業(yè)機(jī)器人進(jìn)行 保護(hù)，確保其不受外來力量干擾W能順利完成作業(yè)。在保證護(hù)衛(wèi)質(zhì)量的前提下，通常希望n <mW此節(jié)約成本。由于護(hù)衛(wèi)機(jī)器人所形成的保護(hù)范圍需要隨著作業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而做出 相應(yīng)變動(dòng)，為了避免使用全局信息，提高系統(tǒng)魯棒性、可靠性、W及經(jīng)濟(jì)性，令每個(gè)護(hù)衛(wèi)機(jī)器 人能夠獲取鄰近作業(yè)機(jī)器人的位置信息，且同一個(gè)作業(yè)機(jī)器人的位置信息不能被多個(gè)護(hù)衛(wèi) 機(jī)器人同時(shí)獲取。為了讓隊(duì)形能隨作業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而變化，令所有作業(yè)機(jī)器人的位置中 屯、為編隊(duì)的圓屯、，各作業(yè)機(jī)器人到圓屯、距離的最大值的k倍為編隊(duì)半徑化>1)，將護(hù)衛(wèi)機(jī)器 人均勻的散布在此圓的圓周上形成保護(hù)屏障。
[0025] 如圖1所示，有①-⑦號(hào)屯個(gè)作業(yè)機(jī)器人（圖中為無人機(jī)）正在進(jìn)行高空作業(yè)(處于 同一高度），選派1-3號(hào)=個(gè)護(hù)衛(wèi)機(jī)器人對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。其中，1號(hào)護(hù)衛(wèi)機(jī)器人能夠獲取①、② 號(hào)作業(yè)機(jī)器人的位置信息，2號(hào)護(hù)衛(wèi)機(jī)器人能夠獲?、?、④號(hào)作業(yè)機(jī)器人的位置信息及3號(hào) 護(hù)衛(wèi)機(jī)器人能夠獲取⑤、⑥、⑦號(hào)作業(yè)機(jī)器人的位置信息。=個(gè)護(hù)衛(wèi)機(jī)器人通過局部通訊最 終得到屯個(gè)作業(yè)機(jī)器人的位置中屯、，W此作為編隊(duì)圓屯、。同時(shí)，各自計(jì)算出對(duì)應(yīng)作業(yè)機(jī)器人 到圓屯、的距離，選出最大值作為局部通訊的信息，最終得到一個(gè)全局最大值作為編隊(duì)的半 徑。=個(gè)護(hù)衛(wèi)機(jī)器人W該圓屯、和該半徑為依據(jù)，均勻的散布在該圓上，從而達(dá)到保護(hù)作業(yè)機(jī) 器人的目的。
[00%]分布式位置估計(jì)器獲取編隊(duì)圓屯、，如式(1)所示，
[0027]
(1)
[00%]其中，a為非負(fù)常數(shù)，m為作業(yè)機(jī)器人的數(shù)目，n為護(hù)衛(wèi)機(jī)器人的數(shù)目。Pi(t)是本發(fā) 明的分布式估計(jì)器對(duì)于編隊(duì)圓屯、的估計(jì)值，該估計(jì)值的估計(jì)是基于A(〇和ih(t)的值。從式 (1)可W看出，AW是巧(0對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，巧(0是關(guān)于Pi(t)的中間變量，N功第i個(gè)護(hù)衛(wèi)機(jī)器人 的相鄰作業(yè)機(jī)器人集合。特別地，本發(fā)明能夠滿足n<m情況，其核屯、思想在于Mt)的定義。 通過系統(tǒng)模型知道，每個(gè)護(hù)衛(wèi)機(jī)器人分別能獲取相鄰作業(yè)機(jī)器人的位置信息，且同一個(gè)作 業(yè)機(jī)器人的位置信息不被多個(gè)護(hù)衛(wèi)機(jī)器人同時(shí)獲取。假設(shè)第i個(gè)護(hù)衛(wèi)機(jī)器人能獲取m個(gè)作 業(yè)機(jī)器人的位置信息，則m+m+…+nn=m Jii為對(duì)應(yīng)的作業(yè)機(jī)器人的位置信息。
[0029] 再次，根據(jù)分布式圓屯、估計(jì)器及最大值一致半徑算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人圓形編隊(duì)的 控制。本發(fā)明W估計(jì)器得到的編隊(duì)中屯、位置作為圓屯、，最大值一致半徑算法得到的值作為 編隊(duì)半徑，護(hù)衛(wèi)機(jī)器人W圓形隊(duì)形的形式均勻的分布在作業(yè)機(jī)器人的外部，從而達(dá)到保護(hù)
[0031] (2) 作業(yè)機(jī)器人的作用。[0030] 島十值一前忡當(dāng)訣巧取縮臥坐巧，如式（2)所示，
[0032] 受明中將kp(t)作為編隊(duì)半徑。
[0033] 基于分布式圓屯、估計(jì)器及最大値一致半徑算法圓形編隊(duì)控制器，如式(3)所示，
[0034]
(3)
[0035] 其中，yi(t)是護(hù)衛(wèi)機(jī)器人的位置信息。常數(shù)k>l，常數(shù)目可W控制n個(gè)護(hù)衛(wèi)機(jī)器人 在圓形編隊(duì)中均勻分布的偏轉(zhuǎn)角度。
