[发明专利]基于人工物理法的多智能体机器人协同控制方法

权利要求书

1.一种基于人工物理法的多智能体机器人协同控制方法，其特征在 于：该方法基于多个智能体机器人以分布式的方式进行，每个智能体机 器人上有一个或多个的传感器，用来采集、融合分布式数据，并使用信 息处理结果驱动智能体机器人；该方法步骤如下：

步骤(1)：基于人工物理法，建立智能体机器人间相互作用的矢量力 场；

在人工物理法的结构中，虚的物理力驱动一个智能体机器人群体系统 以达到期望的状态；该状态是一个使全系统潜在能量最小化的形状，而 系统表现为分子动力学特性，即其中，代表力，m代表质量， 代表加速度；

定义力规则：F＝Gm_im_j/r^p；其中F是智能体机器人i和智能体机器 人j之间力的幅值，m_i、m_j为第i、j个智能体的质量，r是两智能体机 器人间距离，G为代表聚类特性的参数，p为一个可调参数，p越大则F 受r变化的影响越大；R为阈值距离，如果r≤R，力是斥力，如果r＞R， 力是引力；每个智能体机器人都有一个用于检测距离和其它智能体机器 人方位的传感器；受动器使智能体机器人能够以速度移动；为了确保力 规则是局部的，智能体机器人的可视范围是1.5R；智能体机器人不需要 具有相同的质量；最大力参数F_max为智能体机器人所能达到的加速度提供 了一个必要的约束；从步骤(1)得出每个智能体上所受的力和力的方向， 这些变量作为步骤(2)的输入；

步骤(2)：通过解算智能体机器人合力，确定智能体机器人的运动速 度和方向，并通过四点平滑的方法抑制模态转换的瞬态；

每一个智能体机器人具有位置和速度我们使用离散时间近似智 能体机器人的连续行为，时间步长为Δt；在每一个时间步长内，每一个 智能体机器人的位置变化该变化取决于当前速度，在每一 个时间步长内，每一个智能体机器人的速度也发生改变速度的改变

量受施加在智能体机器人上的力的控制，其中m是智能体机 器人的质量，是智能体机器人上受到的力；

每个智能体机器人所具有的质量m使智能体机器人具有动量；智能体 机器人不需要具有相同的质量；最大速度参数V_max限制了智能体机器人的 最大速度；

在人工物理法的流程中，设智能体机器人群中智能体机器人个数为 N，m_i的默认值取1.0，p默认值取2，重力常数G在初始化中被设定，Δ T为离散的步长；

对任何一个智能体机器人i在每个离散时间段的人工物理法步骤流 程如下：

步骤2.1：首先智能体机器人i从传感器获取与其它智能体机器人间 的夹角θ和距离值r；

步骤2.2：得出与智能体机器人i距离最近的智能体机器人j，智能体 机器人i与智能体机器人j夹角为θ₀和距离值为r；

步骤2.3：依据下式确定F，θ，F为智能体机器人i所受力的大小， θ为智能体机器人i所受力的方向：

F0=G/(r*r)r≤1.5R0r>1.5R]]>

F=F0F0≤FmaxFmaxF0>Fmax]]>

步骤2.4：计算F在x轴与y轴上的分量，得到SF_X与SF_Y；

SF_X＝F×Cosθ

SF_Y＝F×Sinθ

步骤2.5：根据上述计算得到的SF_X与SF_Y，计算时间步长内的速度增 量ΔV_x与ΔV_Y；

ΔV_x SF_X*ΔT/m_i；

ΔV_y＝SF_Y*ΔT/m_i；

步骤2.6：计算时间步长后x轴和y轴上的速度分量V_x与V_y；V_1x和V_1y为 上一步x轴和y轴上的速度分量；

V_x＝V_1x+ΔV_x；

V_y＝V_1y+ΔV_y；

步骤2.7：依据下述公式对V_x，V_y进行限幅：

步骤2.8：使用四点平滑方法计算智能体机器人i的期望移动速度V_fx、 V_fy和期望转动角度θ’，即：

V_fx＝(V_1x+V_2x+V_3x+V_x)/4

V_fy＝(V_1y+V_2y+V_3y+V_y)/4

{V_1x，V_1y}、{V_2x，V_2y}、{V_3x，V_3y}分别为前一步、前两步和前三步 的速度值；

依据V_fx，V_fy计算智能体机器人i期望转动角度θ’：

步骤2.9：依据智能体机器人i期望移动速度V_fx、V_fy和期望转动角度 θ’控制智能体机器人i运动；

步骤2.10：在智能体机器人i运动过程中不断迭代进行上述过程，即 步骤2.1至步骤2.9；

步骤(3)：基于模糊控制的沿墙跟踪方法，实现智能体机器人的避障；

基于模糊控制的沿墙跟踪方法需要设计一个双输入单输出的模糊控 制器，依据智能体机器人与墙壁的距离和相对于墙壁的角度判断智能体 机器人的转向，使智能体机器人与墙壁保持一定的距离运动；

模糊控制器主要由模糊化、知识库、模糊推理、清晰化四部分组成； 设智能体机器人与墙壁的距离的模糊变量语言集合为很近，近，中，远， 很远，其相应的语言变量分别记作：VC，C，M，F，VF；设智能体机 器人与墙壁的相对角度的模糊变量语言集合为很右，右，中，左，很左， 其相应的语言变量分别记为：VR，R，M，L，VL；模糊控制规则表中 GA、TLL、TL、TRL、TR的意义为前行、向左小转、向左转、向右小转、 向右转；

设S_r为智能体机器人与墙壁的距离，w_r为智能体机器人与墙壁的相 对角度，U为输出，智能体机器人在沿墙跟踪时的速度为V_follow；该沿墙 跟踪方法的基本流程如下：

步骤3.1：智能体机器人通过传感器探测正前方、左前方、右前方障 碍物的距离R_f、R_lf、R_rf；当正前方的障碍物距离R_f智能体机器人小于阈 值R_i时，则进入沿墙跟踪状态；若R_lf大于R_rf，则进入右沿墙跟踪状态； 否则则进入左沿墙跟踪状态；记录此时智能体机器人的位置坐标(X_i，Y_i) 和方向角θ_i；

步骤3.2：智能体机器人通过其侧面的传感器得到墙壁与其距离S_r和 夹角w_r；右沿墙跟踪使用智能体机器人右侧的传感器，左沿墙跟踪使用 智能体机器人左侧的传感器；

步骤3.3：根据距离隶属函数和角度隶属函数计算模糊控制输入量；

步骤3.4：根据模糊控制规则表判断模糊控制输出量，即得到智能体 机器人的转向；

步骤3.5：根据输出隶属函数将模糊控制输出量清晰化；

步骤3.6：依据清晰化的结果控制智能体机器人运动；

步骤3.7：在每个时间步长内迭代运行上述过程；

步骤3.8：如果同时满足以下条件则退出沿墙跟踪方法：

3.8a：根据进入沿墙跟踪时的坐标(X_i，Y_i)和方向角(θ_i)确定一 条直线，智能体机器人距这条直线的距离R_lie小于阈值R_o；

3.8b：智能体机器人到(X_i，Y_i)的距离R_dis大于阈值R_r。