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扰动作用下的多移动机器人编队模型预测控制

信息与控制 2023年第2期52卷 166-175页

作者：李艳雷佳琦陕西科技大学电气与控制工程学院陕西西安710021

针对多移动机器人编队中的领航者和跟随者同时受系统内部未建模动态和风向、路面平整度等内外扰动影响而带来的无法保持编队队形的问题,提出了基于扩张状态观测器(ESO)的模型预测(MPC)编队控制方法。首先,建立带有扰动项的领航跟随编队... 详细信息

针对多移动机器人编队中的领航者和跟随者同时受系统内部未建模动态和风向、路面平整度等内外扰动影响而带来的无法保持编队队形的问题,提出了基于扩张状态观测器(ESO)的模型预测(MPC)编队控制方法。首先,建立带有扰动项的领航跟随编队模型,然后分别设计ESO对领航者和跟随者所受扰动进行估计,将该编队模型进行线性化离散化处理作为MPC编队控制器的预测模型,在预测输出方程中引入对扰动的估计结果,最后通过滚动优化求解最优控制律,实现对多移动机器人的鲁棒编队控制。仿真实验结果验证了所提出的控制方法的有效性。

关键词：机器人编队内外扰动模型预测控制扩张状态观测器

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打滑状态下的多移动机器人编队自适应控制

控制理论与应用 2020年第2期37卷 439-445页

作者：彭滔陆群苏春翌重庆理工大学两江人工智能学院重庆400054 盐城工学院电气工程学院江苏盐城224003 康考迪亚大学Gina Cody工程与计算机科学学院加拿大魁北克蒙特利尔H3G1M8

本文针对由领航跟随控制策略协调运动的多移动机器人编队,研究跟随机器人存在打滑状态的自适应控制器设计问题.首先,通过移动机器人打滑状态的运动学特性分析,建立“距离–角度”编队控制模型.然后,利用径向基函数神经网络(RBF NN)对系... 详细信息

本文针对由领航跟随控制策略协调运动的多移动机器人编队,研究跟随机器人存在打滑状态的自适应控制器设计问题.首先,通过移动机器人打滑状态的运动学特性分析,建立“距离–角度”编队控制模型.然后,利用径向基函数神经网络(RBF NN)对系统中由打滑引起的未知信息,构建非线性逼近器;并根据李雅普诺夫稳定性理论和非线性有界扰动稳定性理论,证明了设计的嵌入了RBF NN的自适应控制器能保证闭环控制系统状态的收敛和有界.通过分析编队误差控制模型,可将不打滑状态视为系统的一种特殊情况,而嵌入控制器中的RBF NN能自适应打滑和不打滑两种状态,从而使得控制器在两种状态下均有效.最后利用仿真研究,验证了本文所提方法的正确性和有效性.

关键词：机器人编队打滑未知信息自适应控制非线性参数逼近

基于领航-跟随模型的井下多移动机器人编队研究

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矿业研究与开发 2022年第2期42卷 179-182页

作者：张晓莉王张哲西安科技大学通信与信息工程学院陕西西安710054

多机器人协同编队作业是未来机器人技术发展的重要方向,相对于单个机器人来说,编队协同作业能够完成单一机器人无法完成的复杂任务。为了提高多移动机器人的编队控制效果以及执行效率,以一致性理论为基础,提出并设计了改进的领航-跟随... 详细信息

多机器人协同编队作业是未来机器人技术发展的重要方向,相对于单个机器人来说,编队协同作业能够完成单一机器人无法完成的复杂任务。为了提高多移动机器人的编队控制效果以及执行效率,以一致性理论为基础,提出并设计了改进的领航-跟随一阶一致性编队算法,运用MATLAB进行仿真,结果表明,该方法误差范围小,具有较高的实用性,成果可用于煤矿井下多巡检机器人编队。

关键词：一致性算法领航-跟随机器人编队煤矿

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水质监测机器人编队通信节点优化部署策略

火力与指挥控制 2020年第11期45卷 123-129页

作者：刘昊王鑫李静鲁旭涛中北大学信息与通信工程学院太原030051 西北机电工程研究所陕西咸阳712000 中北大学电气与控制工程学院太原030051

针对大面积水域内,多水质检测机器人编队通信网络节点优化部署问题,提出基于免疫遗传算法的解决策略。通过建立被监测水域的划分模型、机器人编队通信网络的全联通模型、通信网络节点部署及能耗模型,进而对模型进行免疫遗传优化求解,以... 详细信息

针对大面积水域内,多水质检测机器人编队通信网络节点优化部署问题,提出基于免疫遗传算法的解决策略。通过建立被监测水域的划分模型、机器人编队通信网络的全联通模型、通信网络节点部署及能耗模型,进而对模型进行免疫遗传优化求解,以获得节点的部署位置。仿真结果表明,上述方法在保证水质监测机器人编队通信网络全联通的前提下,完成了所指定的水域内的网络节点的优化部署,降低了通信网络的能耗,具有实际的应用价值。

