[發明專利]一種基于分離式超聲波的移動機器人編隊跟蹤控制方法

有效

• 申請號: 201910146815.3
• 申請日: 2019-02-27
• 公開（公告）號: CN109828580B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 戴詩陸;歐建永;王敏;李烈軍
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;黃海波

本發明公開了一種基于分離式超聲波的移動機器人編隊跟蹤控制方法，包含步驟：步驟(1)：建立單個移動機器人的運動學模型；步驟(2)：建立n個移動機器人編隊動態數學模型；步驟(3)：建立分離式超聲波獲取相對位姿的模型并推導出相對位姿的計算公式；步驟(4)：從編隊跟蹤控制的實際問題出發，結合所述相對位姿的計算公式設計出使編隊跟蹤誤差漸近收斂的控制規律；步驟(5)：選取移動機器人參考路徑，設置移動機器人參數與控制器參數，根據所述控制規律實現移動機器人的編隊跟蹤控制。本發明從實際應用角度出發，給出了一種分離式超聲波獲取位姿信息的方法，并設置實際可行的控制器，達到移動機器人編隊跟蹤控制誤差漸近收斂的目標。

技術領域

本發明涉及移動機器人的編隊控制領域，具體針對領導者跟隨者編隊方式中需要保持機器人之間運行的相對位姿，提出了一種基于分離式超聲波的移動機器人編隊跟蹤控制方法。

背景技術

近幾十年，隨著科技的不斷進步，生產生活中自動化智能化的程度不斷提升，因此也激起了科研愛好者在這方面的不斷探索，其中移動機器人就是這個領域中的一顆璀璨的星。從20世紀60年代斯坦福大學研究所的SHAKEY，70年代末期美國斯坦福大學和MIT合作的ALV研究，90年代后期CMU的NAVLAB移動機器人系統，移動機器人技術已經有了很大進步。現在，用于家庭清潔掃地機器人，服務于工廠中的AGV牽引車，用于太空探索的月球車等一系列移動機器人技術的產物逐漸出現在人們的視野。

移動機器人由于其本身能獨立完成某項任務的能里，今后必然會在生產生活中發揮巨大的作用。例如太空探測，海洋探測，工業礦井探測這些由人類去完成危險程度很大甚至無法完成的任務，有了機器人的參與都將更好更快更安全地去完成。在有些大型的任務中，由于任務本身的復雜性，單個機器人由于自身能力有限，單獨完成任務往往需要更多的時間和成本，而多個移動機器人互相合作，更高效，同時也具備更大的容錯率。

控制移動機器人之間的良好協作關系，保證其在工作工程中穩定高效地完成每個任務，首要前提就是設計一種編隊控制策略。編隊控制的目標是設計控制器使得多個機器人能保持一個既定的編隊幾何形狀，并能按預期完成任務。典型的編隊控制方法有：基于行為控制、虛擬構造控制和領導者跟隨者控制。每種方法都有其優缺點，而由于領導者跟隨者編隊控制方法的簡單和易擴展性，本文使用該編隊方法。在這種方法中，要求跟隨者始終和領導者保持一定的位姿關系，因此相對位姿狀態的獲取和相對位姿狀態的保持控制成為這個控制過程中關鍵環節。

移動機器人相對位姿信息的獲取常見的有如下幾種方式：(1)使用GPS獲取全球位置坐標，并通過通信傳遞雙方的位置信息，進而計算出相對位姿信息；(2)使用雙目視覺獲取周圍環境圖像信息，通過攝像機標定技術、圖像匹配技術使用三角原理計算出相對位姿信息；(3)使用雷達循環掃描周圍環境，通過計算發送接收時差獲取相對位姿信息；(4)使用超聲波模組發送超聲波，超聲波接收部分接收超聲波，通過計算時差進而計算出相對位姿信息。在這些技術中，各有各的優缺點，其中GPS只能在室外使用，而且精度較低；圖像雖然能獲取豐富的信息，但是算法實現難度大，并且易受環境影響；而雷達的成本較高并且循環一次掃描的周期較長，實時性較差。而超聲波具有成本較低，環境適應能力較強(超聲波不受光線以及室內外等因素影響)，能夠彌補GPS和圖像獲取相對位姿信息中存在的不足問題，但仍然存在精度不夠、超聲波模塊需求較多等問題。

發明內容

本發明的目的在于解決移動機器人編隊跟蹤誤差收斂問題，提出了一種基于分離式超聲波的移動機器人編隊跟蹤控制方法，該方法從相對位姿的獲取與相對位姿的保持上解決了移動機器人編隊過程中領導者與跟隨者避免碰撞與通信保持的問題，最終實現編隊系統穩定運行的目標。

本發明目的通過以下技術方案實現:

一種基于分離式超聲波的移動機器人編隊跟蹤控制方法，該方法包含步驟：

步驟(1)：建立單個移動機器人的運動學模型；