移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)控制的現(xiàn)狀與問(wèn)題

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)控制的現(xiàn)狀與問(wèn)題楊甜甜1, 劉志遠(yuǎn)1, 陳虹2, 裴潤(rùn)1 (1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程系， 黑龍江 哈爾濱 ; 2. 吉林大學(xué)控制科學(xué)與工程系，吉林 長(zhǎng)春 )摘 要：隨著機(jī)器人向系統(tǒng)應(yīng)用的方向發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)控制問(wèn)題成為研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。為此，依據(jù)解決編隊(duì)控制問(wèn)題的不同思路，總結(jié)了編隊(duì)控制的各種研究方法：基于行為法、人工勢(shì)場(chǎng)法、跟隨-領(lǐng)航法、虛結(jié)構(gòu)法、循環(huán)法、模型預(yù)測(cè)控制法、分布式控制法，分別對(duì)幾種編隊(duì)控制方法的基本思想和特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和分析，最后從通用性，穩(wěn)定性，魯棒性和安全性等方面闡述了移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)控制理論與應(yīng)用方面有待進(jìn)一步研究的幾個(gè)主

2、要問(wèn)題。關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人；編隊(duì)控制；協(xié)調(diào)；合作中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： Formation control of mobile robots: the state and open problems YANG Tian-tian1, LIU Zhi-yuan1, CHEN Hong2, PEI Run1(1. Department of Control Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin , China; 2. Department of Control Science and

3、 Engineering, Jilin University, Changchun , China)Abstract：In recent years, the research of formation control has received much attention in robotics. For multiple mobile robots, a comprehensive review of formation control under different kinds of scenarios is provided. Recent results on approaches

4、including behavior based approach, potential field approach, leader-follower approach, virtual structure approach, cyclic approach, model predictive control approach, distributed approach are reviewed. Some open problems concerning the theoretical and practical properties are also discussed from the

5、 aspects of generality, stability, robustness and safety.Key word: mobile robot; formation control; coordination; cooperation專心-專注-專業(yè)基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目()和()近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展,多機(jī)器人協(xié)調(diào)合作已經(jīng)成為可能，而且得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。多個(gè)機(jī)器人協(xié)調(diào)合作可以完成單一機(jī)器人難以完成的任務(wù)。其中編隊(duì)問(wèn)題是多機(jī)器人協(xié)調(diào)合作中的一個(gè)典型性的問(wèn)題，所謂的編隊(duì)控制是指多個(gè)機(jī)器人在到達(dá)目的地的過(guò)程中，保持某種隊(duì)形，同時(shí)又要適應(yīng)環(huán)境約束的

6、控制技術(shù)。多機(jī)器人的編隊(duì)控制是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱門課題，也是研究其它協(xié)調(diào)合作問(wèn)題的基礎(chǔ)。通常協(xié)調(diào)是為了解決機(jī)器人之間的沖突和矛盾。 對(duì)于自主移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)問(wèn)題來(lái)說(shuō),沖突主要就是碰撞，也就是說(shuō)在同一時(shí)刻多個(gè)機(jī)器人不能處于同一位置。協(xié)作是指機(jī)器人通過(guò)一種機(jī)制合作完成一項(xiàng)任務(wù)，對(duì)于自主移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)問(wèn)題來(lái)說(shuō)合作就是保持隊(duì)形，在各時(shí)刻各機(jī)器人的位置滿足一種數(shù)學(xué)關(guān)系。對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)而言，多機(jī)器人之間保持一定的隊(duì)形具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如，空間結(jié)構(gòu)中特定隊(duì)形的實(shí)現(xiàn)可以充分有效的利用多移動(dòng)機(jī)器人完成任務(wù)，縮短執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間，降低系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)的工作效率，能充分獲取當(dāng)前的環(huán)境信息，在對(duì)抗性環(huán)境中能增強(qiáng)抵抗外界

