[发明专利]一种基于分离式超声波的移动机器人编队跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种基于分离式超声波的移动机器人编队跟踪控制方法，包含步骤：步骤(1)：建立单个移动机器人的运动学模型；步骤(2)：建立n个移动机器人编队动态数学模型；步骤(3)：建立分离式超声波获取相对位姿的模型并推导出相对位姿的计算公式；步骤(4)：从编队跟踪控制的实际问题出发，结合所述相对位姿的计算公式设计出使编队跟踪误差渐近收敛的控制规律；步骤(5)：选取移动机器人参考路径，设置移动机器人参数与控制器参数，根据所述控制规律实现移动机器人的编队跟踪控制。本发明从实际应用角度出发，给出了一种分离式超声波获取位姿信息的方法，并设置实际可行的控制器，达到移动机器人编队跟踪控制误差渐近收敛的目标。

技术领域

本发明涉及移动机器人的编队控制领域，具体针对领导者跟随者编队方式中需要保持机器人之间运行的相对位姿，提出了一种基于分离式超声波的移动机器人编队跟踪控制方法。

背景技术

近几十年，随着科技的不断进步，生产生活中自动化智能化的程度不断提升，因此也激起了科研爱好者在这方面的不断探索，其中移动机器人就是这个领域中的一颗璀璨的星。从20世纪60年代斯坦福大学研究所的SHAKEY，70年代末期美国斯坦福大学和MIT合作的ALV研究，90年代后期CMU的NAVLAB移动机器人系统，移动机器人技术已经有了很大进步。现在，用于家庭清洁扫地机器人，服务于工厂中的AGV牵引车，用于太空探索的月球车等一系列移动机器人技术的产物逐渐出现在人们的视野。

移动机器人由于其本身能独立完成某项任务的能里，今后必然会在生产生活中发挥巨大的作用。例如太空探测，海洋探测，工业矿井探测这些由人类去完成危险程度很大甚至无法完成的任务，有了机器人的参与都将更好更快更安全地去完成。在有些大型的任务中，由于任务本身的复杂性，单个机器人由于自身能力有限，单独完成任务往往需要更多的时间和成本，而多个移动机器人互相合作，更高效，同时也具备更大的容错率。

控制移动机器人之间的良好协作关系，保证其在工作工程中稳定高效地完成每个任务，首要前提就是设计一种编队控制策略。编队控制的目标是设计控制器使得多个机器人能保持一个既定的编队几何形状，并能按预期完成任务。典型的编队控制方法有：基于行为控制、虚拟构造控制和领导者跟随者控制。每种方法都有其优缺点，而由于领导者跟随者编队控制方法的简单和易扩展性，本文使用该编队方法。在这种方法中，要求跟随者始终和领导者保持一定的位姿关系，因此相对位姿状态的获取和相对位姿状态的保持控制成为这个控制过程中关键环节。

移动机器人相对位姿信息的获取常见的有如下几种方式：(1)使用GPS获取全球位置坐标，并通过通信传递双方的位置信息，进而计算出相对位姿信息；(2)使用双目视觉获取周围环境图像信息，通过摄像机标定技术、图像匹配技术使用三角原理计算出相对位姿信息；(3)使用雷达循环扫描周围环境，通过计算发送接收时差获取相对位姿信息；(4)使用超声波模组发送超声波，超声波接收部分接收超声波，通过计算时差进而计算出相对位姿信息。在这些技术中，各有各的优缺点，其中GPS只能在室外使用，而且精度较低；图像虽然能获取丰富的信息，但是算法实现难度大，并且易受环境影响；而雷达的成本较高并且循环一次扫描的周期较长，实时性较差。而超声波具有成本较低，环境适应能力较强(超声波不受光线以及室内外等因素影响)，能够弥补GPS和图像获取相对位姿信息中存在的不足问题，但仍然存在精度不够、超声波模块需求较多等问题。

发明内容

本发明的目的在于解决移动机器人编队跟踪误差收敛问题，提出了一种基于分离式超声波的移动机器人编队跟踪控制方法，该方法从相对位姿的获取与相对位姿的保持上解决了移动机器人编队过程中领导者与跟随者避免碰撞与通信保持的问题，最终实现编队系统稳定运行的目标。

本发明目的通过以下技术方案实现:

一种基于分离式超声波的移动机器人编队跟踪控制方法，该方法包含步骤：

步骤(1)：建立单个移动机器人的运动学模型；