多移動機(jī)器人編隊(duì)控制的研究黃小起課件

1、多移動機(jī)器人編隊(duì)控制的研究答辯人：黃小起導(dǎo) 師：楊光紅 教授 二零零九年七月二日1主 要 內(nèi) 容課題背景 1 基于跟隨者領(lǐng)航者方式的多機(jī)器人編隊(duì)控制 3 多移動機(jī)器人編隊(duì)的分層控制策略 4移動機(jī)器人建模 2總結(jié)與展望52課 題 背 景計(jì)算機(jī)技術(shù)無線通信技術(shù)多機(jī)器人協(xié)調(diào)合作實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)器人協(xié)調(diào)合作優(yōu)點(diǎn)：1、提高完成任務(wù)的效率； 2、增強(qiáng)系統(tǒng)的容錯(cuò)性、魯棒性；3、完成單一機(jī)器人難以完成的任務(wù)；4、加強(qiáng)了機(jī)器人的環(huán)境識別能力。 一個(gè)典型性的問題就是編隊(duì)3課 題 背 景編隊(duì)控制：是指多個(gè)機(jī)器人在到達(dá)目的地的過程中，保持 某種隊(duì)型，同時(shí)又要適應(yīng)環(huán)境約束的控制技術(shù)應(yīng)用：1、軍事領(lǐng)域：排雷，航天器、無人機(jī)的編

2、隊(duì)飛行、自主水 下航行器的編隊(duì)航行；2、生產(chǎn)領(lǐng)域:探礦、(水下)測繪、播撒(農(nóng)藥)，(橋梁)探傷；3、服務(wù)領(lǐng)域：清掃(灰塵、樹葉)、運(yùn)送等。返回多機(jī)器人編隊(duì)示意圖4多機(jī)器人編隊(duì)隊(duì)形控制方法主要有以下三類： 1、跟隨領(lǐng)航者法2、基于行為法3、虛擬結(jié)構(gòu)法 跟隨領(lǐng)航者法基于行為的控制法虛擬結(jié)構(gòu)法跟隨領(lǐng)航方法控制簡單，實(shí)際應(yīng)用中非常廣泛 ?；诟S者領(lǐng)航者方式的編隊(duì)控制6Leader-follower隊(duì)形保持基本控制控制目標(biāo)：基于跟隨者領(lǐng)航者方式的編隊(duì)控制控制跟隨領(lǐng)航者主要控制方式是：多機(jī)器人編隊(duì)的隊(duì)形7系統(tǒng)建模在全局坐標(biāo)系中建立笛卡兒坐標(biāo)系，根據(jù)機(jī)器人間的相對距離，相對位置夾角，相對運(yùn)動方向角建立系

3、統(tǒng)模型系統(tǒng)模型的動態(tài)誤差為 Leader-follower隊(duì)形控制示意圖 9令則有控制器設(shè)計(jì)運(yùn)用輸入輸出反饋線性化方法設(shè)計(jì)控制律10控制器設(shè)計(jì)基于閉環(huán)控制規(guī)律的移動機(jī)器人運(yùn)動控制原理圖 則可得控制器為：11編隊(duì)穩(wěn)定性分析（3.31）定理3.2：若系統(tǒng)遵循式(3.31）所描述的控制律，并且leader的模式進(jìn)行運(yùn)動，指數(shù)收斂到0。 以定理3.1：若leader-follower編隊(duì)系統(tǒng)遵循式(3.31)所描述的是漸進(jìn)穩(wěn)定的。 控制律，12編隊(duì)穩(wěn)定性分析定理3.3：若系統(tǒng)遵循式(3.31）所描述的控制律，并且leader的模式進(jìn)行運(yùn)動(均為常數(shù))，漸進(jìn)收斂到常數(shù)以編隊(duì)可能出現(xiàn)的情況其它情況？lea

4、der做勻速直線運(yùn)動leader做勻速圓周運(yùn)動任何情況下即13多移動機(jī)器人編隊(duì)的滑?？刂?、leader作勻速直線運(yùn)動時(shí)候，相對運(yùn)動方向角誤差 才能收斂到零輸入輸出反饋線性化方法2、缺乏對擾動的魯棒性滑?？刂品椒軌蚩朔@些局限性 14設(shè)計(jì)控制律為：定理3.4：在假設(shè)1成立的情況下，在式（3.52）中的控制輸入能夠通過（3.54）的給定使式（3.50）所描述的滑動面穩(wěn)定。（3.54）選擇李雅普諾夫函數(shù)為：編隊(duì)滑模控制16結(jié)論3.1 ：如果式（4.7）表示的滑動面漸進(jìn)穩(wěn)定，則收斂到期望值，即隊(duì)形收斂到期望隊(duì)形。領(lǐng)航機(jī)器人速度正負(fù)變化時(shí)隊(duì)形收斂情況 當(dāng)領(lǐng)航機(jī)器人速度為正(0,0, )是它的穩(wěn)定平衡