[0036] 特別地，在本發(fā)明中對(duì)于實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人的位置信息與傳遞該信息的技術(shù)顯得十 分關(guān)鍵。首先，本發(fā)明采用基站定位來獲得各機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置信息，將定位基站固定在預(yù) 設(shè)運(yùn)動(dòng)范圍的各邊上并且將定位標(biāo)簽安裝在機(jī)器人上。定位標(biāo)簽通過獲得與各定位基站的 相對(duì)位置并結(jié)合基站的初始位置信息，從而獲得該機(jī)器人的位置信息。其次，本發(fā)明使用 UWB無載波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)各機(jī)器人間的交流通訊。綜合運(yùn)用編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)局部通訊，實(shí)現(xiàn)分 布式拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
[0037] 在多機(jī)器人系統(tǒng)模型中，只有當(dāng)多機(jī)器人形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖滿足一定條件時(shí)，才 可W實(shí)現(xiàn)有效的編隊(duì)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到期望的圓形編隊(duì)。如圖2所示，拓?fù)鋱D中每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè) 護(hù)衛(wèi)機(jī)器人，若節(jié)點(diǎn)間有線段連接表示互為鄰接點(diǎn)。只有當(dāng)通訊拓?fù)鋱D為連通圖時(shí)，本發(fā)明 的分布式圓屯、估計(jì)器能夠得到期望的編隊(duì)圓屯、，同時(shí)最大值一致半徑算法能得到期望的編 隊(duì)半徑。
[0038] W上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人 員可W對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。運(yùn)樣，倘若本發(fā)明的 運(yùn)些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含運(yùn)些 改動(dòng)和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于分布式圓心和半徑估計(jì)的多機(jī)器人圓形編隊(duì)控制方法，其特征在于:包括 以下步驟：51. 第i護(hù)衛(wèi)機(jī)器人獲取相鄰作業(yè)機(jī)器人的位置信息m(t);52. 與相鄰護(hù)衛(wèi)機(jī)器人進(jìn)行通訊，利用分布式位置估計(jì)器得到編隊(duì)圓心的估計(jì)值Pl(t);53. 根據(jù)最大值一致性算法得到編隊(duì)半gPl(t);54. 利用編隊(duì)控制器實(shí)現(xiàn)圓形編隊(duì)控制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分布式圓心和半徑估計(jì)的多機(jī)器人圓形編隊(duì)控制方法， 其特征在于:在步驟S2中用以下方法獲得編隊(duì)圓心的估計(jì)值 ?1(〇:其中m為作業(yè)機(jī)器 人的數(shù)目，η為護(hù)衛(wèi)機(jī)器人的數(shù)目，m表示第i護(hù)衛(wèi)機(jī)器人的相鄰作業(yè)機(jī)器人的個(gè)數(shù)，1 e {1， 2,…，表示第i護(hù)衛(wèi)機(jī)器人的第1相鄰作業(yè)機(jī)器人的位置信息，Ni(t)為第i護(hù)衛(wèi)機(jī) 器人的相鄰護(hù)衛(wèi)機(jī)器人集合，若jeNKOJijpKt)表示第i護(hù)衛(wèi)機(jī)器人的相鄰護(hù)衛(wèi)機(jī)器人對(duì) 圓心的估計(jì)值，α為非負(fù)常數(shù)，私(0是仍⑴對(duì)時(shí)間求導(dǎo)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于分布式圓心和半徑估計(jì)的多機(jī)器人圓形編隊(duì)控制方法， 其特征在于:在步驟S3中，編隊(duì)半徑Pl(t)通過以下方法獲得：其中，定義Pl(t)表示第i護(hù)衛(wèi)機(jī) 器人獲得的編隊(duì)半徑4:(0)表示取第i護(hù)衛(wèi)機(jī)器人的各相鄰作業(yè)機(jī)器人與編隊(duì)圓心距離的 最大值作為初始編隊(duì)半徑。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于分布式圓心和半徑估計(jì)的多機(jī)器人圓形編隊(duì)控制方法， 其特征在于:所述編隊(duì)控制器如下所述：其中，yi(t)是護(hù)衛(wèi)機(jī)器人的位置信息，Pl(t)為編隊(duì)圓心估計(jì)值，Pl(t)為編隊(duì)半徑， @ + 〇保證η個(gè)護(hù)衛(wèi)機(jī)器人以任意偏轉(zhuǎn)角度Θ均勻地分布在圓形編隊(duì)圓周上，k為常數(shù)k> η 1保證以Pl(t)為圓心，Pl(t)為半徑的護(hù)衛(wèi)機(jī)器人編隊(duì)位于作業(yè)機(jī)器人的外端。
【文檔編號(hào)】G05D1/02GK105955274SQ201610356953
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月25日
【發(fā)明人】陳剛, 代明香
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)