7、進(jìn)攻的能力，并且能夠提高魯棒性等等。編隊(duì)控制在軍事、娛樂(lè)、生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。尤其是軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如航天器、無(wú)人機(jī)的編隊(duì)飛行、自主水下航行器的編隊(duì)航行。因此，實(shí)現(xiàn)一個(gè)合理、有效的編隊(duì)控制方法將具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。目前，關(guān)于機(jī)器人的編隊(duì)控制國(guó)內(nèi)外的學(xué)者作了大量的研究。本文依據(jù)解決編隊(duì)控制問(wèn)題的不同思路，總結(jié)并分析了編隊(duì)控制的研究現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題。1 機(jī)器人編隊(duì)控制方法本文對(duì)幾種編隊(duì)控制方法的基本思想和特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和分析，并且指出關(guān)于編隊(duì)控制需要進(jìn)一步研究的幾個(gè)問(wèn)題。1.1 基于行為法基于行為的控制方法主要是通過(guò)對(duì)機(jī)器人基本行為以及局部控制規(guī)則的設(shè)計(jì)使得機(jī)器人群體產(chǎn)生所

8、需的整體行為。編隊(duì)控制器由一系列行為組成，每個(gè)機(jī)器人有基本的行為方式，每個(gè)行為方式又有自己的目標(biāo)或任務(wù)。一般情況下，機(jī)器人的行為包括避碰、避障、駛向目標(biāo)和保持隊(duì)形等。 對(duì)于編隊(duì)控制來(lái)說(shuō)，隊(duì)形保持是一個(gè)基本的獨(dú)立行為。駛向目標(biāo)的“目標(biāo)”是指事先指定的狀態(tài)，因此隊(duì)形保持和駛向目標(biāo)是兩個(gè)不同的行為。避障是指動(dòng)態(tài)環(huán)境下編隊(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中避免碰到障礙物。避碰是指運(yùn)動(dòng)過(guò)程中避免機(jī)器人之間的相互碰撞。Balch 和Arkin 首先提出了基于行為的控制方法1。文章中考慮一種基于領(lǐng)航的隊(duì)形，利用兩個(gè)循環(huán)策略設(shè)計(jì)保持隊(duì)形行為控制器。文中同時(shí)還考慮了其它幾種行為，包括避障、避碰、駛向目標(biāo)。文獻(xiàn)2提出各子行為加權(quán)綜

9、合的控制實(shí)現(xiàn)方法，即對(duì)每個(gè)子行為分別求出控制變量，然后對(duì)這些控制量進(jìn)行加權(quán)平均求得綜合的控制變量；在文獻(xiàn)3中，利用遺傳算法對(duì)加權(quán)量進(jìn)行優(yōu)化配置，從而實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)編隊(duì)控制。文獻(xiàn)4中，基于行為編隊(duì)控制方法解決非線性系統(tǒng)的軌跡生成和避障問(wèn)題。文獻(xiàn)5借用分子形成晶體的方法確定機(jī)器人在隊(duì)形中的目標(biāo)位置, 從而影響行為的選擇。 文獻(xiàn)6采用3 層基于行為的控制體系結(jié)構(gòu), 應(yīng)用“social roles”來(lái)代表機(jī)器人在隊(duì)形中的位置, 并動(dòng)態(tài)分配給機(jī)器人以形成和保持隊(duì)形, 用局部通信來(lái)提高性能, 從而支持各種隊(duì)形及其切換。 基于行為的控制器是由一系列行為組成，每個(gè)行為有自己的目標(biāo)或任務(wù)。當(dāng)機(jī)器人具有多

10、個(gè)競(jìng)爭(zhēng)性目標(biāo)時(shí)，可以很容易地得出控制策略，并且可以實(shí)現(xiàn)分布式控制。但缺點(diǎn)是我們無(wú)法明確的指出達(dá)到整體行為的局部控制規(guī)則，隊(duì)形控制的穩(wěn)定性很難得到保證。1.2 人工勢(shì)場(chǎng)法人工勢(shì)場(chǎng)法主要是通過(guò)設(shè)計(jì)人工勢(shì)場(chǎng)和勢(shì)場(chǎng)函數(shù)來(lái)表示環(huán)境以及隊(duì)形中各機(jī)器人之間的約束關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行分析和控制。Khatib7于1986年提出了人工勢(shì)場(chǎng)法，它的基本思想是機(jī)器人在一個(gè)虛擬的力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，障礙物被斥力勢(shì)場(chǎng)包圍，其產(chǎn)生的排斥力隨機(jī)器人與障礙物距離的減少而迅速增大；目標(biāo)點(diǎn)被引力勢(shì)場(chǎng)包圍，其產(chǎn)生的吸引力隨機(jī)器人與目標(biāo)點(diǎn)的接近而減少；在合力的作用下機(jī)器人沿最小化勢(shì)能的方向運(yùn)動(dòng)。文獻(xiàn)8基于人工勢(shì)場(chǎng)法提出一種編隊(duì)控制器，應(yīng)用在

