【摘 要】
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环航是指机器人与目标保持一定距离,进行环绕运动与跟踪.跟踪距离既要满足机器人传感器探测范围,又要避免机器人进入目标威胁范围.同时,机器人环绕目标运动,可以持续地监控和全方位的覆盖目标.为了达到更好的跟踪及观测效果,多机器人系统可以通过改变个体位置以及相互信息交换,实现对目标的协同环航.近年来,由于环航在侦查和搜救等领域的潜在应用前景,协同环航问题引起了更多学者的关注
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环航是指机器人与目标保持一定距离,进行环绕运动与跟踪.跟踪距离既要满足机器人传感器探测范围,又要避免机器人进入目标威胁范围.同时,机器人环绕目标运动,可以持续地监控和全方位的覆盖目标.为了达到更好的跟踪及观测效果,多机器人系统可以通过改变个体位置以及相互信息交换,实现对目标的协同环航.近年来,由于环航在侦查和搜救等领域的潜在应用前景,协同环航问题引起了更多学者的关注.如何在有限的信息交互下,使环航控制更加符合实际需求,需要在理论上进一步进行探索.本文针对不同的多机器人系统,研究其协同环航控制问题.主要考虑设计合适的控制器,使多机器人系统针对不同的任务需求,实现对运动目标的协同环航.并进一步考虑如何通过控制器的设计提高环航系统的动态性能.具体内容和创新点概括如下:(1)针对多机器人协同环航控制问题,在目标信息局部可得的情况下,提出一种基于观测器的分布式控制方案,使机器人满足速度约束条件下,以任意给定队形和速度环绕目标.首先,在目标信息全局可得的有向通信条件下,利用非线性稳定性理论和代数图论,基于饱和函数设计一类分散式控制器,使机器人在速度受限的情况下,实现对目标的协同环航.进一步地,考虑目标信息局部可得且机器人能否获得目标信息时变的情况,设计基于观测器的分布式控制方案,并利用级联系统稳定性理论证明整个系统的稳定性.所提出的控制方案能够降低系统的通讯和测量要求,并提高环航的灵活性.(2)为了提高环航系统动态性能,提出一种分布式协同环航有限时间控制方案,在目标信息局部可得的情况下,保证机器人满足速度约束条件并有限时间内达到以给定队形和速度环绕目标的要求.首先,在目标信息全局可得的情况下,利用有限时间理论和饱和函数,设计单机器人环航控制器.然后,结合有限时间一致性理论,基于有向通讯设计分散式控制器,使机器人满足速度约束条件下有限时间内实现对目标的协同环航.进一步地,考虑目标信息局部可得且机器人能否获得目标信息时变的情况,设计基于观测器的分布式有限时间控制方案,并利用级联系统有限时间稳定性理论证明系统的有限时间稳定性.所提出的控制方案能降低系统的通讯和测量要求,并提高环航的灵活性和动态性能.(3)针对非完整机器人协同环航控制问题,在目标信息局部可得的情况下,提出一种基于观测器的分布式控制方案,保证非完整机器人以任意给定队形和速度环绕目标.首先,在目标信息全局可得的情况下,根据极坐标系下的环航系统模型,利用反步法设计单个非完整机器人的环航控制器.然后,结合非线性系统稳定性理论和代数图论,基于有向通讯提出一种分散式控制方案,以实现非完整机器人系统的协同环航.进一步地,考虑目标信息局部可得且机器人能否获得目标信息时变的情况,设计基于观测器的分布式控制方案,并利用级联系统稳定性理论证明系统的稳定性所提出的控制方案能够降低系统的通讯和测量要求,并提高环航的灵活性.(4)针对一类可以转化为异质二阶模型的异质机器人系统,基于有向通讯提出一类分散式有限时间协同环航控制方案,使异质机器人在有限时间内达到以任意给定队形和速度环绕目标的要求.首先,根据机器人运动特性,利用反馈线性化的方法,将异质机器人系统协同环航控制问题转化为一类非线性级联系统的稳定性问题.然后,利用反步法和代数图论,设计一类分散式控制器,以实现异质机器人系统对目标的协同环航.进一步地,为有限时间内实现协同环绕目标的要求,利用加幂积分法和有限时间一致性理论,设计一类分散式有限时间控制器.所提出的控制方案能够降低系统的通讯要求,并提高系统的灵活性和动态性能.
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