轨迹跟踪级联机器人编队控制方法资源-CSDN文库

5 浏览量 2021-01-13 03:50:54 上传评论收藏 851KB PDF 举报

资源推荐

资源详情

资源评论

第 31 卷第 2 期

Vol. 31 No. 2

控制与决策

Control and Decision

2016 年 2 月

Feb. 2016

轨迹跟踪级联机器人编队控制方法

文章编号: 1001-0920 (2016) 02-0317-07 DOI: 10.13195/j.kzyjc.2014.1676

韩青, 孙树栋, 智睿瑞

(西北工业大学 a. 机电学院，b. 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，西安 710072)

摘要: 提出一种轨迹跟踪级联机器人编队控制方法. 该方法有效结合距离-角度 (𝑙-𝜑) 控制和距离-距离 (𝑙-𝑙) 控制方

案, 并利用无迹卡尔曼滤波算法对 Leader-Follower 级联机器人系统的状态进行估计; 根据状态估计结果设计输入-输

出动态反馈控制规律, 使得跟随机器人 (Follower) 准确跟踪领航机器人 (Leader), 确保编队的稳定性和较快的收敛性,

并达到理想的编队控制效果. 仿真实验验证了所提出方法的可行性.

关键词: 移动机器人；编队控制；无迹卡尔曼滤波；输入-输出动态反馈

中图分类号: TP24 文献标志码: A

Trajectory tracking cascade robot formation control

HAN Qing, SUN Shu-dong, ZHI Rui-rui

(a. School of Mechanical Engineering，b. Key Lab of Contemporary Design and Integrated Manufacturing Technology of

Ministry of Education，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China．Correspondent：HAN Qing,

E-mail：hanqing@mail.nwpu.edu.cn)

Abstract：：：A trajectory tracking cascade formation control method for robots is proposed. The method effectively combines

distance-angle(𝑙-𝜑) control and distance-distance(𝑙-𝑙) control scheme, and the unscented Kalman ﬁlter(UKF) is employed

to estimate the state of Leader-Follower’ robots at all levels. The results are used for Follower-robot’s movement control

via the input-output dynamic feedback control law which can make the Follower-robot accurately track the Leader-robot, so

that stability and fast convergence of the robot formation are ensured and the desired formation of the robots is achieved.

Simulation results show the feasibility of the proposed approach.

Keywords：：：mobile robot；formation control；UKF；input-output dynamic feedback

0 引引引言言言

多机器人系统具有广泛的应用前景, 是近年来机

器人研究的热点. 多机器人编队控制是一个典型的多

机器人协调控制问题, 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

[1-4]

. 但是, 多机器人编队控制是多机器人研究的

一个难点, 尤其是多机器人级联编队控制具有很强的

挑战性.

目前, 多机器人编队控制算法主要包括虚拟结构

(Virtual Structure) 法

[5-6]

、基于行为 (Behavior-based)的

方法

[7]

、领航-跟随 (Leader-Follower) 法

[8-14]

等. 文献

[8] 提出了车式移动机器人动态编队控制方法; 文献

[9] 提出了一种具有鲁棒性的领航-跟随机器人编队

控制方法; 文献 [10] 提出了适用于 2 个机器人距离-方

位-方向控制方法和适用于 3 个机器人的距离-距离-

方向控制方法来解决编队控制问题; 文献 [11] 分析了

不确定环境下多机器人的动态编队控制方法; 文献

[12] 针对车式移动机器人的运动学模型特点, 提出

了一种基于轨迹跟踪多机器人编队的控制方法; 文

献 [13] 针对车式移动机器人轨迹跟踪这一典型任务,

提出了一种滑模轨迹跟踪控制方法; 文献 [14] 利用

正则坐标变换, 将误差系统转换为一个非线性串联

系统, 然后利用反步法设计车式移动机器人轨迹追

踪控制器, 实现了对给定目标的全局渐近追踪; 文

献 [15] 研究了通过拉格朗日动力学建模的多机器人

系统编队控制和轨迹跟踪. 上述研究大多集中于对一

个领航机器人 (Leader) 和一个 (或多个) 跟随机器人

(Follower) 单级编队进行研究, 而对于每级都有一个

(或多个) 领航机器人 (Leader) 和一个 (或多个) 跟随机

器人 (Follower) 的级联编队的研究则较少.