11、機(jī)器人出現(xiàn)故障或者不完整的傳感器信息的情況下。文獻(xiàn)9提出了一種基于勢(shì)函數(shù)的、能夠有效地對(duì)多機(jī)器人系統(tǒng)的編隊(duì)隊(duì)形進(jìn)行穩(wěn)定性分析的分布控制的方法。文章通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)?、與目標(biāo)和結(jié)構(gòu)相關(guān)的勢(shì)函數(shù)，利用圖論知識(shí)和李亞普諾夫穩(wěn)定理論，設(shè)計(jì)了一種新穎的能夠穩(wěn)定機(jī)器人編隊(duì)隊(duì)形并有效跟蹤目標(biāo)的分布控制律，并給出了多機(jī)器人系統(tǒng)編隊(duì)隊(duì)形穩(wěn)定及控制問(wèn)題有解的充分條件。在文獻(xiàn)10中用勢(shì)場(chǎng)函數(shù)表示機(jī)器人之間設(shè)定的隊(duì)形和運(yùn)動(dòng)軌跡，從而設(shè)計(jì)編隊(duì)控制器。文獻(xiàn)11中同時(shí)考慮存在障礙物環(huán)境下的編隊(duì)控制問(wèn)題，提出非完整移動(dòng)機(jī)器人基于勢(shì)場(chǎng)函數(shù)的分布式控制器。這種分布式控制器能夠保證編隊(duì)機(jī)器人達(dá)到設(shè)定的隊(duì)形，同時(shí)避免相互間的碰撞以及與動(dòng)

12、態(tài)環(huán)境下障礙物的碰撞。文獻(xiàn)12依據(jù)在一定范圍內(nèi)吸引遠(yuǎn)處的鄰居并排斥離得太近的鄰居的原則, 使用勢(shì)場(chǎng)法，通過(guò)虛領(lǐng)航者調(diào)整隊(duì)形或控制隊(duì)形的運(yùn)動(dòng)。文獻(xiàn)13利用人工勢(shì)場(chǎng)和虛領(lǐng)航者作為內(nèi)在的協(xié)調(diào)框架， 提出了控制隊(duì)形運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定策略。 文獻(xiàn)14將理想隊(duì)形的約束表示為勢(shì)場(chǎng)函數(shù)，研究了隊(duì)形的穩(wěn)定性及控制器的設(shè)計(jì)。 文獻(xiàn)15將環(huán)境的信息如鄰居、障礙、威脅和目標(biāo)等編碼為一個(gè)勢(shì)場(chǎng)函數(shù)，分析了隊(duì)形的穩(wěn)定即勻衡，并仿真實(shí)現(xiàn)了利用多個(gè)機(jī)器人覆蓋某一目標(biāo)區(qū)域的任務(wù)。人工勢(shì)場(chǎng)法計(jì)算簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，尤其對(duì)于處理障礙物空間的避碰問(wèn)題是比較有效的。但是勢(shì)場(chǎng)函數(shù)的設(shè)計(jì)比較困難，而且存在局部極值點(diǎn)的問(wèn)題。Rimon 和 Kod

13、itschek16在1992年提出一種更精確構(gòu)造勢(shì)場(chǎng)函數(shù)的方法。為了區(qū)別于之前的勢(shì)場(chǎng)函數(shù)，把這種勢(shì)場(chǎng)函數(shù)描述為導(dǎo)航函數(shù)(navigation function)，它只存在一個(gè)局部最小點(diǎn)，同時(shí)也是全局最小點(diǎn)。這種描述方法也被應(yīng)用在同時(shí)考慮避障問(wèn)題的編隊(duì)控制中文獻(xiàn)171819。1.3 跟隨-領(lǐng)航方法跟隨領(lǐng)航者法的基本思想是在多機(jī)器人組成的群體中, 某個(gè)機(jī)器人被指定為領(lǐng)航者, 其余作為它的跟隨者, 跟隨者以一定的距離間隔跟蹤領(lǐng)航機(jī)器人的位置和方向. 對(duì)該方法進(jìn)行拓展, 即不僅可以指定一個(gè)領(lǐng)航者, 也可以指定多個(gè), 但群體隊(duì)形的領(lǐng)航者只有一個(gè)。 對(duì)于跟隨領(lǐng)航者法有兩種控制器形式：控制器和控制器。控制器

