多移動機器人編隊控制的研究黃小起課件

1、多移動機器人編隊控制的研究答辯人：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)航者方式的多機器人編隊控制 3 多移動機器人編隊的分層控制策略 4移動機器人建模 2總結(jié)與展望52課 題 背 景計算機技術(shù)無線通信技術(shù)多機器人協(xié)調(diào)合作實現(xiàn)多個機器人協(xié)調(diào)合作優(yōu)點：1、提高完成任務(wù)的效率； 2、增強系統(tǒng)的容錯性、魯棒性；3、完成單一機器人難以完成的任務(wù)；4、加強了機器人的環(huán)境識別能力。 一個典型性的問題就是編隊3課 題 背 景編隊控制：是指多個機器人在到達目的地的過程中，保持 某種隊型，同時又要適應(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、無人機的編

2、隊飛行、自主水 下航行器的編隊航行；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)、運送等。返回多機器人編隊示意圖4多機器人編隊隊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，實際應(yīng)用中非常廣泛 ?；诟S者領(lǐng)航者方式的編隊控制6Leader-follower隊形保持基本控制控制目標(biāo)：基于跟隨者領(lǐng)航者方式的編隊控制控制跟隨領(lǐng)航者主要控制方式是：多機器人編隊的隊形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)機器人間的相對距離，相對位置夾角，相對運動方向角建立系

3、統(tǒng)模型系統(tǒng)模型的動態(tài)誤差為 Leader-follower隊形控制示意圖 9令則有控制器設(shè)計運用輸入輸出反饋線性化方法設(shè)計控制律10控制器設(shè)計基于閉環(huán)控制規(guī)律的移動機器人運動控制原理圖 則可得控制器為：11編隊穩(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的模式進行運動，指數(shù)收斂到0。 以定理3.1：若leader-follower編隊系統(tǒng)遵循式(3.31)所描述的是漸進穩(wěn)定的。 控制律，12編隊穩(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的模式進行運動(均為常數(shù))，漸進收斂到常數(shù)以編隊可能出現(xiàn)的情況其它情況？lea

4、der做勻速直線運動leader做勻速圓周運動任何情況下即13多移動機器人編隊的滑?？刂?、leader作勻速直線運動時候，相對運動方向角誤差 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模控制方法能夠克服這些局限性 14設(shè)計控制律為：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：編隊滑?？刂?6結(jié)論3.1 ：如果式（4.7）表示的滑動面漸進穩(wěn)定，則收斂到期望值，即隊形收斂到期望隊形。領(lǐng)航機器人速度正負(fù)變化時隊形收斂情況 當(dāng)領(lǐng)航機器人速度為正(0,0, )是它的穩(wěn)定平衡

5、點。時，(0,0,0)是它的穩(wěn)定平衡點。當(dāng)領(lǐng)航機器人速度為負(fù) 時，滑?？刂?7領(lǐng)航者（實線）和跟隨者（虛線）的運動軌跡的仿真曲線兩機器人編隊誤差曲線初始狀態(tài)為領(lǐng)航機器人做勻速直線運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)航機器人做勻速圓周運動領(lǐng)航者（實線）和跟隨者（虛線）的運動軌跡的仿真曲線兩機器人編隊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（實線）和跟隨者（虛線）的運動軌跡兩機器人編隊誤差領(lǐng)航機器人速度為正 初始狀態(tài)為期望隊形為基于滑?？刂频亩鄼C器人編隊仿真曲線 兩機器人編隊誤差曲線基于輸入輸出反饋線性化法對比基于滑模控制的仿真研究 21領(lǐng)航機器人速度為負(fù)

6、領(lǐng)航者（實線）和跟隨者（虛線）的運動軌跡兩機器人編隊誤差曲線返回基于滑模控制的仿真研究 領(lǐng)航者（實線）和跟隨者（虛線）的運動軌跡對比針對速度為負(fù)設(shè)計的控制律22多機器人編隊分層控制示意圖 多移動機器人編隊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。 負(fù)責(zé)機器人局部控制算法 主要的協(xié)調(diào)機制 由人介入下達任務(wù)處理異常情況 各層主要功能 23機器人智能體的控制結(jié)構(gòu) 機器人智能體采用基于行為融合的控制算法 多移動機器人編隊的分層控制策略24（4）異常情況處理(3)避障個體機器人陷入障礙死區(qū) 個體機器人失效 障礙環(huán)境不允許編隊通過 多移動機器人編隊的分層控制策略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)的方式得到機器人的綜合控制變量： 多移動機器人編隊的分層控制系統(tǒng)27障礙物已知的三角形編隊障礙物已知的菱形編隊仿真結(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控制效果對比圖仿真結(jié)果隊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)境下多移動機器人編隊的控制問題。 (1) 輸入輸出反饋線性化方法 (2) 滑?？刂品椒?設(shè)計了控制器，得出一些穩(wěn)定編隊的結(jié)論。2、研究了有障礙環(huán)境下多移動機器人編隊的控制問題。 (1) 分層控制策略 (2) 整體隊形反饋策略 實現(xiàn)編隊的平滑控制。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