多移动机器人编队控制的研究

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近年来,随着计算机技术和无线通信技术的发展,多机器人协调合作已经成为可能,而且得到了越来越广泛的应用。多个机器人协调合作可以完成单一机器人难以完成的任务。其中编队问题是研究其他协调合作问题的基础,也是目前国内外研究的热门课题。所谓的编队控制是指多个机器人在到达目的地的过程中,保持某种队形,同时又要适应环境约束的控制技术。本文针对这个问题,分别研究了无障碍环境下和有障碍环境下多移动机器人编队控制问题,对编队控制系统建立系统模型、设计了控制器,并对系统的稳定性进行分析和仿真验证。主要工作如下:首先,研究了在无障碍环境下多移动机器人编队的问题。采用跟随者—领航者的方式控制队形,在笛卡儿坐标系中建立了运动学模型,从而成功避免了在极坐标中建立运动学模型存在固有奇异点的问题,运用输入/输出反馈线性化法设计了控制律,确保系统输出按指数规律跟踪期望输出。并对编队的稳定性进行了分析,得出了闭环控制律下稳定性结论,奠定了闭环控制律下Leader-follower稳定编队运动的理论基础。仿真结果验证了控制方法的有效性。其次,针对输入输出反馈线性化方法的不足以及在实际应用中不得不处理不确定性的问题,提出了滑模控制,设计了滑模面和控制律,并用李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的渐进稳定性。仿真结果证明:控制器能稳定整个编队,并对不确定性具有鲁棒性。最后,研究了在有障碍环境下多移动机器人编队的问题。提出分层控制思想,从而克服了集中控制和分散控制的缺点;提出虚拟机器人作为整个队伍的领队机器人,从而解决了系统对领队机器人的安全性要求过高的问题;提出整体队形反馈的思想解决了基于行为法中队形稳定性得不到保证的缺点,从而实现编队的平滑控制。理论证明和仿真结果同时表明系统的稳定性和鲁棒性有了明显的提高。
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