关键词：机器人编队通信网络节点部署免疫遗传算法水质监测机器人

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雾计算使能的移动机器人编队跟随研究与设计

中国科学院大学学报（中英文） 2021年第4期38卷 557-566页

作者：沈国锋周明拓李剑王华俊李凯杨旸中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050 中国科学院大学北京100049 上海科技大学上海201210

多机器人系统中的跟随控制一直是研究热点,新兴的雾/边缘计算技术为机器人系统设计提供了新思路。本文提出无需全局定位信息的机器人编队控制方案,在系统实现上引入雾计算技术,卸载机器人计算任务。雾计算节点提供无线网络接入,运行跟... 详细信息

多机器人系统中的跟随控制一直是研究热点,新兴的雾/边缘计算技术为机器人系统设计提供了新思路。本文提出无需全局定位信息的机器人编队控制方案,在系统实现上引入雾计算技术,卸载机器人计算任务。雾计算节点提供无线网络接入,运行跟随控制程序。跟随控制方案中,利用领航者航速信息计算期望跟随轨迹;通过视觉测量方法得到实时跟踪误差;采用航速重放和PD型迭代学习控制相结合的方法实现轨迹跟踪控制。原型实验表明,雾节点提供的网络可以满足实时控制需求,跟随控制程序的卸载降低了机器人本地算力要求,并节约了25%的计算能耗。3次场试中,编队平均跟踪误差在0.05 m以内,具有较好的精度。

关键词：雾计算机器人编队容器化视觉测量

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打滑状态下的多机器人编队控制

机械工程学报 2012年第23期48卷 30-35页

作者：申动斌孙伟杰华南理工大学自动化科学与工程学院广州510640

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... 详细信息

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。

关键词：机器人编队打滑二阶滑模控制领导者-跟随者

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基于多传感器的机器人编队与跟踪控制

基于多传感器的机器人编队与跟踪控制

作者：于洋大连理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着机器人技术的不断发展,多机器人协同合作的研究进入新的阶段,而且得到了越来越多的应用。多机器人进行协同工作可以完成单一机器人难以完成的任务,其中多机器人编队问题是多机器人协同合作中的一个典型性的问题。本文基于多... 详细信息

近年来,随着机器人技术的不断发展,多机器人协同合作的研究进入新的阶段,而且得到了越来越多的应用。多机器人进行协同工作可以完成单一机器人难以完成的任务,其中多机器人编队问题是多机器人协同合作中的一个典型性的问题。本文基于多传感器的综合应用,研究了在“领航者-跟随者”模式下的不同编队队形的构成,不同编队队形间的变换,以及编队通过拐角的处理。本文的主要研究内容可分为以下几个部分:首先,基于二维激光雷达,提出一种多目标点顺序导航的方法。领航者机器人利用搭载的二维激光雷达构建高精度的实验场景地图,设计多机器人编队的行进路径,在行进路径上标记一系列的目标点,使领航者机器人实现多目标点顺序导航,进而为整个多机器人编队提供行进路径。其次,基于双目视觉相机,提出一种目标识别与定位的方法。跟随者机器人利用搭载的双目视觉相机利用图像处理技术识别并定位目标机器人,通过设定两者间的相对位置关系,进而构成不同的编队队形。然后,基于无线通讯模块,提出一种多机器人间的通讯策略。领航者机器人在相应的位置处,向跟随者机器人发送编队保持与队形变换的控制指令。最后,通过搭建实验平台实现不同队形间的变换、在以不同的队形通过拐角时采用相应的策略使机器人编队顺利通过拐角处。通过实验验证了四个关键技术的可行性,分别为一字形队形向三角形队形变换,三角形队形向一字形队形变换,一字形队形通过拐角,三角形队形通过拐角。

关键词：机器人编队跟踪控制多点顺序导航计算机视觉

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基于滑模消抖算法的机器人编队研究

基于滑模消抖算法的机器人编队研究

作者：田建超华南理工大学

学位级别：硕士

机器人编队协同运动适用于单个机器人无法解决的问题以及一些较为复杂的工作环境,具有高效性、灵活性、低成本性。因此,机器人编队控制作为人工智能控制领域的一个重要方向,越来越受到学者的广泛关注。机器人编队模型是一种典型的非线... 详细信息

