基于领航跟随法的多AUV编队控制算法研究

针对已知路径下基于领航者的多自主水下机器人(AUV)编队队形控制问题,提出了一种AUV路径控制和编队协调控制相结合的新型编队控制器。其中,AUV的路径跟踪控制采用反步滑模控制器,将AUV位置、姿态和时变速度跟踪转化虚拟速度控制,使AUV能达到期望的位置、速度等,避免了反步控制中的奇异值问题,并能够很好实现不确定的模型的控制,同时又提高了跟随者协同定位精度;在路径跟踪控制基础上,编队协调控制器将领航者与跟随者的位置误差控制转化为跟随者的速度误差控制,使跟随者能快速达到期望位置,从而使所有AUV实现期望的队形并保持。仿真实验对该控制策略进行了可行性验证,结果表明,该算法提高了编队的响应速度、控制精度和稳定性;再应用3台AUV进行了湖上试验验证,证明了该控制策略的有效性,能有效应用到实际中。     

非完整约束大负重比六足机器人多机动态协同编队避障控制策略

在多机器人编队任务的现实环境中,不可避免会遇到队形变换的动态编队问题。为提高非结构环境多机器人编队的动态协同避障能力,以大负重比六足机器人的多机器人系统为例,利用非完整约束移动机器人轨迹跟踪的领航者-跟随者编队思想,提出多领航机器人分群一致性编队控制的动态队形变换避障策略。基于代数图论数学基础,设计大负重比六足机器人多机通信拓扑图与拓扑图分析矩阵,建立多领航者分群一致性编队系统的全局动态关系与一致性数学模型,提出多领航机器人分群一致性编队控制的动态队形变换避障策略,基于MATLAB软件实施仿真实验,仿真结果显示虚拟领航机器人发布控制指令使多机系统完成队形变换并顺利通过障碍物环境,验证多机动态协同编队避障控制策略的有效性和泛化能力。所提出的大负重比六足机器人多机动态协同编队避障控制策略,有助于提高非结构环境多机器人系统的地形通过能力。     

基于领航-跟随法的多机器人编队控制

编队控制是多机器人系统研究的核心问题之一,具有广泛的研究价值。针对编队问题,通过对轮式差分驱动机器人运动模型进行分析,并设计相应的控制器。在传统的领航-跟随模型上,引入“虚拟机器人”,将跟随者机器人对领航者机器人的轨迹跟踪转换为跟随者对“虚拟领航者”的轨迹跟踪。首先,预设定实际领航者机器人的行进路径,由实际领航者引导运动方向的运动轨迹被视为主轨迹,虚拟机器人通过数据产生参考点从而生成参考轨迹,跟随者机器人通过对参考轨迹的跟踪与“虚拟领航者”构成轨迹误差跟踪系统。然后通过Lyapunov的控制理论验证控制器的理论可行性,最后在MATLAB/Simulink仿真平台进行实验,通过改变控制参数来使机器人形成相应的期望队形,在较短的时间内,跟随机器人对参考轨迹的跟踪误差趋向于0且速度收敛,验证了编队系统的可行性。     

轮式移动焊接机器人输出反馈线性化控制

针对目前基于运动学模型的焊缝跟踪控制已经不能满足焊缝跟踪的高精度要求的问题,以一种后两轮差速驱动的5自由度轮式移动焊接机器人为对象,给出其动力学模型及其输出反馈线性化的过程,并提出一种基于此动力学的轮式移动焊接机器人路径跟踪控制方法。建立轮式移动机器人具有非完整力学系统形式的动力学模型,并推导出对应的状态反馈精确线性化模型。在此线性化模型基础上,考虑机器人动力学模型参数的不确定性,利用滑模变结构控制方法来设计动力学控制规律,选取线性切换函数和指数趋近律,设计滑模变结构控制器。并利用Lyapunov稳定性理论证明系统的稳定性且跟踪误差收敛,满足了移动机器人的轨迹跟踪要求,且具有设计方法简单、鲁棒性强的特点。通过仿真验证所提控制律的有效性和正确性。     

打滑状态下的多机器人编队控制

讨论打滑状态下的多机器人编队控制器设计问题。打滑现象会使机器人偏离正常的运动轨迹,导致基于理想环境设计的控制器控制效果变差,甚至发生机器人失控的现象。考虑打滑因素的控制算法能使机器人适应更一般的环境,增强机器人的实际可用性。采用领导者-跟随者策略来协调各机器人的运动。领导者机器人的运动规律根据任务需要事先设定,随后控制跟随者机器人以一定距离和角度跟随领导者机器人运动。根据机器人的运动特性导出单机器人在打滑情况下的运动规律,并据此导出两机器人以距离-角度模型形成编队的方程。采用二阶滑模控制法来为跟随者机器人设计控制器,使得两机器人在运动过程中能够形成期望的队形。以Matlab仿真来验证算法的有效性。理论推导及仿真结果说明,导出的编队模型能够准确描述机器人在有打滑情况时的运动规律,二阶滑模编队算法具有较好的抗干扰能力,适用性强。     

