[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

说明书

本发明公开了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，属于多移动机器人协同控制技术领域，本发明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，提出的分布式预设时间观测器，可以直接对从机移动机器人真实编队误差值以以及对主机的位置、角度以及角速度进行观测，可以对观测器的收敛时间进行预先离线设定，能保证观测效果的准确性、灵活性与安全性；本发明提出的移动机器人编队控制器也同样使用预设时间算法，可以保证离线预设完成编队队形形成的时间；同时，本发明利用GPS定位系统、激光雷达与惯性测量单元(包括加速度计、陀螺仪与磁力计)来获取移动机器人之间的相对位置与角度，能保证高精度，保证观测器的观测值更加接近实际值，提高多移动机器人编队的效果。

技术领域

本发明属于多移动机器人协同控制技术领域，具体涉及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。

背景技术

单体移动机器人，在信息获取、处理以及自主控制与规划等方面的能力的有限性，使得其在一些大型复杂的任务环境与空间中，并不能够很好地完成任务需求。多移动机器人系统是由多个具有独立自主能力的移动机器人组成的集合，他们是一个整体，组成一个机器人编队，相互之间进行协调并能避免冲突。

多移动机器人系统在空间、时间、信息、资源和功能等方面具有分布性的特点，在以上除了时间和空间方面外，还具有互补性和冗余性的特点，展现了多移动机器人系统明显的优势：多移动机器人系统可以大幅度增强工作能力，大幅度提高工作效率，扩大功能与工作范围，增强系统的鲁棒性与容错性。

目前常见的协同控制方法包括领导跟随法、基于行为法、虚拟结构法、基于图论法、人工势场法等；协同体系结构分为集中式与分布式。

集中式架构由于主机移动机器人需要与所有的从机移动机器人进行通信，对主机移动机器人的工作能力与负载能力要求较高；分布式架构下，整个多移动机器人的通信拓扑可以使用有向图或者无向图进行描述，从机移动机器人仅仅与其相邻的从机移动机器人进行通讯，获得局部目标信息，并依赖这些局部信息与本地信息依据自身智能自主地做出调整，更新自己接下来的行为动作，最终实现一个共同期望的任务目标。

在多移动机器人的分布式编队控制中，移动机器人模型具有非线性与欠驱动的特点，使得分布式编队控制器的设计成为一个主要难点。分布式状态观测器由于其可以帮助所有的从机移动机器人获得主机移动机器人的状态信息，将复杂的分布式编队控制问题简化为一个单体移动机器人控制问题，大大降低了分布式编队控制器的设计难度。

在现有的研究中，观测器与控制器的设计大都多是渐进时间、有限时间以及限定时间收敛。其中渐进时间需要时间无穷大时才能收敛到目标值；有限时间需要依赖整个系统的初始状态条件；限定时间的收敛时间不能任意设定。而观测器与控制器的设计往往需要能在预设的时间内使得系统状态误差得到收敛，这样才能保证整个多移动机器人能够达到良好的编队控制效果。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供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，借助分布式预设时间状态观测器的设计与预设时间移动机器人控制器的设计，实现多移动机器人预设时间的协同编队。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

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，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；

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。