群机器人串行编队的控制研究

祁明顺

【摘 要】在讨论机器人运动学模型的基础上，通过对群机器人串行编队运动进行分析和研究，本文提出了群机器人在搬运转弯过程中队形构型保持策略。主从机器人分别根据环境信息在无线通讯条件下调整各自的速度，以实现转弯过程中串行编队队形以及各机器人间的间距不变。最后对串行编队进行matlab仿真，实现了编队构型的保持，验证了方法的有效性。

【关键词】群机器人；编队；控制

0 引言

目前，群机器人的理论研究获得了很大进展，已证明了如何使群机器人从无序状态形成指定队形，并实现仿真。传统分析机器人是将机器人看作一个质点，或者说是简单平移运动，而忽略了机器人自身姿势的调整，本文将机器人模型看作刚体，将其运动分解为平动和转动两部分，建立了群机器人编队模型，并通过仿真加以验证。

针对实际工业中常有的多机器人协作搬运杆状物体，本文提出一种简单的编队策略即如何使群机器人在转弯过程中保持编队构型以及机器人间距不变。

1 履带式机器人运动学模型

本文研究的对象是履带式移动机器人，假设：1）机器人的左右履带轮是完全一样的；2）两轮圆心所构成线段中点与机器人质心连线所构成的直线与机器人的速度方向一致；3）地面的载荷均匀分布；4）机器人的两个履带是不打滑的；5）运动是在水平面上的二维运动。

设机器人的质心C在XOY参考平面中的投影坐标为（xc，yc，θ），机器人的姿态角θ表示为机器人坐标系Y轴与XOY参考平面X轴正向的夹角，则机器人的位姿可以由向量P=[ xc，yc，θ]表示。机器人车体宽度为D，履带的宽度为b。通过左右履带的速度变化控制机器人的运动，分别记作VL和VR。

假设在运动过程中机器人履带没有滑动，则可建立如下关系：

2 群机器人之间的通讯

通信是机器人之间，机器人与上位机之间进行交互和组织的基础：可分为隐式通信和显式通信两类。本文通讯中采用可以通过共有的规则和方式的显式通信来完成信息的传递和交换。在机器人系统中常用的通信方式有黑板方式、广播方式（UDP）和点到点方式（TCP）等。

本文采用的通信模块（MatchPort）有两个无线通信端口，因此为了完成上位机与机器人之间的通信，机器人与机器人之间的通信，我们采用了TCP和UDP协议作为通信方式。

首先，在上位机与主机器人之间通过MatchPort模块建立TCP协议，进行无线网络相关设置，连接上位机与主机器人之间的通信。其次，主机器人与从机器人之间通过UDP协议来传送信息。最后，主机器人将信息以广播形式传递给从机器人，使从机器人根据相应的程序完成相应的行为。

3 群机器人编队

本文采用三个机器人来实现串行编队，保持队形并转弯。假设：机器人之间的通讯是双向的；三个机器人的结构是一样的；

在群机器人串行编队的情况下，主从机器人逐渐向半径为R的期望轨道靠近并转弯。在转弯过程中群机器人保持队型不变，各机器人之间的距离不变即L不变，这是编队最重要的约束条件。在转弯过程中，机器人可以平动和转动，运行的轨迹用笛卡尔坐标方程可表示为：

x=v*t*cos（？棕*t）y=v*t*sin（？棕*t）（6）

式中x，y表示各机器人在坐标系中的投影坐标。

在编队过程中选择C2为主机器人，C1，C3为从机器人。当主机器人开始转弯时，我们设定从机器人分别执行不同的运动，在此过程中队形仍保持不变可视为刚体结构，用方程表示如下：

式（7）表示从机器人C1在t1到t3时间段的运动轨迹，式（8），（9）表示从机器人C3在t1到t2，t2到t3时间段内的运动轨迹，x0，y0，x3，y3为两从机器人开始转弯时的在坐标系中的位置。

串行编队搬运策略：首先保持角速度？棕不变；其次主车的线速度大小从0到t1保持不变，从t1到t2线速度逐渐增加，从t2到t3速度逐渐递减至稳定值，t3之后系统的线速度稳定并保持不变；从车C1的线速度从0到t1时大小保持不变，从t1到t2时速度递减到稳定值，t2之后系统的线速度保持稳定值不变；从车C2的线速度从0到t1时线速度大小保持不变，从t1到t2速度逐渐增加，t2到t3速度递减至稳定值，t3之后系统的线速度保持稳定值不变。因此通过主车C2对其余从车的控制，实现各从车不同的线速度变化，从而在群机器人运行过程中实现了编队队形的保持。

4 仿真分析

利用matlab对三个机器人组成的群机器人编队整体控制进行仿真模拟，验证本文控制方法的有效性和可行性。

将三个机器人的初始位置状态分别设为：，分别对应主机器人C2、从机器人C1和从机器人C3.各机器人间保持1.7m的距离，选取t=0～2s内的初始速度v=0.25m/s，转弯开始时，各机器人间的右履带速度均是VR=0.25m/s，期望轨迹半径R=2m.

仿真结果如图1所示。图1a为群机器人在0～t3之间左右履带轮速度的变化曲线，图1b与c为群机器人前后编队形状的效果图。可以看出，通过基于串行编队控制的策略，在运动过程中，编队的构型保持不变。

图1 仿真结果

5 结语

本文在运动学分析的基础上，采用群机器人串行编队策略，通过广播方式实现主机器人对从机器人的控制，使主从机器人实现了编队队形不变的转弯过程。最后通过matlab仿真，验证了该控制策略的正确性和有效性。

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[责任编辑：王伟平]