非时间参考的类车机器人定点跟踪控制

针对移动机器人控制研究中的小车速度与加速度饱和限制现象,提出了非时间参考的定点跟踪控制方法。选择随时间单调递增的非时间变量为转向控制律变量,摆脱了移动机器人速度与加速度对控制律的时域限制。在Simulink中建立控制逻辑并进行了单目标点与多目标点连续跟踪仿真。单目标点跟踪仿真结果表明,对于任意初始状态机器人,提出的定点跟踪控制方法均能使小车到达目标状态。多目标点连续跟踪结果表明,可将定点跟踪控制策略应用于类车机器人的路径跟踪控制。     

基于小波逼近的机械系统非完整运动规划数值方法

机械系统中的非完整约束通常是由不可积的速度约束或不可积的守恒律引起。由于非完整约束的存在,系统的运动控制和规划问题比一般的机械系统要困难得多。机械系统在动量和动量矩守恒且为零的情况下,系统动力学方程可降阶为非完整形式约束方程。基于这样的方程,将系统的控制问题转化为无漂移系统的非完整运动规划问题。针对带有非完整约束的机械系统,导出自由漂浮的空间机器人系统非完整运动模型。利用最优控制技术和小波分析方法,在控制输入中引入小波函数逼近,提出一种非完整机械系统运动规划数值方法。将该方法用于自由漂浮空间双臂机器人系统,仿真结果验证了方法的有效性。     

全自动泊车系统路径规划与非时间系滑模跟踪

为了提高全自动泊车系统的路径规划质量和跟踪精度,提出了微分平坦路径规划方法和非时间参考滑模的跟踪控制方法。分析了微分平坦系统原理,确定了车辆运动学模型的平坦输出,基于平坦输出量规划了泊车路径。分析了随时间单调递增的非时间参考量,建立了在非时间参考系下的路径跟踪误差模型;在非时间参考系下设计了滑模面和控制律,并证明了Lyapunov意义下的稳定性。经仿真验证可以看出,基于微分平坦原理可以规划出一条最优的泊车路径;同时使用PID控制器和非时间参考滑模控制器对泊车路径进行跟踪,PID控制器的最大纵向误差是滑模控制器的3.57倍,最大方位角误差是滑模控制器的1.67倍,证明了非时间滑模控制器对泊车路径具有更高的跟踪精度。     

多移动微小型机器人编队控制与协作避碰研究

针对多移动微小型机器人系统的协作避碰和队形保持,给出了一种分布式的编队控制方法。结合移动微小型机器人的运动控制模型,提出了一种路径规划方法,使其在运动中实时避免碰撞。在此基础上利用李雅普诺夫(Lyapunov)法设计了一种编队控制器。在有界误差范围内,该控制器能够保证多机器人的轨迹跟踪和协作避碰。通过将编队控制转化为跟踪整个队形质心的轨迹,降低了控制的复杂度,从而可以较好地应用到计算资源有限的多移动微小型机器人中。通过仿真、分析和对比,对以上控制方法的稳定性和可行性进行了验证,并进行了实际的编队和避碰控制实验。实验结果表明该方法可有效地应用于多移动微小型机器人的协作避碰和编队控制。     

轮式滑移转向机器人运动分析及轨迹跟踪控制

针对滑移转向机器人进行了运动学分析,建立了运动学模型。基于车辆地面力学理论,在假设机器人的质心与其几何中心重合的条件下,分析了机器人平稳转向时车轮与地面接触处的受力状态,建立了其力学平衡方程,分析了车轮转向时的驱动力矩和阻力矩。提出了一种轮式机器人轨迹跟踪滑模控制方法,采用将指数趋近律和幂次趋近律相结合的趋近律函数,基于反演技术(Back-stepping)设计了跟踪控制律;应用Lyapunov函数证明了系统的稳定性。最后将该方法用于仿真机器人的轨迹跟踪控制,仿真结果验证了所提方法的可行性和有效性。     

A switching formation strategy for obstacle avoidance of a multi-robot system based on robot priority model

This paper describes a switching formation strategy for multi-robots with velocity constraints to avoid and cross obstacles. In the strategy, a leader robot plans a safe path using the geometric obstacle avoidance control method (GOACM). By calculating new desired distances and bearing angles with the leader robot, the follower robots switch into a safe formation. With considering collision avoidance, a novel robot priority model, based on the desired distance and bearing angle between the leader and follower robots, is designed during the obstacle avoidance process. The adaptive tracking control algorithm guarantees that the trajectory and velocity tracking errors converge to zero. To demonstrate the validity of the proposed methods, simulation and experiment results present that multi-robots effectively form and switch formation avoiding obstacles without collisions.     

