[发明专利]一种前向轮式机器人群组分时抵达的协调控制方法

权利要求书

1.一种前向轮式机器人群组分时抵达的协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建轮式机器人与抵达目标相对位置关系的运动学模型；

(2)根据步骤(1)中的运动学模型，利用非光滑控制构建垂直于视线方向的加速度分量控制，使得群组中各轮式机器人垂直于视线方向的速度可在有限时间内收敛到零；

(3)根据步骤(1)中的运动学模型及给定的抵达时刻，利用非自治控制建立沿着视线方向的加速度控制方案；

(4)根据步骤(1)中的运动学模型及机器人间的信息交互，建立沿着视线方向的加速度控制方案；

(5)根据通信网络拓扑和轮式机器人群组抵达情况及步骤(4)(5)所设计的加速度控制方案，确定机器人沿着视线方向的加速度控制，结合步骤(2)所设计的垂直于视线方向的加速度分量控制，构建前向轮式机器人加速度与角加速度控制。

2.根据权利要求1所述一种前向轮式机器人群组分时抵达的协调控制方法，其特征在于：在惯性坐标系下轮式机器人i的运动学模型具体为：

其中i＝1，...，N依抵达顺序编号，(x_i，y_i)表示机器人i质心的位置坐标，θ_i表示机器人i的航向角，即速度方向与x轴的夹角，以逆时针方向为正方向，v_i表示机器人i的速度大小，ω_i表示机器人i的航向角速率，a_t，i与a_n，i分别表示机器人i的切向加速度与法向加速度，即机器人加速度沿着速度方向、垂直于速度方向的加速度分量；

取定目标位置坐标为(x^*，y^*)，建立轮式机器人i与抵达目标相对位置关系的运动学模型：

其中表示机器人与抵达目标间的距离，λ_i＝atan2(x^*-x，y^*-y)表示视线角，φ_i表示前置角；

根据相对位置关系的运动学模型，可进一步建立相对位置与控制输入的关系模型：

其中u_r，i＝a_t，i cosφ_i-a_n，i sinφ_i，u_λ，i＝a_t，i sinφ_i+a_n，i cosφ_i分别表示机器人沿视线方向和垂直于视线方向的加速度。

3.根据权利要求1所述一种前向轮式机器人群组分时抵达的协调控制方法，其特征在于：非光滑控制构建轮式机器人i垂直于视线方向的加速度分量控制具体为：

其中c_i＞0，0＜α_i＜1为常参数，函数sgn^α(·)具体为

sgn^α(x)＝|x|^αsign(x)，

其中sign(·)为符号函数。

4.根据权利要求1所述一种前向轮式机器人群组分时抵达的协调控制方法，其特征在于：利用非自治控制建立轮式机器人f沿视线方向的加速度分量控制方案具体为：

其中T＞0为指定的抵达时刻，d_i＞0为平滑系数。

5.根据权利要求1所述一种前向轮式机器人群组分时抵达的协调控制方法，其特征在于：利用通信网络控制建立轮式机器人i沿视线方向的加速度分量控制方案具体为：

其中δ表示相邻编号机器人的抵达间隔，p_i＞0为收敛系数，a_ij表示通信拓扑邻接矩阵的元，如果机器人i可以接受机器人j所发出的信息，则a_ij＞0，否则a_ij＝0，特别地，a_ii＝0。

6.根据权利要求1、3、4、5中任意一项所述一种前向轮式机器人群组分时抵达的协调控制方法，其特征在于：轮式机器人i加速度与角加速度控制具体为：

1)构建网络通信拓扑图，满足机器人1到其余机器人均存在有向路；

2)已经抵达的轮式机器人j停止发送信息，即a_ij＝0，

3)若轮式机器人i的所有编号小于i的入邻居(，递增序列，n_i表示机器人i的邻居个数，不存在或已经抵达，则令且令其中表示轮式机器人的实际抵达时刻；

4)若轮式机器人i的存在编号小于i的入邻居仍未抵达，则令

5)轮式机器人i加速度与角加速度控制如下表示：

其中

6)若轮式机器人存在速度上限，加速度上限，角速度上限等饱和约束条件，当5)中所设计的加速度与角加速度控制超过约束条件时，则选择相应的饱和值作为控制输入。