一种基于位置估计的机器人编队控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于多机器人编队控制技术领域，具体涉及一种基于位置估计的机器人编 队控制方法。
【背景技术】
[0002] 对于多自主体，有时要用自治的方式来实现一个集体任务，由于上述情况，需要研 宄多自主体在只需通过局部或者部分测量数据的情况下分布式的编队控制。在控制研宄进 展中，可计算和可通信为多移动自主体系统的分散式控制提供了先进技术。
[0003] 最常见的编队控制问题确立以后，开始研宄自主体感知邻居节点的相对位置或通 过控制相对位置坐标而不知道各自的绝对位置来实现期望编队队形等的情形，现有一些编 队控制算法可以解决这类的编队问题并保证真实队形到期望队形的全局收敛。
[0004] 大多数情况而言，期望获知多自主体各自的位置信息。首先，针对自主体的任务， 有时候得到位置信息是至关重要的。比如，如果自主体收集到一些感知到的数据，位置信息 需要作为收集信息的附加信息。对于现存的编队控制算法或者位置感知设备如GPS，这些位 置信息通常是不能够准确得到的。其次，如果每个自主体准确的知道它们的真实位置和期 望的位置点，那么期望的队形可以通过控制每个个体的位置而很容易实现，每个自主体可 以沿着它们距离目标点的最近路径运动从而实现期望的队形即可，即而可以减少一些控制 成本。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明的目的是针对现有编队控制中大都需要机器人的绝对位置信息 这一缺陷，提出一种基于位置估计的机器人编队控制方法。
[0006] 实现本发明的技术方案如下：
[0007] -种基于位置估计的机器人编队控制方法，其所针对的机器人系统为一阶系统， 具体过程为：
[0008] 101、设计一阶系统的位置估计器，如式（2)所示，
【主权项】
1. 一种基于位置估计的机器人编队控制方法，其所针对的机器人系统为一阶系统，其 特征在于，具体过程为： 101、 设计一阶系统的位置估计器，如式（2)所示，
(2) 其中，k">0，i= 1，2,…，N，N为编队中机器人的总数；当机器人i可W获得机器人j的信息时，ay= 1，否则，au= 0;ui为机器人i的控制输入，A为机器人i的估计位置.A 的导数，公/,为机器人i与机器人j的相对估计位置，Pw为机器人i与机器人j的相对实际 位置； 102、 基于一阶系统的位置估计器，设计一阶系统位置控制器，如式（5)所示； u,=!<.Pi-、Pi (5) 其中ke> 0,八'是机器人i的期望位置； 103、 根据一阶系统位置控制器，实现对机器人编队的控制。
2. 根据权利要求1所述基于位置估计的机器人编队控制方法，其特征在于，所述一阶 系统位置控制器还包括避障控制设计，如式（17)所示：
其中，<为机器人i的避障控制输入，代表了Vu关于皆的梯度，挣代表机器 人i的位置状态，种代表机器人j的位置状态，R代表机器人的可W碰撞安全距离，r代表 机器人间的可W允许的最小半径。
3. -种基于位置估计的机器人编队控制方法，其所针对的机器人系统为二阶系统，其 特征在于，具体过程为： 201、 设计二阶系统的位置估计器，如式（8)所示，
(8) 其中，k">0,i= 1，2,…，N，N为编队中机器人的总数；当机器人i可W获得机器人j的信息时，1，否则，a。= 0;vi为机器人i的绝对速度，A为机器人i的估计位置的 导数，參;，?为机器人i与机器人j的相对估计位置，Pw为机器人i与机器人j的相对实际位 置； 202、 基于二阶系统的位置估计器，设计二阶系统位置控制器，如式（9)所示； (9) 其中，Ui为机器人i的控制输入，pid和Pw是期望队形中机器人i和j的期望位置，A 和武是机器人i和j的估计位置，Vi和Vj皂机器人i和j的绝对速度，丫> 0; 203、根据二阶系统位置控制器，实现对机器人编队的控制。
4. 根据权利要求3所述基于位置估计的机器人编队控制方法，其特征在于，所述二阶 系统位置控制器还包括避障控制设计，如式（17)所示：
其中，< 为机器人i的避障控制输入，'代表了 乂4关于' 片的梯度，皆代表机器 人i的位置状态，代表机器人j的位置状态，R代表机器人的可W碰撞安全距离，r代表 机器人间的可W允许的最小半径。
5. -种基于位置估计的机器人编队控制方法，其所针对的机器人系统为差动系统，其 特征在于，具体过程为： 301、 设计差动系统的位置估计器，如式（2)所示，
(2) 其中，k">0,i= 1，2,…，N，N为编队中机器人的总数；当机器人i可W获得机器人j的信息时，1，否则，3。= 0 为机器人i的控制输入，A为机器人i的估计位置A 的导数，如为机器人i与机器人j的相对估计位置，Pw为机器人i与机器人j的相对实际 位置； 302、 设计机器人编队控制输入： V.=k{co^0.sin6^. )(/;；-/;,)' 与=巧 〇3) ?i=cos化tt) 其中，kt> 0且kt> 0,t表示时间，A是机器人i的期望位置； 基于差动系统的位置估计器，设计差动系统位置控制器，如式（14)所示，u,=kM{0,){p*-p：) (14) 其中
303、根据差动系统位置控制器，实现对机器人编队的控制。
6.根据权利要求5所述基于位置估计的机器人编队控制方法，其特征在于，所述差动 系统位置控制器还包括避障控制设计，如式（17)所示：
其中，< 为机器人i的避障控制输入，3^. /3片代表了Vy关于皆的梯度，皆代表机器 人i的位置状态，均?代表机器人j的位置状态，R代表机器人的可W碰撞安全距离，r代表 机器人间的可W允许的最小半径。
【专利摘要】本发明提供一种基于位置估计的机器人编队控制方法，具体过程为：首先，针对不同的机器人系统设计相应的位置估计器；其次，基于一阶系统的位置估计器，设计一阶系统位置控制器；再次，根据一阶系统位置控制器，实现对机器人编队的控制。本发明结合位置估计器，分别作用在多机器人形成的不同系统模型中，可以实现有效的编队运动，达到期望的编队队形，且编队过程开始时，机器人的位置可以任意，都可以形成期望的编队效果。
【IPC分类】G05D1-10
【公开号】CN104850131
【申请号】CN201510190847
【发明人】夏元清, 阮广凯, 孙中奇, 蒲钒, 杨毅, 任雪梅, 娜茜泰
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月21日