14、的控制目標(biāo)是使跟隨者和領(lǐng)航者之間的距離和相對(duì)轉(zhuǎn)角達(dá)到設(shè)定值20?？刂破骺紤]的是三個(gè)機(jī)器人之間的相對(duì)位置問(wèn)題。當(dāng)跟隨者和兩個(gè)領(lǐng)航者之間的距離達(dá)到設(shè)定值的話，就可以認(rèn)為整個(gè)隊(duì)形穩(wěn)定了。 文獻(xiàn)20利用跟隨者和領(lǐng)航者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型設(shè)計(jì)控制器保證無(wú)碰撞的達(dá)到指定隊(duì)形，同時(shí)能夠處理對(duì)象模型中的參數(shù)不確定性。多機(jī)器人編隊(duì)控制的另一種方法就是將輸入輸出反饋線性化控制律施加于跟隨機(jī)器人, 其合乎要求的運(yùn)動(dòng)軌跡與領(lǐng)航機(jī)器人有一定的關(guān)系21,22。使用輸入輸出反饋線性化控制方法，多機(jī)器人能夠取得復(fù)雜的編隊(duì)。編隊(duì)里的每一個(gè)機(jī)器人可以跟隨一個(gè)領(lǐng)航機(jī)器人并且作為一個(gè)或者多個(gè)其他機(jī)器人的領(lǐng)航者。文獻(xiàn)23中利用領(lǐng)航者和跟

15、隨者之間的相對(duì)方程對(duì)領(lǐng)航者的狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，從而求得跟隨者的控制器。 目前的跟隨-領(lǐng)航模式，如果出現(xiàn)故障的領(lǐng)航機(jī)器人后面還有以它為參考點(diǎn)的跟隨機(jī)器人，其結(jié)果將會(huì)是出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)后繼機(jī)器人掉隊(duì)，編隊(duì)無(wú)法繼續(xù)保持，從而直接影響到編隊(duì)任務(wù)的正常完成。文獻(xiàn)24針對(duì)多機(jī)器人隊(duì)伍中某臺(tái)機(jī)器人出現(xiàn)的通信或機(jī)械故障，建立一種編隊(duì)容錯(cuò)控制算法，在機(jī)器人出現(xiàn)故障后，機(jī)器人隊(duì)伍能自動(dòng)重新調(diào)整編隊(duì)，避免故障機(jī)器人的后繼機(jī)器人掉隊(duì)，實(shí)現(xiàn)編隊(duì)的容錯(cuò)控制。跟隨-領(lǐng)航方法控制簡(jiǎn)單，只需要控制跟隨機(jī)器人跟蹤領(lǐng)航機(jī)器人的軌跡，這樣僅僅給定領(lǐng)航者的行為或軌跡就可以控制整個(gè)機(jī)器人群體的行為?？梢园丫庩?duì)控制問(wèn)題簡(jiǎn)化為獨(dú)立的跟蹤問(wèn)題，每個(gè)

16、機(jī)器人只需要獲得它的領(lǐng)航機(jī)器人的狀態(tài)信息，從而大大簡(jiǎn)化了隊(duì)形間的合作問(wèn)題。例如在領(lǐng)航-跟隨隊(duì)形中再增加一個(gè)機(jī)器人的話只需要增加一個(gè)局部控制器并指定一個(gè)領(lǐng)航機(jī)器人就可以，不需要重新設(shè)計(jì)控制器。而且當(dāng)某一個(gè)機(jī)器人失效時(shí)，只有后繼的跟隨機(jī)器人受到影響，通過(guò)重新安排跟隨機(jī)器人就可以消除這種失效帶來(lái)的問(wèn)題。但是以上的優(yōu)點(diǎn)是在損失全局最優(yōu)性的前提下帶來(lái)的，這里考慮的只是跟隨機(jī)器人和領(lǐng)航機(jī)器人之間的最優(yōu)問(wèn)題而不是全局的最優(yōu)編隊(duì)問(wèn)題。1.4 虛結(jié)構(gòu)法虛結(jié)構(gòu)的概念最開(kāi)始被引用在文獻(xiàn)25中。虛結(jié)構(gòu)法主要應(yīng)用在飛行器和人造衛(wèi)星的編隊(duì)飛行控制中。這類方法的特點(diǎn)是，機(jī)器人之間可以保持一定的幾何形狀，它們之間形成了一個(gè)剛