5、點(diǎn)。時(shí)，(0,0,0)是它的穩(wěn)定平衡點(diǎn)。當(dāng)領(lǐng)航機(jī)器人速度為負(fù) 時(shí)，滑模控制17領(lǐng)航者（實(shí)線）和跟隨者（虛線）的運(yùn)動軌跡的仿真曲線兩機(jī)器人編隊(duì)誤差曲線初始狀態(tài)為領(lǐng)航機(jī)器人做勻速直線運(yùn)動基于輸入輸出反饋線性化法仿真研究控制目標(biāo)19初始狀態(tài)為領(lǐng)航機(jī)器人做勻速圓周運(yùn)動領(lǐng)航者（實(shí)線）和跟隨者（虛線）的運(yùn)動軌跡的仿真曲線兩機(jī)器人編隊(duì)誤差曲線基于輸入輸出反饋線性化法仿真研究控制目標(biāo)20領(lǐng)航者（實(shí)線）和跟隨者（虛線）的運(yùn)動軌跡兩機(jī)器人編隊(duì)誤差領(lǐng)航機(jī)器人速度為正 初始狀態(tài)為期望隊(duì)形為基于滑?？刂频亩鄼C(jī)器人編隊(duì)仿真曲線 兩機(jī)器人編隊(duì)誤差曲線基于輸入輸出反饋線性化法對比基于滑?？刂频姆抡嫜芯?21領(lǐng)航機(jī)器人速度為負(fù)

6、領(lǐng)航者（實(shí)線）和跟隨者（虛線）的運(yùn)動軌跡兩機(jī)器人編隊(duì)誤差曲線返回基于滑?？刂频姆抡嫜芯?領(lǐng)航者（實(shí)線）和跟隨者（虛線）的運(yùn)動軌跡對比針對速度為負(fù)設(shè)計(jì)的控制律22多機(jī)器人編隊(duì)分層控制示意圖 多移動機(jī)器人編隊(duì)的分層控制策略該結(jié)構(gòu)是集中式和分布式結(jié)構(gòu)的綜合，兼二者的優(yōu)點(diǎn)。 負(fù)責(zé)機(jī)器人局部控制算法 主要的協(xié)調(diào)機(jī)制 由人介入下達(dá)任務(wù)處理異常情況 各層主要功能 23機(jī)器人智能體的控制結(jié)構(gòu) 機(jī)器人智能體采用基于行為融合的控制算法 多移動機(jī)器人編隊(duì)的分層控制策略24（4）異常情況處理(3)避障個(gè)體機(jī)器人陷入障礙死區(qū) 個(gè)體機(jī)器人失效 障礙環(huán)境不允許編隊(duì)通過 多移動機(jī)器人編隊(duì)的分層控制策略26如果符合異常情況的判

7、斷條件否則各子行為的權(quán)重分別為用加權(quán)的方式得到機(jī)器人的綜合控制變量： 多移動機(jī)器人編隊(duì)的分層控制系統(tǒng)27障礙物已知的三角形編隊(duì)障礙物已知的菱形編隊(duì)仿真結(jié)果（7.5，5.5）、（16.5，8）、（11，14） 給定障礙物的位置為29帶反饋和不帶反饋的編隊(duì)控制效果對比圖仿真結(jié)果隊(duì)形誤差對比效果圖返回30結(jié)論和展望結(jié)論1、研究了無障礙環(huán)境下多移動機(jī)器人編隊(duì)的控制問題。 (1) 輸入輸出反饋線性化方法 (2) 滑?？刂品椒?設(shè)計(jì)了控制器，得出一些穩(wěn)定編隊(duì)的結(jié)論。2、研究了有障礙環(huán)境下多移動機(jī)器人編隊(duì)的控制問題。 (1) 分層控制策略 (2) 整體隊(duì)形反饋策略 實(shí)現(xiàn)編隊(duì)的平滑控制。3、理論證明和仿真結(jié)果表明這些控制策略具有較好的 控制效果。31展望結(jié)論和展望