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多移动机器人编队控制算法研究

李海婷  
【摘要】:多移动机器人广泛应用于协助军事行动、远地作业、自动化工厂及农业劳作等领域。随着移动机器人应用范围的不断扩展,对机器人协作的性能要求越来越高。由于多移动机器人在实际应用中极易受到外界环境的影响,导致控制精度低、自适应能力差、队形调整速度慢等问题。本文针对以上问题对多移动机器人的编队控制进行研究。首先,针对目前存在的目标点分配效率低、计算量大的问题,提出一种在静态障碍物环境中基于筛选的目标点分配算法,通过计算参与编队的每个机器人到各个目标点的路径集合,筛选形成多个目标点分配预测矩阵,根据当前筛选的预测矩阵建立机器人实时位置坐标方程组,并对方程组进行求解,通过判断方程组是否有解来确定当前目标点分配策略是否存在机器人之间的碰撞情况,直到得到路径综合最短且用时最少的目标点分配最优解,实验结果表明所提出的目标点分配算法不仅有效而且表现出高效性。然后,基于形成的期望队形研究队形保持策略,为了实现稳定的编队,设计了一种三闭环滑模编队控制算法,通过分别设计线速度控制律和角速度控制律形成三个闭环保持系统的稳定性,与其他滑模编队控制算法对比,所提出的控制算法不仅提高了自适应性、稳定性,还在控制精度方面有较大的改进。但在实验过程中产生了跟踪曲线不平滑的问题,针对该问题,在三闭环滑模编队控制算法的基础上引入模糊逻辑理论,提出一种基于模糊滑模控制理论的多移动机器人编队控制算法,通过设计模糊规则使切换增益平滑化,与其他模糊滑模编队控制法对比,实验结果表明所设计的控制器能够有效使跟踪轨迹平滑化,提高了控制系统的抗干扰能力。最后,为了进一步提高多机器人运动系统的控制精度,在模糊滑模控制理论基础上提出一种预设性编队控制算法。通过建立移动机器人运动-动力学模型,求解相对位姿误差微分方程,设计基于双曲正切障碍函数的预设性能函数的模糊滑模控制器,实现多机器人以任意队形高精度稳定的编队。MATLAB仿真对比实验结果表明,这种预设性模糊滑模控制算法不仅可以实现多个机器人以任意队形编队,而且保证了机器人编队的暂态和稳态性能。与现有控制法相比,该预设性编队控制算法具有更高的控制精度和稳定性。


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