[发明专利]一种通信受限的多机器人协同等值面跟踪方法

权利要求书

1.一种通信受限下的多机器人协同等值面跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在三维空间中建立移动机器人的动力学模型：

其中，r_i(t)＝[x(t),y(t),z(t)]表示第i个移动机器人t时刻在三维空间中的位置；i＝1,2,…,N，N为机器人的个数；表示第i个移动机器人t时刻的运动速度；u_i(t)表示第i个移动机器人t时刻的控制输入；

步骤2：考虑通信受限问题，所有移动机器人仅通过自身携带的传感器进行探测；得到机器人自身所在位置的场强、机器人自身所在位置的次目标强度，以及机器人自身与所有其他机器人的相对位置；

步骤3：将步骤2得到的相对位置信息进行主成分分析，在互不通信的条件下，得到多机器人系统的协同运动方向，

步骤4：利用步骤2得到的机器人自身所在位置的场强、所在位置的次目标强度和步骤3得到的协同运动方向设计运动学控制器；

步骤5：利用步骤4设计的运动学控制器对多机器人进行协同控制，实现通信受限下的多机器人等值面跟踪任务。

2.根据权利要求1所述的一种通信受限下的多机器人协同等值面跟踪方法，其特征在于，步骤2中，所述的传感器包括场强传感器和距离传感器；所述场强传感器用于测量任意时刻下机器人自身所在位置r_i(t)的场强和次目标强度；所述距离传感器用于测量机器人自身与所有其他机器人的相对位置。

3.根据权利要求1所述的一种通信受限下的多机器人协同等值面跟踪方法，其特征在于，所述的步骤2具体包括如下子步骤：

步骤2.1：移动机器人i通过自身场强传感器测量t时刻自身所在位置r_i(t)的场强z_i(t)，其表示为：

其中，为待监测的信号场的函数表达式；

步骤2.2：移动机器人i通过自身场强传感器测量t时刻自身所在位置r_i(t)的次目标强度f_i(t)，其表示为：

其中，为待监测的次目标场的函数表达式；

步骤2.3：移动机器人i通过自身距离传感器测量t时刻自身与所有其他机器人的相对位置r_ij(t)，其表示为：

r_ij(t)＝r_j(t)-r_i(t)，r_ii(t)＝0，j＝1，2，…，N。

4.根据权利要求3所述的一种通信受限下的多机器人协同等值面跟踪方法，其特征在于，所述的步骤2.2中，所述的次目标根据机器人的实际应用场景选择，机器人将在满足等值面跟踪的前提下自适应地优化次目标，最终收敛于次目标在等值面上的投影。

5.根据权利要求1所述的一种通信受限下的多机器人协同等值面跟踪方法，其特征在于，所述的步骤3具体包括以下子步骤：

步骤3.1：移动机器人i根据测量得到的相对位置信息构建对应的协方差矩阵C_i(t)，其表示为：

其中为机器人i测量得到相对位置的均值；

步骤3.2：由于每个机器人都能观测到所有其他机器人，则所有机器人的协方差矩阵是相同的C(t)，其用绝对位置表示为：

其中为所有机器人位置的中心；

步骤3.3：对步骤3.2得到的协方差矩阵进行特征值分解，得到一组一一对应的特征值{λ₀,λ₁,λ₂}与三维特征向量{V₀,V₁,V₂}，其中根据特征值的大小关系λ₀λ₁λ₂对特征向量进行排序；将该三维特征向量的线性组合作为多机器人系统的协同运动方向。

6.根据权利要求1所述的一种通信受限下的多机器人协同等值面跟踪方法，其特征在于，所述的步骤4包括以下子步骤：

步骤4.1：标量信号场中的等值面表示为其中z_d为期望的场强大小；

步骤4.2：设计t时刻机器人i的控制输入为：

u_i(t)＝k₀(z_i-z_d)V₀+k₁f_iV₁+k₂V₂+K_c(r_C-r_i)

其中，k₀0，k₁0，k₂0为控制参数；k_c0，γ0为距离参数；k₀(z_i-z_d)V₀+k₂V₂为等值面跟踪项，用于搜索和跟踪等值面，k₁f_iV₁为次目标优化项，用于同时优化次目标，K_c(r_c-r_i)为距离控制项，通过中心收缩的方式控制多机器人之间距离。