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1、1,多移动机器人编队控制的研究,答辩人：黄小起导 师：杨光红 教授,二零零九年七月二日,2,主 要 内 容,课题背景,1,基于跟随者领航者方式的多机器人编队控制,3,多移动机器人编队的分层控制策略,4,移动机器人建模,2,总结与展望,5,3,课 题 背 景,计算机技术,无线通信技术,多机器人协调合作实现,多个机器人协调合作优点：1、提高完成任务的效率；2、增强系统的容错性、鲁棒性；3、完成单一机器人难以完成的任务；4、加强了机器人的环境识别能力。,一个典型性的问题就是编队,4,课 题 背 景,编队控制：是指多个机器人在到达目的地的过程中，保持 某种队型，同时又要适应环境约束的控制技术,应用：1
2、、军事领域：排雷，航天器、无人机的编队飞行、自主水 下航行器的编队航行；2、生产领域:探矿、(水下)测绘、播撒(农药)，(桥梁)探伤；3、服务领域：清扫(灰尘、树叶)、运送等。,返回,多机器人编队示意图,5,以两轮差分驱动机器人作为对象建模,移动机器人建模,移动机器人的运动学模型,移动机器人的动力学模型,移动机器人运动坐标系,返回,6,多机器人编队队形控制方法主要有以下三类：1、跟随领航者法2、基于行为法3、虚拟结构法,跟随领航者法,基于行为的控制法,虚拟结构法,跟随领航方法控制简单，实际应用中非常广泛。,基于跟随者领航者方式的编队控制,7,Leader-follower队形保持,基本控制控制
3、目标：,基于跟随者领航者方式的编队控制,多机器人编队的队形,8,1、考虑了两机器人的相对运动方向角,转化为,Leader-follower队形控制示意图,2、在全局坐标系中建立笛卡儿坐标系，避免在极坐标中建模 系统存在固有奇异的的问题。,改进：,基于跟随者领航者方式的编队控制,9,系统建模,在全局坐标系中建立笛卡儿坐标系，根据机器人间的相对距离，相对位置夹角，相对运动方向角建立系统模型,系统模型的动态误差为,Leader-follower队形控制示意图,10,令,则有,控制器设计,运用输入输出反馈线性化方法设计控制律,11,控制器设计,基于闭环控制规律的移动机器人运动控制原理图,则可得控制器为
4、：,12,编队稳定性分析,（3.31）,13,编队稳定性分析,定理3.3：若系统遵循式(3.31）所描述的控制律，并且leader,的模式进行运动(,均为常数)，,渐进收敛到常数,以,编队可能出现的情况,leader做匀速直线运动,leader做匀速圆周运动,任何情况下,即,14,多移动机器人编队的滑模控制,1、leader作匀速直线运动时候，相对运动方向角误差 才能,收敛到零,输入输出反馈线性化方法,2、缺乏对扰动的鲁棒性,滑模控制方法能够克服这些局限性,15,编队滑模控制,16,设计控制律为：,定理3.4：在假设1成立的情况下，在式（3.52）中的控制输入能够通过（3.54）的给定使式（3
5、.50）所描述的滑动面稳定。,（3.54）,选择李雅普诺夫函数为：,编队滑模控制,17,领航机器人速度正负变化时队形收敛情况,滑模控制,18,滑模控制,用同样的方法可以证明该控制律可以使滑动面s渐近收敛到零。,19,领航者（实线）和跟随者（虚线）的运动轨迹,的仿真曲线,两机器人编队误差曲线,初始状态为,领航机器人做匀速直线运动,基于输入输出反馈线性化法仿真研究,控制目标,20,初始状态为,领航机器人做匀速圆周运动,领航者（实线）和跟随者（虚线）的运动轨迹,的仿真曲线,两机器人编队误差曲线,基于输入输出反馈线性化法仿真研究,控制目标,21,领航者（实线）和跟随者（虚线）的运动轨迹,两机器人编队误
6、差,领航机器人速度为正,初始状态为,期望队形为,基于滑模控制的多机器人编队仿真曲线,两机器人编队误差曲线,基于输入输出反馈线性化法,对比,基于滑模控制的仿真研究,22,领航机器人速度为负,领航者（实线）和跟随者（虚线）的运动轨迹,两机器人编队误差曲线,返回,基于滑模控制的仿真研究,领航者（实线）和跟随者（虚线）的运动轨迹,对比,针对速度为负设计的控制律,23,多机器人编队分层控制示意图,多移动机器人编队的分层控制策略,该结构是集中式和分布式结构的综合，兼二者的优点。,负责机器人局部控制算法,主要的协调机制,由人介入下达任务处理异常情况,各层主要功能,24,机器人智能体的控制结构,机器人智能体采
7、用基于行为融合的控制算法,多移动机器人编队的分层控制策略,25,机器人运动行为分解,(1)向目标点运动,(2)保持队形,多移动机器人编队的分层控制策略,26,（4）异常情况处理,(3)避障,个体机器人陷入障碍死区,个体机器人失效,障碍环境不允许编队通过,多移动机器人编队的分层控制策略,27,如果符合异常情况的判断条件,否则,各子行为的权重分别为,用加权的方式得到机器人的综合控制变量：,多移动机器人编队的分层控制系统,28,整体队形反馈的控制策略,其稳定性可以由李雅普诺夫稳定性理论证明。,多移动机器人编队的分层控制策略,29,障碍物已知的三角形编队,障碍物已知的菱形编队,仿真结果,（7.5，5.
8、5）、（16.5，8）、（11，14）,给定障碍物的位置为,30,带反馈和不带反馈的编队控制效果对比图,仿真结果,队形误差对比效果图,返回,31,结论和展望,1、研究了无障碍环境下多移动机器人编队的控制问题。(1)输入输出反馈线性化方法(2)滑模控制方法 设计了控制器，得出一些稳定编队的结论。2、研究了有障碍环境下多移动机器人编队的控制问题。(1)分层控制策略(2)整体队形反馈策略 实现编队的平滑控制。3、理论证明和仿真结果表明这些控制策略具有较好的 控制效果。,32,结论和展望,(1)研究动态环境下(避开动态障碍物)编队控制 问题；(2)编队系统的鲁棒控制,容错控制；(3)对编队系统进行动力学特性分析(应用动力系 统的稳定性理论)；(4)减少编队控制中信息的需求量。,33,谢谢各位老师和同学！请批评指正！,谢谢,