17、性結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)稱為虛擬結(jié)構(gòu)。雖然每個(gè)機(jī)器人相對(duì)于參考系統(tǒng)位置不變，但它仍可以以一定的自由度來(lái)改變自己的方向。多機(jī)器人以剛體上的不同點(diǎn)作為各自的跟蹤目標(biāo)就可以形成一定的隊(duì)形。實(shí)現(xiàn)此方法需要三個(gè)步驟:首先，定義虛擬結(jié)構(gòu)的期望動(dòng)力學(xué)特性；然后，將虛擬結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成每個(gè)機(jī)器人的期望運(yùn)動(dòng)；最后得出機(jī)器人的軌跡跟蹤控制方法。在文獻(xiàn)26中，虛結(jié)構(gòu)法、跟隨領(lǐng)航法和基于行為法一起用來(lái)實(shí)現(xiàn)深空飛行器的編隊(duì)控制。類似的方法也出現(xiàn)在文獻(xiàn)27中。虛擬結(jié)構(gòu)方法是用剛體的虛擬結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)中的固定位置實(shí)現(xiàn)隊(duì)形控制。利用虛擬結(jié)構(gòu)法可以很容易地指定機(jī)器人群體的行為(虛擬結(jié)構(gòu)的行為)，并可以進(jìn)行隊(duì)形反饋，能夠取得較高精度的軌跡

18、跟蹤效果。 其缺點(diǎn)是要求隊(duì)形像一個(gè)虛擬結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)限制了該方法的應(yīng)用范圍, 缺乏靈活性和適應(yīng)性。1.5 循環(huán)法循環(huán)法主要針對(duì)帶有方向性的圖形結(jié)構(gòu)隊(duì)形。與領(lǐng)航-跟隨法類似，它由各個(gè)獨(dú)立控制器組成，不同之處是循環(huán)法不具有分級(jí)。因?yàn)闄C(jī)器人之間的相互聯(lián)系給循環(huán)法的穩(wěn)定性證明帶來(lái)較大的困難。因此，一些文章中僅限于用仿真來(lái)說(shuō)明28,29。我們可以利用循環(huán)法使機(jī)器人從任意形狀達(dá)到指定的隊(duì)形。文獻(xiàn)30中基于規(guī)則法生成線形、圓形、多邊形等隊(duì)形。文獻(xiàn)31在30基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展能夠處理一些更加實(shí)際的約束。 文獻(xiàn)32中提出兩種循環(huán)算法，第一種方法類似于30中的方法，第二種方法利用勢(shì)場(chǎng)函數(shù)法。文獻(xiàn)33也對(duì)每個(gè)循環(huán)軌道上的機(jī)器

19、人建立勢(shì)場(chǎng)函數(shù)，這里認(rèn)為每個(gè)機(jī)器人都被鄰近機(jī)器人排斥。文獻(xiàn)34在33的基礎(chǔ)上考慮不同的勢(shì)場(chǎng)函數(shù)形式和隊(duì)形排列。文獻(xiàn)35和文獻(xiàn)36提出基于GVS的循環(huán)算法。循環(huán)法與跟隨-領(lǐng)航法比較類似，但因?yàn)楦鳈C(jī)器人之間不存在等級(jí)，循環(huán)算法比跟隨-領(lǐng)航法有更好的性能并且控制器分配上更均勻。循環(huán)控制器可以是分散的，通過(guò)各個(gè)獨(dú)立控制器的交互作用可以保持隊(duì)形。循環(huán)法的主要缺點(diǎn)是這種算法的穩(wěn)定性很難保證，并且大多數(shù)情況下信息需求量很大。1.6 MPC方法 目前非線性MPC理論已較成熟。Dunbar等人在文37中首先提出將模型預(yù)測(cè)控制用于多機(jī)器人編隊(duì)控制的理論框架, 同時(shí)研究了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性以及實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題。 文

