[发明专利]基于复拉普拉斯矩阵的二阶编队控制方法

说明书

基于复拉普拉斯矩阵的二阶编队控制方法，步骤如下：1)建立复平面内的多移动机器人运动模型。2)建立多机器人系统的拓扑图。3)构建实拉普拉斯矩阵。4)配置复拉普拉斯矩阵的权重。5)设计二阶控制协议6)设计速度衰减因子7)设计离散控制信号。本专利提出的二阶编队控制策略符合机器人实际的动力学方程，并且能够在一定程度上加速机器人编队效率，整个通信网络庞大时，效果尤为明显。工程师可根据机器人编队队形需要快速设计通信网络，该方法是分布式的，结构简单，实用性强，效率高，对于通信时延有一定的鲁棒性，为多移动机器人的编队控制提供了可行方案。

技术领域

本发明涉及多移动机器人编队控制技术领域，具体而言，是一种多个机器人行进过程中使用基于复数加权的网络通信二阶控制协议驱动机器人达到目标编队队形，实现机器人编队的方法。

背景技术

随着制造业技术的发展，机器人的生产成本不断降低，性能逐渐增强，功能日渐多样。机器人的生产成本的廉价化使得协同控制多台机器人设备完成某些任务中更经济。协同控制多台可移动的机器人设备在军用和民用上都具有广泛的应用前景。在生产制造和日常生活中，协同控制的多移动机器人群已进入了部分岗位并扮演了重要的角色。在2019年的“双11”购物节，机器人公司智嘉(Geek+)部署了超过4000台机器人大规模集群调度，72小时内发货811万单，比人工效率提升了近1倍。在图书馆，博物馆，银行等室内场所，亦有不少移动机器人行走其间，扮演着“领航员”、“自助柜员”等角色。在未来，随着人口结构的调整，多移动机器人代替部分人力工作是一种可预见的趋势。这一趋势在道路清洁，设备搬运，农产品收割等劳动密集的生产制造中尤为突出。在军事领域，协同控制的多移动机器人的应用更为广泛。2015年美军研发的“郊狼”无人机群，其个体体积小，重量轻，造价成本低，生产周期短，可快速部署战场作战环境，短时间内实现规模效应，以自杀式进攻摧毁目标单位达到作战目标。2020年，电科集团公布了陆空协同固定翼无人机作战系统“蜂群”。与“郊狼”机群相比，“蜂群”系统配备的无人机规模更大，作战能力更强。普通运输机在配备蜂群系统后也具备了很强的攻击能力。除了战场作战之外，移动机器人集群还可用于大地测量，气象观测，航拍，城市环境检测，地球资源勘探等许多军事研究工作。可以说，结构化规模化的机器人群组在信息化战争中扮演着重要的角色。在上述的应用中，机器人群通常被要求排列成指定的队形，以同步性地覆盖更多的区域，进而达到提升任务效率的目的。

如何协同地驱动控制机器人群完成指定队形是一个十分复杂的问题，其内容包括机器人运动学控制，空气动力学，数据传输干扰与反干扰，机器人编队控制，机器人地图构建和机器人运动轨迹规划等子问题。在这些子问题中，如何进行机器人的编队控制是多移动机器人系统协同控制的基本问题之一。机器人编队控制问题的核心是多个具有可移动的机器人设备(例如无人机，人造卫星，水下探测器等)所组成的团队，如何在空间中保持某种预期的几何关系(即队形)，又同时满足环境约束的控制问题。通常，编队控制指的是通过机器人之间局部的信息交互实现机器人编队目标的控制方法。编队控制问题的研究自上个世纪80年代计算机工程师用局部一致性的控制协议模仿鸟类的编队飞行以来已近40年。2003年基于拉普拉斯矩阵的一致性问题的研究翻开了其后20年内多机器人系统控制的新篇章。总体而言，这些研究衍生出基于位置，基于相对距离和基于距离三种编队控制方式。其中，基于相对距离的编队控制，也通常被认为是基于一致性的编队控制，被许多学者、工程师认为最有应用前景的一项技术。原因在于其控制拓扑相对简单，对环境要求较低，不仅可以将其部署在一般的室内环境如仓库，转运中心等，还可部署于一些极端环境如外太空，深海，灾难中心等地。该技术具有良好的可扩展性，可便捷地增减机器人个数而不影响整个编队系统的稳定性。基于一致性的编队控制策略大多建立在实数域上，这些控制策略都是实数多项式。随着研究的深入，近几年的控制器设计有部分转为复数域控制器——控制协议是一项含有复数的多项式。实数通常被认为可以与直线上的点对应，而复数则被认为可以与平面内的点相对应。由于复数的这一特性，由复数设计的控制器更适合用于描述二维平面内的运动学方程。特别更有利于简洁的描述编队的队形旋转和队形放缩的控制。