引用本文

 

寇立伟, 项基. 基于输出反馈线性化的多移动机器人目标包围控制. 自动化学报, 2022, 48(x): 1−7 doi: 10.16383/j.aas.c200335

Kou Li-Wei, Xiang Ji. Target fencing control of multiple mobile robots using output feedback linearization. Acta Automatica Sinica, 2022, 48(x): 1−7 doi: 10.16383/j.aas.c200335  

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c200335?viewType=HTML

文章简介

关键词

协同控制, 非完整约束, 分布式控制, 反馈线性化

摘   要

针对受非完整约束的多移动机器人系统的移动目标包围控制问题, 提出一种基于输出反馈线性化的局部协同控制方法. 利用机器人与邻居节点和目标的相对距离信息和角度信息以及机器人自身的方位角信息设计协同控制器. 该方法无需事先指定包围编队形状, 可实现对移动目标的速度估计, 且保证机器人之间的障碍规避. 严格的理论分析证明了移动目标指数收敛到多移动机器人系统所构成的凸包内部. 最后, 仿真结果验证了所提控制方法的有效性.

引   言

近年来, 多移动机器人的协同控制得到了越来越广泛的研究与应用. 和单一机器人相比, 多移动机器人能够执行更加复杂的任务, 同时对外部环境的变化有更强的鲁棒性. 典型的多移动机器人协同控制主要包括包络控制、主从编队控制、环形运动控制等. 本文主要研究非完整约束下的多移动机器人的包围控制问题, 旨在设计一种协同控制器, 不考虑具体的编队形状同时能够保证移动目标指数收敛到多移动机器人构成的凸包内部.

目前, 已有一些完整、系统的包围控制研究成果. 如文献[8]采用图论和动态系统理论研究了一阶积分型机器人的包围控制问题; 文献[9]利用复邻接矩阵方法设计了一种分布式包围控制器. 但是, 以上控制策略无法扩展到受非完整约束的多移动机器人系统. 非完整系统控制的难点在于, 不存在任何连续的静态状态反馈控制律使其稳定到平衡点. 然而, 文献[11]指出如果选择合适的坐标平移, 非完整系统能够满足输出反馈线性化条件, 使得控制器设计更加简洁. 该方法已经广泛应用在机器人、水面船等各类非完整系统的控制器设计中.

另一方面, 多移动机器人的包围控制问题可认为是环形运动控制的扩展. 环形运动控制在包围目标点的同时, 围绕目标点做等角度的圆周运动. 文献[14]考虑静止目标, 研究了在联合连通图条件下的环形运动控制. 文献[15]考虑了速度约束下的非完整移动机器人的环形运动控制. 在实际工程应用中, 感兴趣的目标点经常随着时间不断变化. 文献[16-17]研究了多小车对常速移动目标的环形运动; 文献[18]研究了目标速度时变情况下的环形包围控制.

然而, 以上文献都要求事先指定编队形状或是相邻机器人之间、机器人和目标点之间的相持距离/角度. 考虑实际复杂时变的外部环境, 不可能对其事先指定. 而且对于时效性较强的包围控制, 将目标包围在机器人构成的凸包内部是其首要任务, 基于以上考虑, 文献[19]提出了一种新的目标包围控制策略, 该策略能够使目标收敛到多智能体构成的凸包内部, 并且无需指定包围队形.

在文献[19]的基础上, 本文研究了受非完整约束的多移动机器人的移动目标包围控制问题. 通过坐标偏置, 为移动机器人设计输出反馈线性化控制器, 并引入障碍函数和自适应项实现障碍规避和对移动目标的速度估计. 和文献[19]相比, 本文一方面将单积分系统扩展到了受非完整约束的多移动 机器人系统, 另一方面将静止目标扩展到了未知常速移动的目标. 主要贡献: 1) 控制器可使多移动机器人包围移动目标, 使其指数收敛至移动机器人所构成的凸包内部; 2) 引入障碍函数保证了机器人之间的障碍规避; 3) 引入自适应项实现了对移动目标的速度估计; 4) 利用局部线性化方法研究了多移动机器人系统方位角动态的稳定性.

图 1  目标包围示意图

图 2  目标包围控制中多移动机器人的轨迹

作者简介

寇立伟

浙江大学电气工程学院博士研究生. 2015年获得华中科技大学学士学位. 主要研究方向为多智能体协同控制, 自主水下航行器控制.

