[發明專利]一種基于合作控制機制的機器人滾動優化控制方法

有效

• 申請號: 201710387869.X
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN107168058B
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發明（設計）人: 呂強;陳躍躍;陳迪龍;石廳;張波濤
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 杜軍

本發明涉及一種基于合作控制機制的機器人滾動優化控制方法。本發明首先引入虛擬機器人，建立虛擬機器人的動力學模型。該虛擬機器人可沿障礙物的邊緣運動；然后，根據合作控制理論，在滾動優化的框架下，通過實際機器人與虛擬機器人之間的安全距離，實際機器人與虛擬機器人速度一致性、以及實際機器人到達目標位置的距離，構建成本函數；求解成本函數獲得機器人的運動控制序列，并將第一個控制信號作用到機器人上，控制機器人安全有效運行。本發明彌補了傳統局部路徑規劃方法的不足，降低了傳統局部路徑規劃方法的復雜性，避免了機器人“陷入”環境中非目標位置，可以在動態不確定環境下，免碰撞的到達指定的目標位置。

技術領域

本發明屬于自動化技術領域，涉及一種基于合作控制機制的機器人滾動優化控制方法。

背景技術

路徑規劃問題是機器人領域中的基礎問題之一，相應的機器人路徑規劃技術則成為機器人運動控制中的一項基礎技術。該項技術主要是控制機器人能夠安全有效地從初始位置到達指定的目標位置。根據環境信息是否已知，可分為全局路徑規劃技術和局部路徑規劃技術，特別是局部路徑規劃技術，由于涉及到了未知動態環境，使得該技術一直以來受到全世界的強烈關注。傳統的局部路徑規劃技術將“規劃”和“控制”分開，也就是說，先完成機器人感知范圍內的路徑設定，然后采用軌跡跟蹤控制方法控制機器人沿著路徑運動。但此類技術計算相對復雜，不能有效控制機器人工作在動態不確定環境中，使得機器人可能會“陷入”環境中非目標位置，在此背景下，本發明彌補了此技術的不足之處。

發明內容

本發明的目標是針對現有技術的不足之處，提出一種基于合作控制機制的機器人滾動優化控制方法，具體是引入虛擬機器人，使得該虛擬機器人可以沿著障礙物的邊緣運動；在此基礎上，基于合作控制理論，在滾動優化的框架下，建立成本函數；求解成本函數，獲得最優控制序列，僅使用最優控制序列中第一個控制信號控制機器人運動。該方法能夠在每一次的采樣過程中求解控制序列，并僅使用第一個控制信號，這樣就能有效的控制機器人在動態不確定環境中運動，并降低傳統方法運算的復雜性。

本發明方法的步驟包括：

(一)建立實際機器人與虛擬機器人的動力學模型。具體方法是：

①建立實際機器人的動力學模型：

其中：u(k)是實際機器人在第k時刻的控制信號；x(k)是實際機器人在第k時刻的位置；x(k+1)是實際機器人在第k+1時刻的位置；v(k)是實際機器人在第k時刻的速度；v(k+1)是實際機器人在第k+1時刻的速度。

②建立虛擬機器人動力學模型：

其中：是虛擬機器人在第k時刻的位置；是虛擬機器人在第k時刻的速度；P是2×2轉換矩陣；I是2×2單位矩陣；y_k是實際機器人檢測范圍內障礙物邊緣上的任意一點位置；a_k是過點y_k的單位法向量；上標T表示矩陣的轉置。

(二)基于合作控制理論，在滾動優化的框架下，建立成本函數，具體方法是：

①基于合作控制理論，建立實際機器人和虛擬機器人之間安全距離的成本函數：

其中：d是預先給定的安全距離；是第j個虛擬機器人在第k時刻的位置；||·||表示2范數；M是虛擬機器人的個數。

②基于合作控制理論，建立實際機器人與虛擬機器人速度一致性成本函數：

其中：是第j個虛擬機器人在第k時刻的速度。

③建立實際機器人與目標位置的成本函數：