机器人编队协同运动适用于单个机器人无法解决的问题以及一些较为复杂的工作环境,具有高效性、灵活性、低成本性。因此,机器人编队控制作为人工智能控制领域的一个重要方向,越来越受到学者的广泛关注。机器人编队模型是一种典型的非线性系统,而滑模变结构控制是一种有效的非线性控制技术,其对外部噪声干扰以及参数的变化具有良好的鲁棒性。然而,由于滑模控制需要系统状态轨迹在滑模面附近进行高频切换,这必然会给系统带来抖振问题。本文的机器人编队基于领航者-跟随者模型,利用Pioneer3-AT移动机器人作为领航者,Amigo Bot-sh移动机器人作为跟随者,组成一个多机器人编队系统。对编队系统建立数学模型,并且将带有消抖的滑模控制算法应用到该编队系统中,然后从数学上对系统稳定性进行分析,并且在MATLAB和Mobilesim仿真软件上验证了其合理性,最后在Pioneer3-AT移动机器人和AmigoBot-sh移动机器人上进行了实验。本文主要工作如下:首先,本文在笛卡尔坐标系中建立了基于领航者-跟随者的机器人编队模型,避免了在极坐标中建立模型存在的奇异点问题。为了削弱滑模控制带来的抖振,本文针对建立的机器人编队模型提出了带增益调度和改进边界层的滑模控制方法。该方法在不存在外部扰动或者外部扰动幅值非常小的情况下,可以使控制输入连续化,从而削弱了系统的抖振,并且不影响系统的鲁棒性。Mobilesim仿真和实验验证了控制方法的有效性。其次,针对系统存在不确定扰动的情况,如果直接对滑模控制中的符号函数连续化,则会影响系统的鲁棒性。于是,本文假设外部不确定扰动是有界的且变化的非常慢,提出了带滑模干扰观测器的滑模自适应控制算法,通过滑模干扰观测器的输出来补偿系统中的不确定扰动,这样即使使用饱和连续函数代替滑模控制中的符号函数,系统的鲁棒性依然能够得到保证,从而能够在抑制系统抖振的同时不影响其他控制性能。MATLAB仿真验证了控制算法的有效性。最后,本文提出了边界层自适应的终端滑模控制方法,该方法在抑制系统抖振的同时,不需要假设外界不确定扰动的变化速度较慢,使得算法适用性更广。边界层自适应的方法可以根据系统状态自动调整边界层的宽度,在削弱系统抖振的同时还能保证系统的快速性。同时引入终端滑模控制方法,加快了系统的跟踪速度,弥补了普通滑模控制算法跟踪角速度变化时的滞后现象。MATLAB仿真和Mobilesim仿真验证了控制方法的有效性。

关键词：机器人编队滑模控制消抖滑模干扰观测器边界层自适应

基于Kinect手势识别与机器人编队的人机交互系统的研究

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基于Kinect手势识别与机器人编队的人机交互系统的研究

作者：曾军东北大学

学位级别：硕士

随着人机交互技术的不断发展,人与机器人之间的交流也变得更加普遍。为了取代复杂繁琐的操作程序,一种更直观的的人机交互方式成为了人们的迫切需要。因此基于视觉识别的人机交互手段得到了人们的广泛关注。以人类为识别对象的视觉识别... 详细信息

随着人机交互技术的不断发展,人与机器人之间的交流也变得更加普遍。为了取代复杂繁琐的操作程序,一种更直观的的人机交互方式成为了人们的迫切需要。因此基于视觉识别的人机交互手段得到了人们的广泛关注。以人类为识别对象的视觉识别可以分为人脸识别和手势识别。对于机器人控制而言,手势控制相比于表情控制更具有实际意义。因此,本文研究的是基于手势识别的机器人编队控制系统。研究内容分为两个方面,一方面基于手势识别技术建立人机交互平台,另一方面提出了群机器人编队的控制方法。对于手势识别部分,本文选取了当前最为流行的Kinect摄像头作为图像采集设备。与普通摄像头相比,Kinect摄像头能够为用户提供深度数据和骨骼信息。并且微软还提供了专门的SDK开发工具包。针对Kinect摄像头的特点,本文提出了一种基于深度信息的手势识别方法。静态手势的识别可以分为四个步骤,依次是获得人体骨骼模型,静态手势分割,手势轮廓提取和指尖检测。首先获得人体骨骼模型,然后对手势分割的流程进行了详细介绍,提出了基于肤色检测并结合图像深度信息的手势分割方法。其次详细描述了 Moore-Neighbor算法提取轮廓的过程。接着提出了将凸包检测、层次聚类、K曲率算法相结合的指尖检测算法。最后通过实验验证了识别算法的准确性。对于多机器人编队部分,本文选取了应用较为广泛的TurtleBot机器人作为研究对象。首先分析了多机器人系统的特点,然后分析了机器人编队中可能遇到的问题,然后对机器人的定位问题做了分析,并提出了一种基于USB摄像头的视觉定位方法,定位准确可靠。最后对机器人的编队方法进行了分析,并设计了机器人的行为方式以及避障方法。在文章的最后部分,搭建了基于手势识别和机器人编队的人机交互系统。用户可以通过切换不同的手势来控制群机器人的运动状态和队形。通过多次实验证明了本文所设计的人机交互系统的准确性和实用性。本文提出的人机交互系统具有较强的实用性,能够较好地解决人机交互过程中出现的问题。文中提出的手势识别方法准确有效,具有很好的应用前景。在机器人编队中加入手势干预,能更好的提高机器人的工作效率。本文提出的人机交互系统在服务机器人领域具有很好应用价值。

关键词：人机交互手势识别机器人编队 Kinect TurtleBot