[发明专利]一种利用扰动信号的非完整多机器人协调控制方法

摘要

本发明公开了一种利用扰动信号的非完整多机器人协调控制方法，其包括系统级联结构分解过程中，根据机器人内部结构特点分解为位置子系统与方向子系统两部分互相耦合系统；当群体系统期望参考信号满足持续激励条件时，对于可直接获得参考信号的非完整移动机器人，仍利用通常基于邻居分布式协调控制律设计方法，构造其分布式协调控制律；当群体系统期望参考信号满足持续激励条件时，在可获取该参考信号的非完整移动机器人方向子系统控制中加入虚拟的扰动激励信号，并在位置子系统实现协调控制后关闭该扰动激励信号，然后再实现方向子系统的协调控制，进而完成对于该类非持续激励参考信号的完全跟踪。

主权项

一种利用扰动信号的非完整多机器人协调控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤一：根据描述机器人的非完整动力系统，按照其结构特点，将非完整动力系统解耦为互相级联的位置子系统与方向子系统；预处理，据拓扑关系对机器人分类；根据个体机器人与Leader机器人之间是否存在信息交互，将所有N个机器人系统分为能直接获取Leader信息的机器人集合Ⅰ与不能直接获取Leader信息的机器人集合Ⅱ两部分；步骤二：对于能获取Leader信息的机器人系统，在Leader系统为持续激励信号的情况，设计基于邻居的分布式协调控制律；机器人系统模型变换与结构分解；对于由描述的个体机器人系统，经过如下坐标变换化为如下链式形式，其中，(xi,yi)表示非完整机器人i的位置，θi为非完整移动机器人i的方向角，vi,ωi为非完整移动机器人i待设计的控制输入：x·i1=ui1,]]>x·i2=ui2,]]>x·i3=ui1xi2.]]>从而原系统的一致性问题转化为如下子系统x·i1=ui1,---(3)]]>与子系统x·i2=ui2,x·i3=ui1xi2.---(4)]]>的一致性；类似坐标变换应用于群体机器人系统期望运动目标，将系统化为如下系统，其中，θd,ωd是已知的期望时变函数：x·d1=ud1,]]>x·d2=ud2,]]>x·d3=ud1xd2.]]>经上述坐标变换，将描述机器人的非完整动力系统，按照系统结构特点，解耦为互相级联的位置子系统与方向子系统；步骤三：对于能获取Leader信息的机器人系统，在Leader系统不满足持续激励信号的情况，利用加入扰动信号的办法设计基于邻居的分布式协调控制律；第I类机器人分布式控制律设计；所述方法直接获得Leader信息的第I类机器人协调一致性控制律的设计，该类机器人协调一致性控制律的设计与Leader机器人运动状态有很大的关系，由公式(3)看出，不同Leader信号下xi1的一致性将对于xi2,xi3的一致性产生重要的影响；第I类机器人系统协调控制律的设计根据Leader机器人具体运动情况分为Leader系统满足持续激励条件和Leader系统不满足持续激励条件；所述方法的设计过程包括：1)Leader系统满足持续激励条件：第一个子系统协调控制律的设计与通常积分器系统协调控制类似；公式(3)的一致性协议设计采用基于平均的分布一致性协议：ui1=-k1ai0(xi1-xd1)+Σj∈Niaij(xj1-xi1),---(5)]]>根据公式(4)的具体结构，采用如下一致性协议：ui2=-k2Σj∈Ni,j≠iaij(xj2-xi2)-k3ui1Σj∈Ni,j≠iaij(xj3-xi3),---(6)]]>其中，k1,k2,k3为严格大于零的常数，若第i个机器人同第j个机器人之间存在通信连接,则aij＝1；否则aij＝0，此种情况下，分布式协调控制律公式(6)的设计过程中，利用期望参考信号的持续激励特性保证公式(4)的可控性，进而通过分布式协调控制律公式(6)实现整个非完整机器人系统的协调控制；Leader信息或者参考信号收敛于零或者等于零时，由于第一个公式(3)过早的收敛于零，导致第二个公式(4)不可控，因而此时上述分布式协调控制律公式(5)和公式(6)不能实现此种情况下的一致性；令表示第i个机器人坐标(xi2,xi3)同其所有邻居机器人(xj2,xj3)之间的平均误差，分布式一致性控制律ui1设计如下：分布式一致性控制律ui2的设计仍采用公式(6)，其中ε为设计者根据任务要求指定误差区间的大小；分布式协调控制律公式(7)的设计过程中，根据公式(4)一致性误差ρi的大小，在分布式协调控制律公式(7)的设计过程中加入或者关闭具有持续激励特性的扰动信号ksin(t)；步骤四：对于不能获取Leader信息的机器人系统，设计基于邻居信息的分布式协调控制律；第Ⅱ类机器人分布式一致性控制律的设计；该集合类中机器人不能获得Leader机器人信息，控制过程中只需要和其同等地位的非Leader机器人交换信息；该集合类机器人协调控制设计过程中，需要与周围邻居完成预定的协调控制目标；第Ⅱ类机器人分布式控制律设计如下：ui1=-k4ai0(xi1-xd1)+Σj∈Niaij(xj1-xi1),ui2=-k5Σj∈Ni,j≠iaij(xj2-xi2)-k6ui1Σj∈Ni,j≠iaij(xj3-xi3),---(8)]]>其中，k4,k5,k6为大于零的常数，且满足k4＞k1,k5＞k2,k6＞k3。