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专利号: 2025107591087
申请人: 天津工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种非完整多机器人系统分布式防碰撞控制方法,其特征在于:包括如下步骤:S1:建立包含非完整机器人运动模型及两种区域模型的非完整多机器人系统分布式防碰撞问题模型;

S2:基于滤波位置将非完整机器人运动模型转换为单积分模型,并针对单积分模型设计线加速度控制器及角速度控制器引导所有机器人运动执行任务;

S3:基于滤波位置、两种区域模型计算非欧几里得距离与动态安全半径,设计机器人之间的防碰撞屏障函数;

S4:基于机器人之间的防碰撞屏障函数生成分布式速度指令,指导机器人在有界线速度、有界线加速度及有界角速度约束下高效避障。

2.根据权利要求1所述的一种非完整多机器人系统分布式防碰撞控制方法,其特征在于:步骤S1中采用如下方法建立非完整机器人运动模型:S11:建立每个机器人相对于全局参考系的独轮车模型为式(1):(1);

其中: 表示第 个机器人在 轴方向坐标的一阶导数, 表示第 个机器人的线速度,表示第 个机器人的方向角, 表示第 个机器人在 轴方向坐标的一阶导数, 表示第个机器人的线速度的一阶导数, 表示第 个机器人的线加速度指令, 表示第 个机器人的方向角的一阶导数, 表示第 个机器人的角速度指令;

S12:对独轮车模型引入状态与约束为式(2):

(2);

其中: 表示机器人的最大线速度, 表示机器人的最大线加速度, 表示机器人的最大角速度。

3.根据权利要求1所述的一种非完整多机器人系统分布式防碰撞控制方法,其特征在于:步骤S1中的两种区域模型包括安全区域模型及避障区域模型:所述安全区域模型为:第个机器人的安全区域为以机器人的实际位置为中心,以安全半径为半径的圆形区域,且安全半径大于机器人的物理半径,若任意两个机器人的安全区域不相交,则认为机器人间无碰撞发生;

所述避障区域模型为:第 个机器人的避障区域为以机器人的实际位置为中心,以避障半径为半径的圆形区域,且避障半径大于安全半径,若第 个机器人的避障区域与第 个机器人的安全区域无交叉,则两个机器人不采取避障策略。

4.根据权利要求1所述的一种非完整多机器人系统分布式防碰撞控制方法,其特征在于:步骤S2中采用如下方法基于滤波位置将非完整机器人运动模型转换为单积分模型:S21:根据式(3)确定机器人的滤波位置:

(3);

其中: 表示第 个机器人的滤波位置, 表示第 个机器人的实际位置, 表示机器人位置与滤波位置之间的固定距离,表示机器人的速度增益, 表示第 个机器人的线速度, 表示第 个机器人的单位方向向量;

S22:对式(3)进行微分得到式(4),并通过输出反馈线性化将非完整机器人运动模型转换为单积分模型为式(5):(4);

(5);

其中: 表示第 个机器人的滤波位置的一阶导数, 表示第 个机器人的线速度向量, 表示转换矩阵, 表示第 个机器人的线加速度指令, 表示第 个机器人的角速度指令, 表示矩阵转置, 表示第 个机器人的速度指令, 表示第 个机器人的方向角。

5.根据权利要求4所述的一种非完整多机器人系统分布式防碰撞控制方法,其特征在于:根据式(4)、式(5)得到单积分模型的线加速度控制器为式(6),单积分模型的角速度控制器为式(7):(6);

(7);

其中: 表示逆时针旋转矩阵。

6.根据权利要求4所述的一种非完整多机器人系统分布式防碰撞控制方法,其特征在于:步骤S3中采用如下方法基于滤波位置、两种区域模型计算非欧几里得距离与动态安全半径:S31:根据式(3)得到式(8),并根据式(9)计算第 个和第 个机器人之间的非欧几里得距离,并有式(10):(8);

(9);

(10);

其中: 表示第 个和第 个机器人之间的非欧几里得距离, 表示第 个机器人的滤波位置, 表示第 个机器人的单位方向向量, 表示第 个机器人的线速度, 表示第 个机器人的实际位置, 表示欧几里得范数;

S32:基于计算的第 个和第 个机器人之间的非欧几里得距离根据式(11)确定第 个机器人和第 个机器人的滤波位置之间的动态安全半径:(11);

其中: 表示第 个机器人和第 个机器人的滤波位置之间的动态安全半径, 表示单个机器人的安全区域半径。

7.根据权利要求6所述的一种非完整多机器人系统分布式防碰撞控制方法,其特征在于:步骤S3中设计的机器人之间的防碰撞屏障函数为式(12):(12);

其中: 表示机器人之间的防碰撞屏障函数, 表示避碰控制增益,表示平滑函数,  表示机器人的避障半径, 表示安全裕度, 表示光滑函数,表示平滑因子。

8.根据权利要求7所述的一种非完整多机器人系统分布式防碰撞控制方法,其特征在于:步骤S4中基于防碰撞屏障函数生成的分布式速度指令为式(13),合成速度指令为式(14):(13);

(14);

其中: 表示第 个机器人的期望速度, 表示期望速度标量, 表示目标线法向量方向, 表示第 个机器人与第 个机器人的防碰撞速度, 表示合成速度指令,表示向量饱和函数, 表示机器人最大线速度约束, 表示第 个机器人传感器探测范围内所有机器人的集合。

9.根据权利要求8所述的一种非完整多机器人系统分布式防碰撞控制方法,其特征在于:步骤S4中机器人的线速度约束为式(15),设定 , ,得到线加速度约束为式(16),角速度约束为式(17):

(15);

(16);

(17);

其中: 表示机器人的切换速度阈值, 表示机器人的最大线加速度, 表示机器人的最大角速度。

10.一种非完整多机器人系统分布式防碰撞控制系统,用于执行如权利要求1至9任意一项所述的一种非完整多机器人系统分布式防碰撞控制方法,其特征在于:包括模型设计模块、滤波位置设计模块、线加速度与角速度控制器设计模块、动态安全半径设计模块、防碰撞屏障函数设计模块、分布式速度指令设计模块及约束模块;

所述模型设计模块用于建立包含非完整机器人运动模型及两种区域模型的非完整多机器人系统分布式防碰撞问题模型;

所述滤波位置设计模块用于确定机器人的滤波位置,并基于滤波位置将非完整机器人运动模型转换为单积分模型;

所述线加速度与角速度控制器设计模块用于针对单积分模型设计线加速度控制器及角速度控制器,以引导所有机器人运动执行任务;

所述动态安全半径设计模块用于确定多机器人的滤波位置之间的动态安全半径;

所述防碰撞屏障函数设计模块用于设计机器人之间的防碰撞屏障函数;

所述分布式速度指令设计模块用于基于机器人之间的防碰撞屏障函数生成分布式速度指令,指导机器人在线速度、线加速度及角速度约束下高效避障;

所述约束模块用于对线速度、线加速度及角速度进行约束,使所有机器人都具有有界线速度、有界线加速度和有界角速度,确保机器人稳定地高效避障。