[发明专利]基于分布式预设时间状态观测器的多移动机器人编队方法

权利要求书

1.基于分布式预设时间状态观测器的多移动机器人编队方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤1)运动学建模：根据多移动机器人的运行学特性，建立多移动机器人的运动学方程；

步骤2)通讯拓扑描述：建立多移动机器人之间的通信网络架构，并构建多移动机器人的主从架构；

步骤3)状态观测器设计：设计分布式预设时间状态观测器，以实现从机在预设时间内获得主机状态的观测值；所述的状态观测器的设计如下：

其中，分别是第i个从机移动机器人对主机移动机器人的状态观测值；k_x,k_y,k_θ＞0，c_x,c_y,c_θ＞1/λ_min(M)以及λ_x,λ_y,λ_θ为观测器的参数；

ρ_x,ρ_y,ρ_θ为预设时间函数；a_ij为无向有权图中邻接矩阵中元素；

步骤4)编队控制器设计：将观测值输入到多移动机器人编队控制器，以实现多移动机器人的预设时间协同编队；所述的编队控制器的设计为：

式中u_xi,u_yi为虚拟控制器，定义如下

其中，a_x,a_y,a_θ＞0与r_x,r_y,r_θ＞0为常数系数；分别是第i个从机移动机器人对主机移动机器人的状态观测值的一阶导数；e_xi,e_yi,e_θi为基于所描述通信拓扑的相邻移动机器人之间的误差系统，关系式如下：

其中，为横向与纵向上第i个从机与第j个从机需要保持的目标距离。

2.根据权利要求1所述的基于分布式预设时间状态观测器的多移动机器人编队方法，其特征在于：步骤1)中，所述的运动学建模是移动机器人选取在全局坐标系二维平面下的运动的轮式机器人，其运动学方程描述如下：

其中i为移动机器人的编号；N为正常数，表示多移动机器人的数量；Δ＝{1,2,...,N}为多移动机器人编号集合；x_i,y_i为第i个移动机器人的位置信息；θ_i代表第i个移动机器人的航向角；v_i,ω_i为控制输入，分别代表第i个移动机器人的速度与转动角速度。

3.根据权利要求2所述的基于分布式预设时间状态观测器的多移动机器人编队方法，其特征在于，步骤2)中，所述的通讯拓扑描述：建立N+1个多移动机器人的主从架构，设置一个移动机器人作为主机，其编号为0；剩余N个移动机器人作为从机，其编号为i，i∈Δ，进行协同编队；主机与从机之间用无向有权图来进行通信拓扑关系表述。

4.根据权利要求3所述的基于分布式预设时间状态观测器的多移动机器人编队方法，其特征在于：所述的无向有权图的表述步骤如下：从机之间的拓扑关系为G_N＝{υ,ε}，N个移动机器人节点集合定义为υ＝{υ₁,υ₂,...,υ_N}，编号为i和j，i,j∈Δ的移动机器人之间的权重边定义为ε＝{(υ_i,υ_j)|υ_i,υ_j∈υ}；整个多移动机器人系统的拓扑关系为G_N+1，第i个从机移动机器人与主机移动机器人之间有直接通讯连接的描述为常数b_i，可建立主机移动机器人与从机移动机器人通讯拓扑关系矩阵为B＝diag{b₁,b₂,...,b_N}，并结合从机通讯拓扑中拉普拉斯矩阵L，表示整个多移动机器人系统的通信拓扑为矩阵M＝L+B。