收稿日期: 2014-11-04；修回日期: 2015-03-31.

基金项目: 国家自然科学基金项目(51475383, 51075337).

作者简介: 韩青(1973−), 男, 博士生, 从事智能机器人、多机器人协调控制、机电一体化与机电控制技术的研究；孙树

栋(1963−), 男, 教授, 博士生导师, 从事先进制造系统及生产调度、机器人控制等研究.

318

控制与决策

第 31 卷

本文提出一种有效结合距离-角度 (𝑙-𝜑) 控制和

距离-距离 (𝑙-𝑙) 控制方案的级联编队控制方法. 距离-

角度 (𝑙-𝜑) 控制对机器人数量和编队形状没有特殊要

求; 距离-距离 (𝑙-𝑙) 控制对噪声影响具有更好的鲁棒

性且可以实现跟随机器人避碰. 该方法利用 UKF 滤

波算法对 Leader-Follower 级联机器人系统状态进行

估计, 利用输入-输出动态反馈来稳定编队, 以实现各

级跟随机器人对其领航机器人的轨迹跟踪, 确保编队

的稳定性和较快的收敛性, 达到理想的编队控制效果.

1 Leader-Follower 级级级联联联编编编队队队控控控制制制及及及 UKF

算算算法法法

1.1 单单单个个个移移移动动动机机机器器器人人人运运运动动动模模模型型型

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, 其运动模型为







˙𝑥

˙𝑦

𝜃













cos 𝜃

sin 𝜃







𝜈 +













𝜔, (1)

约束条件为

[ sin 𝜃 − cos 𝜃 0 ]







˙𝑥

˙𝑦

𝜃







= 0. (2)

其中: (𝑥, 𝑦) 是机器人在世界坐标系中的位置坐标,

𝜃 是机器人的方向角.

1.2 Leader-Follower 级级级联联联机机机器器器人人人编编编队队队运运运动动动模模模型型型

设 𝑅

是 𝑅

的 Leader; 𝑅

、𝑅

是 𝑅

的 Leader; 𝑙、𝐿

分别是 Follower 上标记 M 与 Leader 中心和 Follower

中心之间的距离, 为了避免各级 Leader 和 Follower 之

间的碰撞, 𝑙 >𝐿; 𝜑 是从 Leader 的 𝑦 轴到 Follower 上标

记 M 的观测角. 𝑅

的坐标位置向量是 [ 𝑥

𝑦

𝜃

]

𝑅

的坐标位置向量是 [ 𝑥

𝑦

𝜃

]

, 𝑅

的坐标位置

向量是 [ 𝑥

𝑦

𝜃

]

; 𝑅

、𝑅

的线速度和角速度

分别是 [ 𝜈

𝜔

]

、[ 𝜈

𝜔

]

、[ 𝜈

𝜔

]

; 输入向量 𝑼

≜ [𝜈

𝜔

𝜈

𝜔

𝜈

𝜔

]

. 级联 Leader-Follower 坐

标关系如图 1 所示.

