[發明專利]一種集群跟蹤運動學建模方法、設備及存儲介質

有效

• 申請號: 202011565823.0
• 申請日: 2020-12-25
• 公開（公告）號: CN112684709B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 趙睿英;惠記莊;王杰;張雅倩;張浩;李夢
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G06F17/11
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王艾華

本發明公開了一種集群跟蹤運動學建模方法、系統、設備及存儲介質，步驟一，將多移動機器人的動態跟蹤過程描述為數學化表達式；步驟二，基于動態跟蹤過程的數學化描述，根據人工勢場法構建勢場函數；步驟三，根據勢場函數建立多移動集群跟蹤運動學模型。實現了機器人在復雜環境下完成跟蹤任務的同時，具備有生物集群特性。

技術領域

本發明屬于機器人領域，涉及一種集群跟蹤運動學建模方法、系統、設備及存儲介質。

背景技術

在含有障礙的工作環境中不發生碰撞的完成對動態目標的實時跟蹤是移動機器人達成工作任務的基本要求。其中單移動機器人路徑規劃常用算法有基于行為法、模糊控制法、人工勢場法等。而多移動機器人集群系統的協調跟蹤可以理解為系統的集群跟蹤問題，多移動機器人的集群跟蹤可實現動態目標追蹤，同時具備生物集群行為特征，例如：一致性、編隊保持、防碰撞和聚集性等。由于集群跟蹤是一個復雜的集群行為，為實現移動機器人集群跟蹤任務，首先應對機器人的集群行為進行分析，并建立其集群行為的數學模型。

目前，針對多移動機器人系統集群行為常用的建模方法有：基于引力/斥力作用的集群行為建模方法、歐拉法和基于仿真的建模方法，它們大多使系統具有良好的穩定性。目前，各國研究學者針對多移動機器人系統集群行為提出了許多的建模和分析方法，常用的方法有：基于引力/斥力(Attraction/Repulsion)作用的集群行為建模方法、歐拉(Euler)法和基于仿真的建模方法。其中基于引力/斥力作用的集群行為建模方法遵循“遠則吸引，近則排斥”的基本原則，是保證集群分離和聚集的常用方法。而由其發展而來的基于人工勢場理論的表現個體間相互作用關系的A/R模型，可運用系統內個體間和群體間相互的作用力來協調整個群體系統，并且根據個體間相互作用原則，系統地研究多移動機器人的集群運動。多移動機器人的集群跟蹤可實現動態目標追蹤，和單一移動機器人的目標跟蹤有所不同，它必須完成跟蹤任務并保持生物集群行為一定的特性，如收斂性、防碰撞性能、編隊行為等。已有的多移動機器人建模方法難以保證各種不同結構的機器人在復雜環境下完成跟蹤任務的同時，具備有生物集群特性。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種集群跟蹤運動學建模方法、系統、設備及存儲介質，機器人在復雜環境下完成跟蹤任務的同時，具備有生物集群特性。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

一種集群跟蹤運動學建模方法，包括以下步驟；

步驟一，將多移動機器人的動態跟蹤過程描述為數學化表達式；

步驟二，基于動態跟蹤過程的數學化描述，根據人工勢場法構建勢場函數；

步驟三，根據勢場函數建立多移動集群跟蹤運動學模型。

優選的，步驟一中，多移動機器人的動態跟蹤過程為：多移動機器人群的中心位置不斷的趨近于移動目標運動軌跡，直至多移動機器人的中心位置與移動目標重合。

優選的，步驟一中的數學表達式為：

其中集合表示機器人集群中心在集群跟蹤控制中的期望位置，為移動機器人集群中心位置，qⁱ(t)∈Rⁿ表示移動機器人的位置向量；表示動態移動目標的位置向量，i∈{1,2,…,N}。

優選的，步驟二中，根據人工勢場法原理，移動目標對機器人具有吸引力，其吸引力的大小與距離成正比，各移動機器人之間具有排斥力，其排斥力的大小與距離成反比，構建的勢場函數為

其中G(q)為移動機器人i總勢場函數，G_ij(qⁱ,q^j)表示移動機器人i和移動機器人j之間的勢場函數；表示移動機器人i和移動目標之間的勢場函數。