20、獻(xiàn)38提出多機(jī)器人編隊(duì)的預(yù)測(cè)控制方法，通過(guò)最小化性能指標(biāo)解決隊(duì)形保持問(wèn)題，這里采用的是集中式的控制思路。文獻(xiàn)3940提出一種分布式滾動(dòng)時(shí)域控制方法。文獻(xiàn)40中利用圖論知識(shí)和預(yù)測(cè)控制的理論，提出一種能夠使機(jī)器人隊(duì)形保持的跟蹤目標(biāo)的分布式預(yù)測(cè)控制方法。與集中式控制相比較, 分布式控制系統(tǒng)具有更多的靈活性和更強(qiáng)的魯棒性, 完成任務(wù)的高效性和更高的容錯(cuò)能力等優(yōu)點(diǎn)。MPC 方法的優(yōu)點(diǎn)是具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，能保證對(duì)信息的充分利用, 通過(guò)在線滾動(dòng)優(yōu)化并結(jié)合實(shí)時(shí)信息的反饋校正,使每一時(shí)刻的優(yōu)化均建立在實(shí)際過(guò)程的基礎(chǔ)上，同時(shí)在線處理約束（控制約束和狀態(tài)約束）的能力較強(qiáng)。缺點(diǎn)是對(duì)于分布式的模型預(yù)測(cè)控制方法來(lái)說(shuō)穩(wěn)定

21、性很難保證，而且計(jì)算量較大，在實(shí)時(shí)計(jì)算、以及分布實(shí)現(xiàn)等方面還有待進(jìn)一步的研究。1.7 分布式控制20 世紀(jì)80 年代末,受到分布式人工智能、多智能體系統(tǒng)研究的啟發(fā)，一些學(xué)者針對(duì)集中式擴(kuò)展的不足，提出了分散和分布式的多機(jī)器人系統(tǒng)合作組織策略、方法和協(xié)調(diào)機(jī)制，開(kāi)辟了基于智能體思想的機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域。集中式和分布式是兩種不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，分布控制法是針對(duì)集中控制的不足提出的。分布控制有兩類不同的設(shè)計(jì)思想。一類是從子系統(tǒng)本身的局部控制器出發(fā)，考慮關(guān)聯(lián)作用的影響設(shè)計(jì)保證整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的控制器；另一類是從包含全部關(guān)聯(lián)的總系統(tǒng)出發(fā)，按有結(jié)構(gòu)約束的控制器來(lái)設(shè)計(jì)各系統(tǒng)的局部控制器。對(duì)分布控制的各子系統(tǒng)

22、設(shè)計(jì)局部控制器能減少?gòu)钠渌酉到y(tǒng)獲得信息，但需要考慮系統(tǒng)關(guān)聯(lián)作用。文獻(xiàn)41中基于圖形論和李亞普諾夫方法提出一種多智能體分布式編隊(duì)控制的理論框架，通過(guò)獨(dú)立控制每個(gè)機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的編隊(duì)控制。文獻(xiàn)42基于行為法提出對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)機(jī)動(dòng)的分布式控制方法，文中提出了3種控制策略。文獻(xiàn)43中基于偶極導(dǎo)航函數(shù)提出分布式非連續(xù)反饋控制器完成多個(gè)非完整移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制，這種控制方法能夠保證全局收斂性并能避免機(jī)器人間相互碰撞。文獻(xiàn)44中每個(gè)機(jī)器人有自己獨(dú)立的坐標(biāo)系，它能夠獲得與其它機(jī)器人之間的相對(duì)位置和偏轉(zhuǎn)，通過(guò)相對(duì)位置反饋達(dá)到編隊(duì)控制的目的。文獻(xiàn)40針對(duì)機(jī)器人編隊(duì)控制提出一種分布式滾動(dòng)時(shí)域方法，并且給

23、出保證穩(wěn)定性的理論證明。分布式控制可以獨(dú)立考慮每個(gè)機(jī)器人的特性，具有較強(qiáng)的靈活性和魯棒性，完成任務(wù)的高效性和容錯(cuò)能力等優(yōu)點(diǎn)。但是缺點(diǎn)是控制器設(shè)計(jì)復(fù)雜、困難，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性很難保證，并非各子系統(tǒng)的局部穩(wěn)定就可以解決的，還需要考慮各機(jī)器人間的關(guān)聯(lián)作用。1.8 其他控制方法對(duì)于多機(jī)器人系統(tǒng)編隊(duì)問(wèn)題的研究,除了以上列舉方法外還有一些其它的控制方法。文獻(xiàn)46利用模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)編隊(duì)過(guò)程中的避障控制。文獻(xiàn)194647將視覺(jué)伺服系統(tǒng)應(yīng)用到編隊(duì)控制中。文獻(xiàn)48中提出一種基于廣義坐標(biāo)的編隊(duì)控制策略。廣義坐標(biāo)刻畫了機(jī)器人在隊(duì)形中的位置，方向和形狀。隊(duì)形的運(yùn)動(dòng)軌跡由位置坐標(biāo)、方向坐標(biāo)和形狀坐標(biāo)來(lái)