(x ,y ,

1 1

)

(v ,

3 3

ω )

(v ,

2 2

ω )

(v ,

1 1

ω )

图 1 Leader-Follower 坐标关系

Leader-Follower 的方向角差值

𝛼

𝑖𝑗

= 𝜃

𝑖

− 𝜃

𝑗

; (3)

Leader 观测 Follower 的观测角

𝜑

𝑖𝑗

π − arctan 2(𝑦

𝑖

− 𝑦

𝑗

− 𝐿 sin 𝜃

𝑗

, 𝑥

𝑖

−

𝑥

𝑗

− 𝐿 cos 𝜃

𝑗

) − 𝜃

𝑖

; (4)

Leader 与 Follower 之间的距离

𝑙

𝑖𝑗



(𝑥

𝑖

− 𝑥

𝑗

− 𝐿 cos 𝜃

𝑗

)

+ (𝑦

𝑖

− 𝑦

𝑗

− 𝐿 sin 𝜃

𝑗

)

. (5)

𝛾

𝑖𝑗

定义为

𝛾

≜ 𝜑

+ 𝛼

𝛾

≜ 𝜑

+ 𝛼

𝛾

≜ 𝜑

+ 𝛼

. (6)

对式 (3) ∼ (5) 分别求导, 并结合所定义的角度之

间的关系, 得到 3 个机器人级联编队完整运动模型如

下:

𝒔 =







𝑙

˙𝜑

˙𝛼

𝑙

˙𝛼







= 𝐹 (𝑠)𝑼 =







cos 𝛾

𝐿 sin 𝛾

− sin 𝛾

𝑙

𝐿 cos 𝛾

𝑙

0 −1 0

0 0 cos 𝛾

− cos 𝜑

0 cos 𝛾

0 0 0

0 −1 0

→

←

0 − cos 𝜑

sin 𝜑

𝑙

−1

0 0 1

𝐿 sin 𝛾

− cos 𝜑

𝐿 sin 𝛾

0 0

−1 0 1

1 0 0













𝜈

𝜔

𝜈

𝜔

𝜈

𝜔







. (7)

简化运动模型为

𝒔

𝑟







𝑙

˙𝜑

𝑙







= 𝐹 (𝑠)𝑼 =

剩余6页未读，继续阅读

评论收藏

内容反馈

weixin_38733333

粉丝: 4
资源: 922

轨迹跟踪级联机器人编队控制方法

多关节机械臂轨迹规划和轨迹跟踪控制研究

编队控制matlab实现.rar

基于轨迹跟踪车式移动机器人编队控制

多智能体编队控制轨迹跟踪

一种新型的移动机器人轨迹跟踪控制方法

工业机器人轨迹跟踪控制方法.pdf

基于模型预测控制的轮式机器人轨迹跟踪与编队_陈瑶.caj

多机器人主—从行星式编队控制

具有定向通信拓扑的二阶非线性智能体的协调轨道跟踪控制

机器人小车的轨迹控制方法设计.doc

机器人滑模轨迹跟踪控制研究.pdf

无人机编队一致性轨迹跟踪控制_史洋.caj

机械臂轨迹跟踪控制方法研究.pdf

机器人轨迹跟踪的变增益迭代学习控制。

Leader-Followers多机器人编队控制方法.pdf

一种机器人轨迹的鲁棒跟踪控制 (2007年)

轮式机器人滑模轨迹跟踪控制.zip

杂乱环境中的分布式多机器人编队和跟踪控制

1 多水下机器人编队控制方法研究_范士波.caj

移动机器人滑模轨迹控制.rar_MATLAB轨迹跟踪_机器人 轨迹_机器轨迹跟踪_滑模跟踪控制_移动机器人滑模轨迹跟踪控制

机器人编队协同控制方法综述.pdf

双轮机器人轨迹跟踪控制.zip_轨迹跟踪控制

Qt 5实现串口调试助手 （源工程文件、0积分下载）

【SystemVerilog】路科验证V2学习笔记（全600页）.pdf

AutoSAR标准协议4.2.2

光伏-储能并网系统仿真.rar

XCP协议的规范文档

最新资源

移动机器人滑模轨迹控制.rar_MATLAB轨迹跟踪_机器人轨迹_机器轨迹跟踪_滑模跟踪控制_移动机器人滑模轨迹跟踪控制

Qt 5实现串口调试助手（源工程文件、0积分下载）