[发明专利]实时分布式多机器人编队控制方法及系统

说明书

本发明属于协同控制系统技术领域，公开了一种实时分布式多机器人编队控制方法及系统，所述实时分布式多机器人编队控制方法包括：确定多机器人编队控制策略的设计思想；确定单机器人的运动模型；确定多机器人之间的引力场和斥力场数学模型；分析各机器人的受力并计算合力，确定各机器人的运动方向以及移动位置。本发明增强机器人的独立性和灵活性，各机器人单独处理避障问题，尽可能避免多机器人系统整体无法穿过复杂障碍物的情况，解决人工势场法在编队控制中的非受迫性碰撞问题，并且基于人工势场法平衡态概念，设计的机器人间的作用力不仅实现机间防碰撞，而且能够更好地减少机间振荡，柔性地控制各机器人从初始位置避碰避障到达目标位置。

技术领域

本发明属于协同控制系统技术领域，尤其涉及一种实时分布式多机器人编队控制方法及系统。

背景技术

近年来，人类对智能机器人的要求也在不断地提高。为了满足人类生活各方面的需求，不同类型的智能机器人也逐渐涌现而出，比如扫地机器人、消毒机器人、迎宾机器人以及送餐机器人等服务类机器人。除此之外，机器人也被应用于生产业和建筑业等领域，它不仅可以协助人类完成高负荷类的工作，而且可以代替人类执行高精度或高风险性的任务。由于单一机器人对多变环境情况的感知，对自身位置的判断，以及对信息的准确处理等方面的能力都具有一定局限性，所以单一机器人并不适用于执行复杂性或者动态性过高的任务。因此，多机器人系统的研究成为一个至关重要的方向。

在多机器人协调技术发展的过程中，多机器人编队控制作为多机器人系统的基础性研究问题，使得越来越多的学者们更加侧重于对其进行研究。多机器人编队控制通俗来讲指的是多个机器人根据任务需求在未知环境下形成一个特定的队形，并且保持该特定的队形向目标点移动，同时也要避免各机器人之间的碰撞以及机器人与障碍物之间碰撞的控制技术。即多机器人根据任务需求组成一个合适的队形并且根据运行环境随时调整队形，将非常有利于各机器人发挥出更大的作用，使得一些特殊性工作顺利完成，如对目标搜寻、森林地图探测或者危险区域营救等等。

多机器人编队控制的研究主要包括三个方面，分别是多机器人编队成形、多机器人队形保持和队形变换。其中，编队成形指的是多个机器人根据初始位置确定所对应的目标位置，并且在避免机器人之间碰撞的基础上尽可能快速到达目标位置，从而形成一个期望的队形。队形保持指的是多个机器人在运动过程中保持原有的队形进行避碰避障，而队形变换指的是机器人运动过程中遇到间隙过于狭窄的复杂障碍物而不能整体顺利通过时，多个机器人可将原有的队形变换成能够穿过复杂障碍物的队形，使得多机器人顺利避开复杂障碍物。多机器人之间的编队控制都通过机器人之间的通信实现协调控制，不仅提高了机器人工作效率，而且提高了系统的鲁棒性以及灵活性。

目前，基本的编队控制方法均可使机器人在无障碍物或有少量障碍物环境中保持良好的编队效果，但在复杂障碍物或动态障碍物环境下灵活性较差，且存在机器人避障与队形保持之间的矛盾。针对此类问题，一般可采取的策略有两种：一种是采用优先级思想，即机器人运动过程中优先避障；另一种是机器人根据当前运行环境变换队形进行避障。因此，亟需一种新的、针对多机器人系统在复杂环境下的编队控制方法。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)由于单一机器人对多变环境情况的感知，对自身位置的判断，以及对信息的准确处理等方面的能力都具有一定局限性，所以单一机器人并不适用于执行复杂性或者动态性过高的任务。

(2)现有基本的编队控制方法在复杂障碍物或动态障碍物环境下灵活性较差，且存在机器人避障与队形保持之间的矛盾。

解决以上问题及缺陷的难度为：

(1)在复杂环境下，多机器人系统不仅需要避免机器人与障碍物的碰撞，而且需要避免各机器人之间的碰撞。

(2)难以建立多机器人之间的引力场和斥力场数学模型，使得多机器人能够在单独避障后逐渐恢复原来的队形。

解决以上问题及缺陷的意义为：