[发明专利]一种由人工势场诱导的组合体人工洛伦兹力构造及避障控制方法

说明书

本发明公开了一种由人工势场诱导的组合体人工洛伦兹力构造及避障控制方法，通过构造由人工势场诱导的人工洛伦兹力，作为基于人工势场的避障控制律附加项，从而为组合体障碍物的规避提供了一种可行的控制方法。所引入的人工洛伦兹力与速度垂直，同时具有一定的随机搜索特性，能够在不改变闭环系统稳定性的基础上消除机器人运动轨迹的局部极值点，解决了经典形式人工势场法难以用于复杂结构障碍物规避控制的问题。

技术领域

本发明属于智能体/轮式机器人/无人机/航天器避障运动控制领域，具体涉及一种由人工势场诱导的组合体人工洛伦兹力构造及避障控制方法。

背景技术

在轮式机器人/无人机/航天器等真实个体或集群运动控制中，为了保证个体运行安全，不可避免地需要考虑对环境中障碍物的规避，其中人工势场法以其构造简单、计算简便的特点，在障碍物结构及分布较为简单的情况下得到广泛应用。另一方面，考虑到人工势场法容易存在的局部极值问题，一些研究人员仿照磁场中电荷运动的启发，为个体设计了洛伦兹型碰撞规避力(下面简称为人工洛伦兹力)。但现有的相关研究普遍受电磁学物理规律的束缚，依赖于磁场(或产生磁场的电流)方向(下面简称基准方向)这一全局信息的预先确定，虽然对于二维障碍物可以垂直于纸面方向作为此类方向，但对于三维障碍物(尤其是不规则三维障碍物以及缺乏精确参考坐标系的情形)而言，该类方向的预先指定较为困难，因此难以用现有的人工洛伦兹力实现此类障碍物的有效规避。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种由人工势场诱导的组合体人工洛伦兹力构造及避障控制方法，该控制方法附加到基于经典人工势场所设计的避障控制律上，使得机器人的运动在与障碍物保持足够大距离的同时，有效跳出障碍物形成的局部极值区域，成功到达目标位置，以解决现有的对于三维障碍物，基准方向的预先指定较为困难，难以使用现有的人工洛伦兹力实现障碍物的有效规避的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种由人工势场诱导的组合体人工洛伦兹力构造及避障控制方法，包括以下步骤：

确定机器人的动力学模型和参数，所述参数包括碰撞规避检测距离阈值、障碍物排斥势系数和控制律附加项系数；

将障碍物分解为若干个基本几何单元；

构造障碍物的排斥势函数，所述排斥势函数与基本几何单元、人工势函数和点到基本几何单元的距离解析数值计算相关；

计算排斥势函数的梯度，获得障碍物排斥势场；

基于障碍物排斥势场和机器人的速度建立人工洛伦兹力的计算公式；

建立机器人的运动控制律，所述运动控制律与机器人的当前位置坐标、机器人的速度、机器人的期望位置、机器人的障碍物排斥项和人工洛伦兹力相关；

所述机器人以运动控制律和参数为基本，按照机器人的动力学模型进行运动仿真，如果仿真结果满足需求则结束设置，如果仿真结果不满足需求，调整参数后进行仿真，直至满足需求。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述机器人的动力学模型为：

其中，ξ(t)为t时刻下的机器人位置向量，ζ(t)为t时刻下的机器人速度向量，f(ξ(t),ζ(t))为机器人开环动力学函数，U(t)为t时刻下的机器人控制量。

优选的，所述将障碍物分解为若干个基本几何单元为：

其中，所述为基本几何单元，所述基本几何单元均为凸几何体。

优选的，所述排斥势函数为：