24、描述。編隊(duì)控制器能夠保證機(jī)器人跟蹤指定軌跡的同時(shí)保持設(shè)定的隊(duì)形。同樣的方法也應(yīng)用在文獻(xiàn)4950中。以上幾種控制方法并不一定獨(dú)立使用，很多情況下同時(shí)出現(xiàn)。比如文獻(xiàn)19中基于跟隨-領(lǐng)航法進(jìn)行機(jī)器人編隊(duì)控制，而利用勢(shì)場(chǎng)函數(shù)考慮機(jī)器人間的避碰問(wèn)題。文獻(xiàn)13針對(duì)機(jī)器人編隊(duì)控制提出一種分布式滾動(dòng)時(shí)域控制方法。2 有待解決的問(wèn)題盡管機(jī)器人編隊(duì)控制研究近年來(lái)有了較大進(jìn)展, 但仍有不少問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究。1）沒(méi)有統(tǒng)一有效的框架來(lái)描述機(jī)器人編隊(duì)和控制算法，使得靈活的隊(duì)形控制難以實(shí)現(xiàn)。隊(duì)形的類型很多，如三角形、菱形、圓形等等，隊(duì)形表示框架需要能統(tǒng)一表示各種隊(duì)形，合適的描述有待于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。而且大多數(shù)編隊(duì)控制算法不

25、具有通用性，每一種控制方法都有它的局限性，并不是所有的編隊(duì)問(wèn)題都可以解決。比如領(lǐng)航-跟隨法只適用于單向的編隊(duì)結(jié)構(gòu)，對(duì)于無(wú)方向性的編隊(duì)結(jié)構(gòu)用這種方法就無(wú)法處理了。2）穩(wěn)定性是編隊(duì)控制的重要因素，有些控制方法從理論上很難得到保證。對(duì)于多個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它的控制策略比單個(gè)機(jī)器人的控制要復(fù)雜得多，這不僅僅由于機(jī)器人數(shù)量的增多，更重要的是機(jī)器人之間還需要協(xié)調(diào)和協(xié)作。例如，基于行為法，循環(huán)法等等。有些控制方法關(guān)于穩(wěn)定性的討論還是基于集中式的系統(tǒng)控制框架。相對(duì)于分布式控制來(lái)說(shuō)，集中式控制有很大的局限性。但是對(duì)于多機(jī)器人系統(tǒng)，由于機(jī)器人之間的耦合，分布式控制的穩(wěn)定性很難保證，并不是各子系統(tǒng)的局部穩(wěn)定就可以解

26、決的，還需要考慮各機(jī)器人間的關(guān)聯(lián)作用。對(duì)于耦合系統(tǒng)的分布式鎮(zhèn)定控制器設(shè)計(jì)比較復(fù)雜、困難。因此關(guān)于穩(wěn)定性問(wèn)題，需要進(jìn)一步的完善和探索。3）大多數(shù)的方法僅僅把機(jī)器人看成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，或者是針對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，即將系統(tǒng)的速度作為控制輸入并忽略機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。例如領(lǐng)航-跟隨法中大部分是針對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，MPC方法中很多都把機(jī)器人看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。這種忽略機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性的方法存在局限性。這種簡(jiǎn)化的表達(dá)式并不能反映具有未知質(zhì)量、摩擦、以及間隙影響的移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)際情況。盡管非完整移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型對(duì)某些控制目標(biāo)是適合的，但對(duì)其它目標(biāo)，如考慮模型不確定性、外部干擾以及獲得以力和力矩為輸入控制律時(shí)，就

