[发明专利]一种基于障碍图和势场法的人机协同编队跟随及避障方法

说明书

技术领域

本发明属于机器人控制领域，尤其涉及一种协同编队跟随控制方法，将障碍图模型和势函数应用到有人/无人平台编队跟随及避障任务当中。

背景技术

有人/无人跟随控制模式是无人平台配合有人平台作战中的一环，即通过有人平台对战场态势的分析，决定将要执行的任务并传达给无人平台，无人平台能够自主地集结在一起，并形成一个指定的队形，跟随有人平台共同完成任务。在无人平台自主跟随的过程中，编队和避障是其必需的两项基本功能。

传统的无人平台编队控制技术是各个无人平台以队伍虚拟领导者的轨迹为基准，按固定角度和距离生成各自的轨迹，从而形成队形。其缺点有二，首先队形参数需要事先设定，无法根据实际的避障情况合理进行调整；其次当部分无人平台损坏时，剩下的无人平台仍按原定队形参数进行编队，无法自主形成新的队形。而传统的无人平台避障控制技术通常采用势场法，以无人平台和障碍物为中心建立势场函数，通过两者之间的排斥力达到避障目的。其缺点是无人平台行进过程中可能陷入局部极小值点。

一种新的思路是利用势函数兼顾编队和避障控制器的设计。R.Olfati Saber教授及Richard M.Murray教授(Saber,R.O.,Murray,R.M.Flocking with obstacle avoidance:cooperation with limited communication in mobile networks[C].Decision and Control,2003.Proceedings.42nd IEEE Conference on.IEEE,2003,2:2022-2028.)提出了一种基于势函数的群集和避障设计思路。对于群集，用一个U形势函数，在无人平台彼此间的感应范围内，当靠得太近时相互排斥,离得太远时又相互吸引，最终使它们之间的距离趋于一个稳定的值。对于避障,用一般的排斥势函数，在无人平台相对于障碍的感应范围内，当靠得太近时相互排斥，从而达到避障的目的。但这一控制方法并不能有效地解决势场法固有的局部极小值问题，因此需要设计一个虚拟领导者，并对其进行轨迹规划，使其能够将队伍引开局部极值点。文献(姚立强,宋艳荣,张术东.带有领导者的多智能体避障队形控制[J].烟台大学学报:自然科学与工程版,2014,27(2):130-135.)和文献(罗小元,刘丹.基于势函数的多智能体群集与避障[C].Proceedings of the 29th Chinese Control Conference.2010,20:l.)研究了上述基于势函数的群集和避障设计思路，并简化了所用的势函数，但由于其虚拟领导者并未进行路径规划，因此仍存在局部极小值问题。

对于群集中的路径规划，文献(Zhou Z.W.,Zhou B.,Zhao X.Formation control for Multi robots based on improved artificial potential field[J].Technology Innovation and Application,2015,33:44-45)提出一种“基于队形变换的沿墙导航法”解决了局部极值问题，但这种遍历求解路径方法效率不高。文献(Jia Q,Wang X.An improved potential field method for path planning[C].2010Chinese Control and Decision Conference.IEEE,2010:2265-2270.)则通过实时改变目标势场的位置解决了局部极值问题，但如何选定新的目标势场位置又是一个待解决的问题。

发明内容