Leader-Followers多机器人编队控制方法

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(School of Mechanical Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an Shaanxi 710072， China)
〇 前言 多 机 器 人 系 统 是 一 个 复 杂 的 系 统 ，能完成单个 机 器 人 无 法 完 成 的 任 务 。与 单 机 器 人 系 统 相 比 ，多 机器人 系 统在灵活性、适 应 性 、鲁棒性方面具有更 好的优越性[ 1_3]。基 于 多 机 器 人 系 统 的 这 些 优 点 ， 多 机 器 人 编 队 控 制 成 为 近 年 来 研 究 热 点 ，并广泛应 用 于 水 下 和 太 空 探 索 、护 卫 、车 间 运 输 、救 援 、巡 逻 等 领 域 +6]，但 是 多 机 器 人 编 队 控 制 是 一 个 难 点 问题。 目前，多机器人编队控制算法主要包括虚拟结构 ( Virtual Structure ) 法 [78]、 基 于 行 为 （ Behaviorbased) 的法[ 9 ] 、人 工 势 场 法 （ Artificial Potential) [ 1 °]、 领航-跟 随 （ LeaderFollower) 法 [ : ^ 15]等 。张 瑞 雷 等 ™提 出 了 车 式 移 动 机 器 人 动 态 编 队 控 制 方 法 。韩 青等人[12]提 出 了 一 种 有 效 结 合 距 离 -角 度 （ Z- p ) 和 距 离 -距 离 （ 卜〇控制方案的轨迹跟踪级联机器人编 队控制方法。MARIOTTINI等人[13]基于扩展雅克比矩 阵 的 秩 研 究 了 多 机 器 人 编 队控制问题。M0 RBIDI 等 人 [14]运用基于视觉的距离估计器研究了多机器人编 队控制问题。HASSAN 等 人 [15]通过动态反 馈 来 解 决 多机器人编队控制问题，文 献 [ 1 1 - 1 5 ] 在实现编队 控制中过程中，都 存 在 奇 异 点 ，为 解 决 奇 异 点 问 题 ， 文 献 [ 1 1 - 1 5 ] 采取了一些应对策略。文 献 [ 1 1 ] 通 过 对 机 器 人 速 度 进 行 约 束 来 解 决 奇 异 点 问 题 。文献 [ 1 2 - 1 4 ] 通 过 构 造 离 轴 点 来 解 决 奇 异 点 问 题 ，从而 解 决 了矩阵奇异性问题。文 献 [ 1 5 ] 通过引人新的 控制输人变量来解决奇异点问题。 本文作者提出的基于距离-角度控制方 案的编队控制方法，克服了奇异点问题，实现了编队 控 制 ，且能使编队快速形成和保持，并达到理想的编 队控制效果。 1 建模 单个移动机器人运动模型 非完整系统是一个带有速度约束的系统，与完整 约束系统相比，其速度约束为不可积约束。对于单个 非完整约束机器人，其运动模型： X cos汐 "O ' 0
韩青，张常亮
(西 北 工 业 大 学 机 电 学 院 ，陕 西 西 安 710072)
摘要 ：提出一种 Leader-Followers 多机器人编队控制方法。该方法利用距离- 角 度 （ / 飞 ）控制方案，仅利用跟随机器人 (F ollow ers) 观 测 （ L e a d e r) 领航机器人的纯角度信息，并利用无迹卡尔曼滤波算法对Leader-Followers多机器人系统的状态 进行估计，根据状态估计结果设计了输人- 输出反馈控制规律使得跟随机器人（ Follow ers) 准 确 跟 踪 （ Leader ) 领航机器 人 ，使多机器人快速形成编队，并确保了编队的稳定性，达到理想的编队控制效果。仿真验证了该方法的有效性。 关键词：多机器人；编队控制；无迹卡尔曼滤波；输人-输出反馈 中图分类号：TP24 文献标志码：A 文章编号 ：1001-3881 (2017) 09-001-4
Leader-Followers Formation Control Method for Multi-Robots
HAN Qing, ZHANG Changliang
A bstract ：A formation control method for multi-robots was proposed. The method made use of distance-angle (l-cp) control, bearing-only information of the followers observing the leader, and the unscented Kalman filter (UKF) was employed to estimate the states of leader-followers system. The results were used for follower-robots movement control via the input-output feedback control law which could make the follower-robots to accurately track the leader-robot, so that stability and rapidity of the robot formation were en­ sured and the desired formation of the robots was achieved. Simulation results are presented to verify the effectiveness of the approach. K eyw ords ：Multi-robots； Formation control； UKF ； Input-output feedback
2017年 5 月 第 45 卷 第 9 期
MACHINE TOOL & HYDRAULICS
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DOI ：10.3969/j .issn.1001-3881. 2017. 09. 001
Leader-Followers多 机 器 人 编 队 控 制 方 法