[發明專利]實時分布式多機器人編隊控制方法及系統

在審

• 申請號: 202110370559.3
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113296497A
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發明（設計）人: 范鵬梅;胡核算;韓旭泰;馬艷
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 西安長和專利代理有限公司 61227
• 代理人: 何畏

本發明屬于協同控制系統技術領域，公開了一種實時分布式多機器人編隊控制方法及系統，所述實時分布式多機器人編隊控制方法包括：確定多機器人編隊控制策略的設計思想；確定單機器人的運動模型；確定多機器人之間的引力場和斥力場數學模型；分析各機器人的受力并計算合力，確定各機器人的運動方向以及移動位置。本發明增強機器人的獨立性和靈活性，各機器人單獨處理避障問題，盡可能避免多機器人系統整體無法穿過復雜障礙物的情況，解決人工勢場法在編隊控制中的非受迫性碰撞問題，并且基于人工勢場法平衡態概念，設計的機器人間的作用力不僅實現機間防碰撞，而且能夠更好地減少機間振蕩，柔性地控制各機器人從初始位置避碰避障到達目標位置。

技術領域

本發明屬于協同控制系統技術領域，尤其涉及一種實時分布式多機器人編隊控制方法及系統。

背景技術

近年來，人類對智能機器人的要求也在不斷地提高。為了滿足人類生活各方面的需求，不同類型的智能機器人也逐漸涌現而出，比如掃地機器人、消毒機器人、迎賓機器人以及送餐機器人等服務類機器人。除此之外，機器人也被應用于生產業和建筑業等領域，它不僅可以協助人類完成高負荷類的工作，而且可以代替人類執行高精度或高風險性的任務。由于單一機器人對多變環境情況的感知，對自身位置的判斷，以及對信息的準確處理等方面的能力都具有一定局限性，所以單一機器人并不適用于執行復雜性或者動態性過高的任務。因此，多機器人系統的研究成為一個至關重要的方向。

在多機器人協調技術發展的過程中，多機器人編隊控制作為多機器人系統的基礎性研究問題，使得越來越多的學者們更加側重于對其進行研究。多機器人編隊控制通俗來講指的是多個機器人根據任務需求在未知環境下形成一個特定的隊形，并且保持該特定的隊形向目標點移動，同時也要避免各機器人之間的碰撞以及機器人與障礙物之間碰撞的控制技術。即多機器人根據任務需求組成一個合適的隊形并且根據運行環境隨時調整隊形，將非常有利于各機器人發揮出更大的作用，使得一些特殊性工作順利完成，如對目標搜尋、森林地圖探測或者危險區域營救等等。

多機器人編隊控制的研究主要包括三個方面，分別是多機器人編隊成形、多機器人隊形保持和隊形變換。其中，編隊成形指的是多個機器人根據初始位置確定所對應的目標位置，并且在避免機器人之間碰撞的基礎上盡可能快速到達目標位置，從而形成一個期望的隊形。隊形保持指的是多個機器人在運動過程中保持原有的隊形進行避碰避障，而隊形變換指的是機器人運動過程中遇到間隙過于狹窄的復雜障礙物而不能整體順利通過時，多個機器人可將原有的隊形變換成能夠穿過復雜障礙物的隊形，使得多機器人順利避開復雜障礙物。多機器人之間的編隊控制都通過機器人之間的通信實現協調控制，不僅提高了機器人工作效率，而且提高了系統的魯棒性以及靈活性。

目前，基本的編隊控制方法均可使機器人在無障礙物或有少量障礙物環境中保持良好的編隊效果，但在復雜障礙物或動態障礙物環境下靈活性較差，且存在機器人避障與隊形保持之間的矛盾。針對此類問題，一般可采取的策略有兩種：一種是采用優先級思想，即機器人運動過程中優先避障；另一種是機器人根據當前運行環境變換隊形進行避障。因此，亟需一種新的、針對多機器人系統在復雜環境下的編隊控制方法。

通過上述分析，現有技術存在的問題及缺陷為：

(1)由于單一機器人對多變環境情況的感知，對自身位置的判斷，以及對信息的準確處理等方面的能力都具有一定局限性，所以單一機器人并不適用于執行復雜性或者動態性過高的任務。

(2)現有基本的編隊控制方法在復雜障礙物或動態障礙物環境下靈活性較差，且存在機器人避障與隊形保持之間的矛盾。

解決以上問題及缺陷的難度為：

(1)在復雜環境下，多機器人系統不僅需要避免機器人與障礙物的碰撞，而且需要避免各機器人之間的碰撞。

(2)難以建立多機器人之間的引力場和斥力場數學模型，使得多機器人能夠在單獨避障后逐漸恢復原來的隊形。

解決以上問題及缺陷的意義為：