多机器人编队控制

李
莎（９ ３一） 女 ， １８ ， 湖南娄 底人 ， 讲师 ， 博士生 ， 研究方向为电子信 息、 控制 。
ｌ 引言
调整 ， 例如改变行为算法 的参数、 改变行为综合参数。 行为综合层对各个激活的行为模块 的输出进行加权平 均， 做出综合决策 ， 向驱动机构输出转动角度和速度命
在人类的工作、 生活环境中， 存在着许多极限的情 况， 限制着人类的活动。例如 ： 震后搜索与营救、 军事
收稿 日期 ：０ ０一 ７一 １ ２ ｌ ｏ Ｏ
当前任务、 状态、 环境等要求对机器人 的行为模块进行
・
９ ・ ２
向 目标 移动 行 为模 块控 制 的 目的是 机器人 与 目标
之间的相对距离 ｚ 和方向 为零。
图 ２ 基 于 闭环 控 制 率 的机 器人 运 动 控 制 原理 图
（） ９
（０ １） （ １ １）
ｃｓ ０
一
由８ ｌ 式得到向 目 一１ 标移动行为模块的输 出
１ｉ ｐ＋ ｎｔ ｓ
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卢 （ 一 ｃｓ ） ｄ ２ｎ， １１ ｄｏ￣ ＋ ￣ ｓ ７ ｏ ｉ — — — ｒ一
（ 湖北第二师范学院 机械与电气工程 系 武汉 ４００ ； １ ３２５２武汉大学 动力与机械 学院， 武汉 ４０７ ） ３０４
摘 要： 鳊队控制是 多机器人协调控制 系统设计中的典型 问题 ， 本文 阐述 了一种基 于行 为的混合分层体 系结构， 系统 该
以基于反应式结构的三种基本行为为基础 ， 运用加权平均的行 为选择机制进行控 制。经过仿真 实验证明 ， 算法能实现 该
排雷、 追踪等。如果在这些场所使用多机器人替代人 令 。 类完成危险的、 复杂的任务 ， 能有效 的减少人员伤亡 ，
提高效率。要发挥多机器人系统 的能力和潜力 ， 必须
有机的组织多机器人群体 ， 处理好多机器人之间的协 调控制问题 。其中具有典型性和通用性的一个多机器 人协调的基础问题是多机器人的编队控制。多机器人
系结构 ， 如图 １ 所示 。该结构分为行为管理层、 行为模
块层、 行为综合层 。行为模块层 由保持队形、 标移 向目
动、 避障 ３ 个行为模块构成。行为模块是根据收到的 信息作出某种行为决策。行为管理层可根据机器人的
系统中，— ｚ 控制的 目的就是跟随机器人 １ 保持同参 考机器人 ２ 之间的相对距离 ｚ 和相对角度 ， 只要这 ２
为了计算方便 ， 采用 ｄ ＝ ２ ｄ ｌ ｄ＝ 。
ｙ
图４
向 目标 移 动
机器人 的运 动方 程是
ｉ ＝
．
Ｉｉ ｐ 一 ｃ ｓ ｓｎｃ Ｉ０
Ｉｏ ｃ８
（） ８
口ｓｎ ｌｉ ￣
—广 － ）＋ Ｔ— ｐ ０ — ｐ ｔ
控制率为 ：
ｉ ｔｌ ＝－ ３ １
＝ 一
多机器人在有障碍物情况下 自动避 障， 并在远 离障碍物 时 自 动恢复 队形 ， 到了良好 的编 队控制效果。 达
关键词： 多机 器人鳊Ｆ 基 于行 为； 系结构 Ａ； 体 中图分类号 ：Ｐ ４ 。２ Ｉ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：６４３４ ２ １ ） －０２０ １７ － Ｘ（ ０ ８０ ９ －３ ４ ０
引入多机器人编队控制方法中。编队行为被分解为以 下三个子行为 ： 向目标点运动 ， 保持队形和避障。而对
图 １ 机 器人 体 系 结构 图
３ 行为模块层
行为模块层 中的各个行为模块根据收到的信息作 出某种行 为决策 。下 面分别 叙述 三个 基本 行 为模
，
。
． Ｚ 控制下的保持队形行为模块 于各子行为的处理方式采用加权平均的行为选择机制 ３ １ 一 多机器人编队控制采用基于闭环控制律的算法， 法。通过实验证明， 该方法能有效实现编队运行任务，
２ １ ８月 ０ ０年 第 ２ 卷第 ８ ７ 期
湖北第二师范学院学报
Ｊｕｎ ｌｏ ｂ ｉＵ ｉｅｓｔ ｆＥ ｕ ａｉｎ ｏ ｒ ａ ｆＨｕ ｅ ｎｖｒｉ ｏ ｄ ｃｔ ｙ ｏ
Ａ ｇ２ １ ｕ ．００ Ｖ０ ． ７ Ｎｏ ８ １２ ．
多机器人编队控制
谭永 丽 ， 方彦军 李 莎 ，
并能灵活地避开障碍物到达指定地点［ 。 ２ 】 ２ 多机器人群体的体系结构
其控制 目的为： 在机器人编队运行时 ， 控制机器人之间
的相对距离 ｚ 和相对角度 ， 使之收敛并保持为设定 所示Hale Waihona Puke Baidu。 多机器人的体系结构采用基于行为的混合分层体 值 和 。如图 ２
算法描述对应 图 ３ 在给定 的 ２个机器人组成的 ，
作者简 介： 永丽（９ ３一） 女 ， 谭 １７ ， 湖北武汉人 ， 讲师 ， 博士生 ， 研究方向为多机器人 系统的协作及其智能控 制。
方彦军（９７ ） 男， １５ 一 ， 福建福州人 ， 授 ， 教 博士研究生导师， 士 ， 究方向为计算机控 帝技术 、 博 研 】 多机器人 系统、
现 场总线控制技术、 检测技术与仪表。
编队控制 ， 是指多个机器人在到达 目的地的过程中， 保
持某种队形， 同时又要适应环境约束 （ 例如存在障碍 物或者空间的物理限制） 的控制技术ｌ 。 】 ］ 传统的跟随领航者方法是根据领航机器人的路线 实现其他机器人的运动控制 ， 由于没有 明确的队形反 馈， 很难保持它的队形。本文 阐述了一种用于编队控 制的分布式控制系统 ， 该系统将基于行为 的控制方法
个值固定在 （ ， ） 就可 以维持一定的队形 。 ， 机器人旋转中心点处采样数值（ ｉ，０， ∞ ） ， ， ， 为 ，
位姿信息， 表示第 ｉ 个机器人 的（ 坐标 ， 坐标 ， ｘ ｙ 迎角 ，
线速度 ， 角速度 ） 但 由于旋转 中心 点处没 有切 向速 ， 度。 因此 ， 引入一个与旋转 中心点同在机器人轴线上 ， 距离为 （ 的点作为控制作用点 ， １ ｉ 称为参考原点 。ｄ 的 ｉ 正方向为机器人前进正方 向， ３中 ｄ 的值 为负值 。 图 ｉ