[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于人工物理法的多智能体机器人协同控制方法，属于机 器人控制技术领域。

背景技术

机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一。随着机器人的广泛应用以 及其任务复杂度的提高，机器人系统也由单一机器人向多机器人发展。多机器 人系统描述为一些机器人在同样的环境下协作完成任务的系统。多机器人系统 主要有以下特点：

(1)多机器人可以完成复杂的任务；

(2)多机器人之间可以通过通讯来协作完成任务；

(3)多机器人可以大大提高系统的效率，增加系统的性能和可靠性；

(4)多机器人具有分布式的特点；

(5)设计多个简单的机器人比设计一个复杂机器人成本低，而且更容易。

目前，机器人协同控制处于仿真研究阶段，大多采用人工势场、A*等方法， 而没有建立多机器人运动体的编队控制，也没有使多机器人运动体保持队形的 方法。

本发明所提出的人工物理法的创新性在于通过多个智能体机器人内聚扩展 建立队形，基于人工物理方法保持队形，采用模糊控制的沿墙跟踪避障，实现 了多智能体机器人的协同控制。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种简捷、高效、输出稳定性、鲁棒性好的基于 人工物理法的多智能体机器人协同控制方法，该方法适用于大量的智能体机器 人和智能体机器人集的运动控制。

下面将本发明的技术方案，详述如下：

本发明是一种基于人工物理法的多智能体机器人协同控制方法。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。概述分为下述步骤：(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；(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；(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。

本发明一种基于人工物理法的多智能体机器人协同控制方法，可分为下述 3个步骤：

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(AP)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其中，F代表力，m代表质量，a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)可以得出每个智能 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。

人工物理法的流程如图1所示。其中，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， ΔT为离散的步长。