[发明专利]基于向量场的多非完整型机器人巡逻护航任务的协同控制方法

说明书

本发明公开了基于向量场的多非完整型机器人巡逻护航任务的协同控制方法，通过使用多个非完整型机器人实现以期望的半径，圆周速度和机器人间相等的角间距环绕移动目标。在目标速度未知的情况下，使用微分跟踪器来估计目标的速度。针对多机器人系统提出了分布式控制策略，实现了对期望队形的渐近收敛，并利用Lyapunov工具给出了稳定性和收敛性分析。

技术领域

本发明涉及多个非完整型机器人对具有时变速度目标巡逻护航的协同控制问题，特别涉及一种基于向量场的多非完整型机器人巡逻护航任务的协同控制方法。

背景技术

多机器人的护航和巡逻任务来源于军事机器人，机器人监视安全系统和娱乐机器人等应用。护航的任务可以看作是围绕目标周围并维持一个编队的任务。当目标移动时，所形成的编队时刻将目标保持在其中心，并保持机器人到目标的距离，而且机器人均匀分布在目标周围。巡逻任务即为一个更进一步扩展也就是编队环绕目标以达到监视目的。

现有技术中对多个机器人均匀分布在一个圆上并围绕一个静止目标巡逻进行了研究。但这些方法不能直接应用于目标运动的情况。现有技术研究了基于单积分器或双积分器机器人模型下，目标运动的情况。但是由于机器人具有非线性和非完整约束的原因，单积分器或双积分器机器人模型在应用于多机器人方面的实际应用是有限的。

当目标的速度随时间变化时，巡逻护航控制问题就变得更加具有挑战性。现有技术提出了一种分布式可重构控制律，使得轮式机器人环绕一个运动目标实现了巡逻护航任务，但得到的跟踪误差只是局部一致有界。现有技术研究了跟踪时变中心的圆形编队，但所提出的控制律却依赖于机器人和目标的初始条件。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于向量场的多非完整型机器人巡逻护航任务的协同控制方法，使得多个非完整型机器人实现以期望的半径，圆周速度和机器人间相等的角间距环绕具有时变速度的移动目标。在目标速度未知的情况下，本发明使用微分跟踪器来估计目标的速度。本发明针对该多机器人系统提出了分布式控制策略，实现了对期望队形的渐近收敛，并利用Lyapunov工具给出了稳定性和收敛性分析。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一目的是公开一种多非完整型机器人巡逻护航任务的协同控制方法，包括：

对于有n个非完整型机器人组成的系统，确定每一个机器人的运动学方程；

在每个机器人对于运动目标速度未知的情况下，通过微分跟踪器估计目标的速度；

基于向量场理论，将机器人i和目标之间的相对动力学方程从惯性坐标系转换到X^r-q_t-Y^r坐标系中；

在惯性坐标系下，为每个机器人设计线速度和角速度，实现机器人以期望的半径，圆周速度和均匀角间距绕运动目标周围旋转。

进一步地，所述的确定每一个机器人的运动学方程，具体为：

其中，i＝1,2,...n,是机器人的绝对位置，并且θ_i∈[-π,π]是机器人相对于x轴的朝向角，v_i、w_i分别是机器人的线速度和角速度。

进一步地，所述在每个机器人对于运动目标速度未知的情况下，通过微分跟踪器估计目标的速度，具体为：

给定一个目标其位置q_t＝[x_t,y_t]^T，使用微分跟踪器估计目标的速度，即：

根据上式得到：v₀(t)＝q_t和