[發(fā)明專利]多移動機器人的軌跡預(yù)測方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710078027.6
• 申請日: 2017-02-14
• 公開（公告）號: CN107065859A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 歐林林;鄒超;禹鑫燚;張集匯;朱峰;朱熠琛
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 杭州天正專利事務(wù)所有限公司33201
• 代理人: 王兵,黃美娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種多移動機器人的軌跡預(yù)測方法，具體是一種機器人分布式編隊的過程中，每個機器人通過記錄自身的路徑信息，在最短時間內(nèi)預(yù)測未來移動軌跡，從而為個體提供更多信息以便于實時避障或保持編隊穩(wěn)定性。

背景技術(shù)

隨著技術(shù)的革新和機器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，多移動機器人系統(tǒng)近年來受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注，其技術(shù)也獲得了長足的發(fā)展。采用多個結(jié)構(gòu)和傳感能力相對簡單的單個機器人組成多機器人協(xié)作系統(tǒng)在節(jié)省機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計成本的同時也增加了安全性。多機器人協(xié)作作為多機器人系統(tǒng)研究的熱點問題之一，在經(jīng)歷了20余年的發(fā)展歷程后，無論在軍事、國防，還是工業(yè)、生活等領(lǐng)域都展現(xiàn)了其廣泛的應(yīng)用空間。

多機器人協(xié)作系統(tǒng)研究的基本問題包括編隊控制、地圖構(gòu)建、無人救援、目標(biāo)圍捕以及協(xié)同搬運等。其中，多機器人編隊控制是多機器人系統(tǒng)協(xié)同完成其它任務(wù)的前提。多移動機器人編隊控制是指機器人團隊依賴傳感器感知周圍環(huán)境和自身狀態(tài)，相互協(xié)作完成編隊，在存在障礙物的環(huán)境中實現(xiàn)面向目標(biāo)的自主運動。編隊控制行為在自然界中隨處可見，例如大雁列隊飛行，魚群結(jié)隊游行，狼群編隊捕食等。在人類活動中，編隊行為也被廣泛采用，例如軍事土的機群編隊，航母、軍艦混合編隊等。此外，研究多機器人編隊控制控制的目的是為了最終能夠在實際環(huán)境中應(yīng)用，多機器人協(xié)作搬運作為多機器人編隊控制控制的一個典型應(yīng)用實例，近年來受到了廣泛的關(guān)注?，F(xiàn)實生活中，當(dāng)需要搬運大型、沉重的物體時，往往需要多人以協(xié)作搬運的方式來完成。與此類似，若用機器人代替人類完成上述搬運任務(wù)時，當(dāng)被運輸?shù)奈矬w超過單個機器人的承載能力，使用多機器人協(xié)作搬運將是完成任務(wù)的一種有效途徑。多機器人協(xié)作搬運物體本質(zhì)上是一個具有約束條件下的多機器人隊形保持問題，該問題可以描述為:給定任意的剛性多面體，多機器人成員能夠以一條無碰撞的路徑將該物體從起始點運動到最終目標(biāo)點。

近年來，針對多移動機器人的編隊分析與研究已取得了很大的進展。Lin Z在文獻Distributed formation control of multi-agent systems using complex Laplacian[J](IEEE Transactions on Automatic Control,2014,59(7):1765-1777)中利用復(fù)拉普拉斯網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議使多個機器人收斂到目標(biāo)圖形。Lin Z在文獻Leader–follower formation via complex Laplacian[J](Automatica,2013,49(6):1900-1906)通過改進復(fù)拉普拉斯網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，引入領(lǐng)航-跟隨結(jié)構(gòu)，使得多個機器人在兩個領(lǐng)航機器人的帶領(lǐng)下，保持目標(biāo)隊形在二維平面的移動。Wang L在文獻Formation control of directed multi-agent networks based on complex Laplacian[C](2012IEEE 51st IEEE Conference on Decision and Control(CDC).IEEE,2012:5292-5297)中將復(fù)拉普拉斯網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議從無向網(wǎng)絡(luò)拓撲拓展到有向網(wǎng)絡(luò)拓撲。然而上述研究都集中于移動機器人個體間的網(wǎng)絡(luò)拓撲特性，通過改變網(wǎng)絡(luò)拓撲參數(shù)及移動機器人間的控制協(xié)議達到控制目標(biāo)，而忽略了單個機器人在機器人編隊中的作用，無法從根本上進行系統(tǒng)設(shè)計使整個多移動機器人系統(tǒng)滿足一定的性能指標(biāo)要求，也很難靈活地實現(xiàn)不同的全局控制目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要克服現(xiàn)有技術(shù)對移動機器人未來估計信息不足的缺點，針對多個可移動機器人在二維平面內(nèi)以固定隊形移動的軌跡預(yù)測問題，在現(xiàn)有的復(fù)拉普拉斯編隊的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提供一種多移動機器人的軌跡預(yù)測方法，以最小步預(yù)測算法在最短時間內(nèi)幫助每個機器人預(yù)測其未來軌跡。

本發(fā)明的多移動機器人的軌跡預(yù)測方法，首先，對多個移動機器人在二維平面的運動建模，用復(fù)數(shù)來表示機器人在二維平面內(nèi)的坐標(biāo)，以一列復(fù)數(shù)向量來表示機器人的當(dāng)前位置，接著設(shè)計機器人的交互拓撲，然后用一列復(fù)數(shù)向量來表示機器人的目標(biāo)隊形，并求取復(fù)拉普拉斯算子來設(shè)計分布式控制律，再求取穩(wěn)定矩陣，最后通過記錄機器人的位移信息，求得機器人的軌跡路線。具體步驟如下：

步驟1，建立復(fù)平面內(nèi)的多移動機器人運動模型