论文部分内容阅读
多机器人系统是机器人学发展的一个新方向.一方面,由于某些任务的复杂性,单个机器人会因为自身有限的能力而无法完成全部的工作,在这种情况下,多个机器人可以通过相互之间的协调共同完成任务.另一方面,通过多机器人间的协调,可以提高机器人系统的作业效率.在多机器人系统的研究中,多移动机器人系统的协调控制始终是一个热点主题.在多移动机器人系统的协调控制领域,一致性问题是一个重要且根本的问题,它的应用范围包括编队控制、聚集问题、蜂拥问题等.本论文主要研究了移动机器人多智能体系统的一致性问题,首先考虑了移动机器人动态简化为一阶积分器和二阶积分器情况下的多智能体系统的一致性问题.然后考虑了基于非线性非完整模型的移动机器人的协调控制问题,从提高收敛性和抗扰动能力角度,对运动学和动力学模型两种情况,分别设计解决了有限时间控制问题.考虑到实际的许多移动机器人系统定位依赖摄像头视觉信息,而视觉伺服情况显然增加了控制设计的挑战性.本文最后在前述工作的基础上,分别考虑了单个带视觉伺服移动机器人的有限时间控制问题以及多个移动机器人情况下的协调控制问题.主要研究结果和贡献如下:
一、针对移动机器人的动态简化为一阶积分器情况下的多智能体系统,讨论了系统中带有输入和时变通讯时延的一致性问题和鲁棒一致性问题.首先,运用还原法将具有输入时延的多智能体系统转换成无时延的多智能体系统.然后,给出了保证所有智能体的状态渐近实现一致的充分条件.接着,研究了通讯拓扑中含有权值扰动的多智能体系统的鲁棒一致性,并给出了不依赖于输入时延的鲁棒一致性条件.
二、针对移动机器人动态简化为二阶积分器情况下的多智能体系统,讨论了系统中带有输入和时变通讯时延的一致性问题和鲁棒一致性问题.基于邻域法则,介绍了一种新型的非线性一致性协议来实现连续的二阶多智能体系统的局部控制策略.首先,基于模型变换,将具有输入时延的多智能体系统转换成了无输入时延的系统.其次,基于Lyapunov-Krasovskii函数,获得了保证所有智能体的状态渐进实现一致的一致性条件.此外,还讨论了在通讯网络中含有权值扰动的多智能体系统的鲁棒一致性,并给出了独立于输入时延的一致性条件.最后,把本节所提出的非线性一致性协议运用到了多个非完整移动机器人的编队控制中.
三、针对基于运动学模型的具有动态领导者的多个非完整移动机器人,讨论了机器人的有限时间编队控制问题,设计了分布式协调的有限时间观测器和分布式协调的有限时间控制器.期望的编队轨迹由一个虚拟的领导者表示,仅有部分跟随者能获得虚拟领导者的信息,且跟随者之间可以进行局部信息交换.首先,为每个跟随者设计了连续的分布式协调有限时间观测器,用来在有限时间内观测到领导者的信息.然后,为每个机器人设计了连续的分布式协调有限时间跟踪控制器,使得每个机器人有限时间内能达到期望值并保持期望的编队.
四、针对基于动力学模型的多个非完整移动机器人,从提高收敛性能力的角度方面设计了连续的分布式协调有限时间控制器.首先,将获得的每个机器人的跟踪误差动态系统转化为两个子系统,一个三阶子系统和一个二阶子系统.然后,对这两个子系统分别进行了讨论,并对每个机器人设计了连续的分布式协调有限时间跟踪控制器.在所设计的有限时间控制器作用下,可以证明每个移动机器人能在有限时间内跟踪上期望的轨迹.
五、针对基于运动学模型的单个非完整移动机器人,在摄像机系统中参数未知情况下,讨论了基于视觉伺服反馈的单个非完整移动机器人有限时间跟踪控制问题,设计了有限时间跟踪控制器.首先,利用针孔摄像机模型,介绍了摄像机目标的视觉运动学模型.其次,给出了摄像机目标的视觉模型与期望参考轨迹之间的跟踪误差系统.第三,根据得到的跟踪误差动态,利用有限时间控制方法,在视觉参数未知的情况下,设计了连续的有限时间跟踪控制器.
六、针对基于运动学模型的具有动态领导者的多个非完整移动机器人系统,在摄像机系统中参数未知情况下,基于视觉伺服反馈,设计了有限时间跟踪控制律.动态领导者代表了期望的参考轨迹.领导者的状态仅仅由部分跟随者获得且跟随者之间能进行局部的信息交换.首先,利用针孔摄像机模型,给出了每个机器人摄像机目标的视觉运动学模型.然后,在通讯拓扑是有向图的情况下,根据得到的跟踪误差动态,基于邻域法则,利用有限时间控制方法,在视觉参数未知的情况下,设计了连续的分布式协调有限时间跟踪控制器,最终使得所有机器人实现了有限时间跟踪控制.