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【天富娱乐总代理】进行非完整轮式移动机器人编队跟踪控制的仿真实验

研究了多个不确定非完整轮式移动机器人的先导跟随编队控制问题。先导轨迹可以是任何足够平滑的信号,可以是可行的,也可以是不可行的。这包括但不限于一个不动点,一个修剪轨迹,和一个不满足非完整约束的机器人。为了补偿只有一部分跟随机器人与领导者相连的影响,研究人员开发了一个分布式观测器来估计领导者的位置和速度。利用先导的估计状态,将地层误差转化为具有外部振子状态的增广系统,引入一个附加的控制变量,克服了欠驱动带来的困难。在此基础上,提出了一种处理模型不确定性和稳定增广系统的自适应跟踪控制律,保证了编队误差全局一致收敛于原点附近的任意小球。仿真结果验证了所提出的控制设计方案。本文以“Adaptive practical leader‐following formation control of multiple nonholonomic wheeled mobile robots”为题于2020年9月发布在《International Journal of Robust and Nonlinear Control》杂志上。

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研究背景

近年来,多个的领先跟随编队控制问题由于其在智能存储、自主物流、智能交通等领域的潜在应用而得到了广泛的关注。根据前导轨迹是否满足持续激励条件,将先导跟随编队控制问题分为三类。编队跟踪和地层稳定。

对于非完整轮式移动机器人的编队跟踪控制,通常在前导轨迹上施加一些条件,在此条件下控制器的设计容易实现,但不适用于编队稳定的情况。

然而,在以前的工作中所报告的控制人员只适用于编队跟踪或稳定。事实上,能够同时实现地层跟踪和稳定的控制律有着广泛的应用。这不符合实际情况,比如停车问题,在这种情况下,领导者可能并不总是在移动,而是趋同于固定的姿势,或者只是站着不动。因此,在理论上更复杂、更具有挑战性的控制律的构建是非常值得的。

一些研究人员开始研究建立一个既能实现编队跟踪又能实现编队稳定的单一控制器。构造了一个特定的时变函数,为稳定任务提供一定的持续激励,使其不需要任何切换就能适应编队跟踪任务。基于串级控制律的文献报道建立了编队误差的一致全局渐近收敛性,无论领导者总是移动还是收敛到一定的常数值。因为实现控制引用中的法律,通过让领导者作为根节点来引导一个机器人相互跟踪,当交互网络更加普遍时,很难处理这种情况,例如,一个机器人可以有两个连接的邻居。在控制设计中,通过将相互作用坐标从身体中心移动到前面的一个称为“手位置”的点上,可以采用反馈线性化方法。虽然所得到的线性形式易于控制设计,但这些结果并不能控制机器人作为零动力学执行的方向,需要额外的努力来分析其稳定性。没有对领导者施加任何体育条件的情况下,文学作品遵循被称为横向函数参考法的框架,并实现了地层误差的全局终极有界性。

尽管如此,以前的研究只考虑领导者是可行的,并受与跟随机器人相同的非完整约束的情形。在可行的引导下,位置误差的导数可以部分重写为定位误差的函数。该技巧对函数的控制器设计和构造以及稳定性分析具有一定的指导意义。同时,当领导不可行时,定位误差不能重写为定位误差的函数,使这些工作的设计过程变得徒劳无益。更麻烦的问题是,对于非完整系统,研究人员不能渐近稳定不可行的参考信号。因此,需要新的技术来导出一个控制器,跟踪任何可行或不可行的平滑先导轨迹,同时保持所期望的编队形状。

实验设计与过程

受很多讨论的启发,这项工作计划设计一种分布式控制律,能够实现编队跟踪和稳定,并具有任何平滑的先导轨迹,无论是否可行。该方案包括分布式观测器、具有外部振子状态的增广系统和自适应跟踪控制律。通过对前导轨迹施加有界导数的唯一假设,利用跟随机器人间的相邻通信和领导者状态的局部可用性,构造了估计领导者姿态和速度的分布式观测器。利用前导的估计状态,将误差系统转化为具有外部振子状态的增广系统,为设计提供了一个新的变量。为了稳定增广系统和处理参数不确定性,研究人员提出了一种新的动态自适应控制律。李雅普诺夫意义上的理论分析证明了地层误差,包括位置和方位,是全局一致的,最终收敛于接近原点的任意小球。

该研究的主要贡献是设计了一种能够同时解决网络化系统的编队跟踪和稳定问题的领导者跟踪控制策略,而领导者轨迹可以是可行的,也可以是不可行的。据作者所知,任何其他已发表的著作都不能在与研究人员一样温和的前提下获得这样的结果。与一个不可行的领导者相比,允许与一个不可行的领导者形成的结果相比,有更广泛的应用前景。由于研究人员的控制设计和闭环稳定性都不像参考的那样依赖于任何条件。领导者可以移动,也可以站着不动。此外,该方案具有分布式的特点,可以直接增加跟随者以扩大网络系统的容量,而具有实时参数更新的控制律赋予了每个跟随机器人对模型不确定性的自适应能力。

集中的领导者跟踪控制方案通常假定领导者的状态为所有跟随机器人所知。为了保证分布式,观测器应该遵循交互拓扑,只能使用相邻的信息。

通过所提出的地层控制方案,研究人员证明了原地层误差是全局一致的,最终以预定的小数为界。然而,这种最终的有界性并不能保证原始地层误差可能收敛于某些常数。

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图一:非完整轮式移动机器人的概念表示

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图二:交互拓扑

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图三:具有可行的先导轨迹的编队

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图四:使用固定姿势的先导形成的形状

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图五:具有不可行的先导轨迹的编队

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图六:具有直线先导轨迹的编队

综上图像可以说明实验结论

结论

该研究给出了一种用于多个不确定情况同时跟踪和稳定的新的前导跟踪控制方案的设计和稳定性分析,无论其前导轨迹是可行的还是不可行的。证明了地层误差是全局稳定的。在此基础上,研究人员将考虑碰撞避免和处理调度等实际问题。

文章链接:http://211.70.148.4:8000/rwt/CNKI/https/N7YGZ4LPMWXGTZUTMF3HTLUYNFXGK8JPMNYXN/doi/10.1002/rnc.5165

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