Decentralized control of mobile robots in formation

A control scheme for mobile robot formation in the leader following mode is proposed. It enables to track the target and is based on using a sliding mode along the desired trajectory in the state space. Results of modeling using MATLAB/SIMULINK environment are presented. They confirm efficiency of the proposed algorithm.     

Decentralized control of quadrotors in a leader–follower formation

A problem of control of quadrotors in a leader–follower formation is considered. A method is proposed, which allows control actions for the follower robot to be formed only on the basis of information about the follower motion parameters and the relative positions of the leader and follower.     

Sliding mode approach for formation control of multi-agent systems with unknown nonlinear interactions

This paper proposes nonlinear control approaches to solve a leader-follower formation of multi-agent system with unknown nonlinear interactions. Two distributed sliding mode control approaches are suggested here to track a leader in a desired formation with compensating unknown nonlinear terms. The nonlinear interaction terms can appear in multi-agent systems due to physical connections or cooperation between agents. Also the uncertainty in coefficient of control input is considered. Super twist algorithm is suggested for investigating this problem. Some Lyapunov functions are modified and employed to prove maintaining the formation of group, using the proposed sliding mode controllers. A simulation result for slung load transporting with quad-rotors is presented to demonstrate the capability of the proposed approaches.     

A force/position control for two-arm motion coordination and its stability robustness analysis

This paper presents a motion coordination of two robot manipulators coordinating an object. To coordinate the object, a force/position control scheme in a mode of leader/follower is devised. The dynamics of the object is incorporated into the dynamics of the leader arm, which yields a reduced order model of two arm system. In order to regulate interaction forces between two arms, the dynamics of the follower arm is expressed as force dynamic equations such that a novel direct force control scheme is devised. For the devised control scheme, a numerical simulation is shown. Under the coupling forces between two arms and two different type of bounded input disturbances, boundedness and asymptotic stability results based on a proposed Lyapunov function are shown. Also, a sufficient condition for a stability robustness is derived based on the Lyapunov approach.     

Vision-based formation control of aerial robots in the presence of sensor failure

This article presents vision-based formation flight control for aerial robots with a special focus on failure conditions in visual communication. Then, by proposing and combining two strategies, a new solution is presented for formation control. In vision-based formation flight, the state variables of the leader are estimated using image processing and unscented Kalman filter. The follower adjusts its position with respect to the leader based on the results of the estimation. In the case of visual communication failure an error will occur in the estimation of variables, which would increase with the decreased image quality. In the first proposed strategy, during the failure emergence, the position of the follower aerial robot is obtained by combining the unscented Kalman filter's estimated velocity vector and the velocity vector before failure. The weighting coefficient of each velocity vector is obtained by fuzzy logic and based on image quality. In the second strategy, to reduce the possibility of collision between the members, the geometry of the formation pattern is expanded as a function of image quality and the distance between the members. The expansion coefficient is also extracted by a fuzzy inference method, and the desired distance between the members is increased as a function of expansion coefficient. These two strategies are combined to be used during failure periods. Finally, simulation studies are presented which are conducted based on the system nonlinear equations, a model with 6 degrees of freedom for each member, and the proposed visual noise model. Obtained results reveal the proper capability of the proposed hybrid strategy in terms of controlling the formation flight during failure conditions.

     

机器人关节滑模变结构的位置控制

为了使机器人关节有良好的静态特性,并具有一定的抗干扰能力,提出了一种由力矩电机和谐波减速机组成的机器人关节,采用指数趋近律的滑模变结构和模糊自适应滑模控制对机器人关节进行了位置控制,通过对机器人单关节Simulink建模仿真比较,结果表明,模糊自适应滑模控制大大减轻了指数趋近律滑模控制的抖振问题,其稳态精度达到了9×10-5rad;且与PID控制相比较,其响应速度快;在受高斯扰动时,采用模糊自适应滑模控制的关节发生的角度偏差整整比PID控制小10倍。仿真结果表明,滑模控制在机器人关节控制中精度高,响应速度快,具有一定的鲁棒性能。     

并联机器人轨迹跟踪离散变结构鲁棒控制器设计

本文根据并联机器人支撑杆教学模型参数摄动较大和时变的特点,设计了一种用于并联机器人轨迹跟踪的离散滑模变结构鲁棒控制器,通过引入变速趋近律,控制系统响应速度快,对参数摄动和外界干扰具有较强的鲁棒性,仿真研究结果表明,本文的控制方案能实现较高精度的快速轨迹跟踪,同时可削弱或避免通常变结构控制中不可避免的抖振。