基于几何方法的多移动机器人运动协调控制

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随着人工智能、嵌入式技术和通信技术的不断发展,多移动机器人系统(MMRS)在研究和应用两个方面都有了坚实的基础。应用多移动机器人系统的优点是显而易见的,通过多个构造简单、传感器数量有限、运算及通信能力一般的机器人,就能够实现单个复杂机器人很难或者根本无法实现的功能及任务。然而,当机器人的数量增多时,一个亟待考虑的问题就是它们之间的协同控制问题。协同控制问题的一个重要研究方向就是多移动机器人的运动协调。对运动协调的研究大多集中于向量空间。在这样的一类研究中,首先假设抽象、简单的机器人模型,然后利用一致性算法得到控制律,缺点是在向量空间中研究的只能是机器人的局部描述模型,缺乏对机器人位置和姿态控制的综合考虑,不能满足很多实际需要。另一些研究则针对实际的机器人模型,利用最优化、人工势场法等方法设计协调控制律。然而对于不同的机器人模型和它们在实际应用中对运动协调的不同要求,这种具有特定针对性的研究,不能提供统一的、一般化的方法。为此,本文将机器人的位置和姿态作为一个整体,即李群(Lie group)上的一个元素来考虑,并给出了多移动机器人团队的运动协调控制律。首先,论文分析了机器人的运动协调控制问题,建立了移动机器人运动协调一般的几何框架。通过李群的左平移不变性和右平移不变性,定义了两种李群上的相对位姿。再通过固定这两种相对位姿进而得到了三种形式的运动协调。每一种运动协调都对应着机器人速度之间的关系。因此,就可以把李群上的运动协调问题转化为在向量空间上的一致性问题来解决。并可以通过在向量空间解决一致性问题的一般方法对协调控制律进行设计。进一步,对位形空间是SE(3)群的移动机器人团队的运动协调进行分析和研究。为此,基于转向控制,论文利用几何方法建立了一个三维空间运动的移动机器人恒速转向模型。然后,分别对两种通信情况设计了运动协调控制器。利用La Salle不变性定理可以证明:该运动协调控制系统是渐近稳定的。通过对三维空间中两个机器人的平行线运动、圆环运动和螺旋线运动的仿真表明,机器人团队的运动协调策略是有效的。最后,论文对位形空间是SE(2)群的移动机器人团队的运动协调控制进行分析和研究。利用几何方法基于转向和非转向控制,建立了两种实际的机器人模型。研究了左不变和双不变两种形式的运动协调,并分别对运动协调控制器进行了设计。在考虑有限通信情况的基础上对控制律进行了改进。通过对二维空间中,两个地面移动机器人的圆环运动和同心圆运动进行仿真,得到机器人最终达到运动协调的结果。
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