27、要求包含動(dòng)態(tài)影響(廣義力)的動(dòng)力學(xué)模型。因此，控制器的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)應(yīng)用能夠?qū)C(jī)器人實(shí)際參數(shù)中的不確定性顯式加以考慮的動(dòng)力學(xué)模型。4）對(duì)于機(jī)器人編隊(duì)控制來(lái)說(shuō)還有許多重要但研究很少的問(wèn)題。這里主要說(shuō)明一下當(dāng)存在系統(tǒng)不確定性時(shí)所面臨的問(wèn)題，這個(gè)不確定性可能來(lái)自參數(shù)變化或未建模動(dòng)態(tài)。沒(méi)有研究這類非線性系統(tǒng)魯棒性的一般方法，由于編隊(duì)控制問(wèn)題描述的復(fù)雜性，很少有文獻(xiàn)對(duì)不確定性進(jìn)行了處理。另外，由于實(shí)際系統(tǒng)會(huì)受到外界各種各樣的干擾，使得控制器的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。為了保證實(shí)際系統(tǒng)對(duì)外界干擾、系統(tǒng)的不確定性等有盡可能小的敏感性，導(dǎo)致了系統(tǒng)魯棒控制問(wèn)題，因而需要進(jìn)一步研究這兩者作用下的魯棒編隊(duì)控制器設(shè)計(jì)問(wèn)題。由于分布式控

28、制的特點(diǎn)使得它在這方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。5）系統(tǒng)實(shí)際工作中會(huì)受到各種各樣的約束，比如控制量約束和狀態(tài)量約束。實(shí)際控制輸入所受到的約束，在滿足輸入約束的情況下設(shè)計(jì)同樣給編隊(duì)控制器設(shè)計(jì)增加了困難。實(shí)際系統(tǒng)可能同時(shí)帶有狀態(tài)和輸入約束，但這種情況目前研究得還很少。由于預(yù)測(cè)控制具有良好的強(qiáng)約束處理能力，越來(lái)越多的研究人員采用這一方法來(lái)解決約束問(wèn)題。也正是這個(gè)原因，已經(jīng)有一些文獻(xiàn)對(duì)編隊(duì)控制中控制量約束進(jìn)行了處理38，40。6）實(shí)際機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)環(huán)境往往呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)的性質(zhì), 因此需要研究動(dòng)態(tài)環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人避障編隊(duì)控制問(wèn)題。關(guān)于避障編隊(duì)控制問(wèn)題的研究大部分是基于行為法，這種方法很難從理論上保證穩(wěn)定性。避障編隊(duì)問(wèn)題比

29、較復(fù)雜，比如遇障礙時(shí)隊(duì)形的拆分、重建、保持、切換問(wèn)題，在運(yùn)動(dòng)中遇見(jiàn)障礙物(靜態(tài)或動(dòng)態(tài)) 時(shí)隊(duì)形的控制問(wèn)題, 如何根據(jù)不同障礙進(jìn)行不同的處理等等。勢(shì)場(chǎng)法是一種有效的避障處理方法，因此結(jié)合勢(shì)場(chǎng)法與其他的編隊(duì)控制方法在避障問(wèn)題方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。此外，編隊(duì)控制中信息需求量也是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題，盡量用較少的信息量完成設(shè)定的編隊(duì)任務(wù)。比如通過(guò)增加相關(guān)約束來(lái)降低信息需求量，或僅依賴于局部信息達(dá)到全局的設(shè)定行為等等，另外如果能夠確定哪些局部行為能夠引起全局的行為也是非常有意義的問(wèn)題?；谝陨系姆治龊涂偨Y(jié)，非完整移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)控制的理論基礎(chǔ)已經(jīng)取得很大的發(fā)展。但上述提及的許多未解決的問(wèn)題有待于將來(lái)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)

30、和研究。同時(shí)，相信在將來(lái)的研究中，通過(guò)理論和實(shí)踐相結(jié)合，非完整移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)控制的研究將獲得更大的突破。3結(jié)束語(yǔ)隨著機(jī)器人研究的不斷發(fā)展，多機(jī)器人的編隊(duì)控制問(wèn)題受到越來(lái)越多的重視。本文對(duì)目前的移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)控制方法進(jìn)行了總結(jié), 分別對(duì)幾種編隊(duì)控制方法的基本思想和特點(diǎn)進(jìn)行析，并提出了理論與應(yīng)用方面有待進(jìn)一步研究的幾個(gè)主要問(wèn)題，對(duì)于從事這方面研究的人員具有一定的參考價(jià)值。參考文獻(xiàn)1BALCH T, ARKIN R C. Behavior-based formation control for multi-robot teams J. IEEE Transactions on Robotics an

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