E-mail: koukou@zju.edu.cn

项   基

浙江大学电气工程学院教授, 工业控制技术国家重点实验室成员. 2005年获得浙江大学博士学位. 主要研究方向为自主无人船与航行器, 分布式优化和电力系统柔性控制. 本文通信作者.

E-mail: jxiang@zju.edu.cn

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[1]  田磊, 董希旺, 赵启伦, 李清东, 吕金虎, 任章. 异构集群系统分布式自适应输出时变编队跟踪控制. 自动化学报, 2021, 47(10): 2386-2401. doi: 10.16383/j.aas.c200185

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[5]  关新平, 陈彩莲, 杨博, 华长春, 吕玲, 朱善迎. 工业网络系统的感知-传输-控制一体化:挑战和进展. 自动化学报, 2019, 45(1): 25-36. doi: 10.16383/j.aas.c180484

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[6]  郭海波, 李化义, 仲惟超, 张世杰, 曹喜滨. 切换有向拓扑中的网络化Euler-Lagrange系统自适应同步控制. 自动化学报, 2014, 40(11): 2541-2548. doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02541

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[7]  彭周华, 王丹, 王昊, 王巍. 单向通信拓扑领航者动态未知线性多智能体系统的协同迭代学习控制. 自动化学报, 2014, 40(11): 2595-2601. doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02595

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[8]  陈杰, 方浩, 辛斌, 邓方. 数字化陆用武器系统中的建模、优化与控制. 自动化学报, 2013, 39(7): 943-962. doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00943

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.3724/SP.J.1004.2013.00943?viewType=HTML

[9]  陈刚, 余名. 分布式无源性系统的同步控制与分析. 自动化学报, 2012, 38(5): 882-888. doi: 10.3724/SP.J.1004.2012.00882

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.3724/SP.J.1004.2012.00882?viewType=HTML

[10]  苑晶, 黄亚楼, 孙凤池. 多转向驱动拖挂式移动机器人镇定控制. 自动化学报, 2011, 37(4): 471-479. doi: 10.3724/SP.J.1004.2011.00471

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[11]  左斌, 李静, 胡云安. 基于反演设计的块控型极值搜索系统一体化控制方法研究. 自动化学报, 2011, 37(9): 1114-1129. doi: 10.3724/SP.J.1004.2011.01114

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[12]  黄煌, 伍清河, 李晖. 空间关联系统的分布式输出反馈控制器设计. 自动化学报, 2009, 35(8): 1128-1135. doi: 10.3724/SP.J.1004.2009.01128

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[13]  汤洪海, 李春文. 于非仿射非线性模型的AC/DC系统H∞鲁棒控制器设计. 自动化学报, 2007, 33(7): 709-713. doi: 10.1360/aas-007-0709

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.1360/aas-007-0709?viewType=HTML

[14]  宾洋, 李克强, 王建强, 连小珉. 低速行驶重型车辆的动力学系统建模与非线性控制. 自动化学报, 2007, 33(3): 265-272. doi: 10.1360/aas-007-0265

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.1360/aas-007-0265?viewType=HTML

[15]  黄琳. 力学与控制科学. 自动化学报, 2002, 28(增刊): 23-29.

http://www.aas.net.cn/cn/article/id/14382?viewType=HTML

[16]  王越超, 景兴建. 非完整约束轮式移动机器人人工场导向控制研究. 自动化学报, 2002, 28(5): 777-783.

http://www.aas.net.cn/cn/article/id/15618?viewType=HTML

[17]  高卫华, 谢剑英. 非线性系统的模糊反馈线性化控制及其稳定性分析. 自动化学报, 2000, 26(增刊B): 46-50.

http://www.aas.net.cn/cn/article/id/16583?viewType=HTML

[18]  周锐, 韩曾晋. 一类非线性系统的自适应控制方法. 自动化学报, 1999, 25(2): 152-161.

http://www.aas.net.cn/cn/article/id/16748?viewType=HTML

[19]  陈伯时, 徐荫定. 电流滞环控制PWM逆变器异步电动机的非线性解耦控制系统. 自动化学报, 1994, 20(1): 50-56.

http://www.aas.net.cn/cn/article/id/14147?viewType=HTML

[20]  梁锋. 大系统的分布式控制. 自动化学报, 1990, 16(6): 538-541.

http://www.aas.net.cn/cn/article/id/14745?viewType=HTML