上海大学谢少荣团队 | 基于有限时间耦合滑模控制的多机器人复合编队

中国科学杂志社

2024-11-07 15:36发布于北京

研究团队

马新茹，李恒宇，王曰英，谢少荣：上海大学

刘军：济宁大学

罗均：重庆大学

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Xinru MA, Hengyu LI, Jun LIU, Yueying WANG, Shaorong XIE & Jun LUO. Adaptive coupled-sliding variables-based finite-time control of composite formation for multi-robot systems. Sci China Inf Sci, 2024, 67: 202202, doi: 10.1007/s11432-023-4015-1

研究意义

在多机器人协同作业中，编队控制下的跟踪任务不仅极大地增强了机器人集群的空间探索与感知能力，还将效率提升至新的高度。通过机器人编队可以降低了对独立传感器部署的依赖，从而优化了资源配置与作业成本。在此基础上，控制器的设计成为了实现高效协同作业的关键环节。特别是有限时间控制器的引入，为机器人群体活动注入了强大的动力，确保任务在有限时间框架内高效完成，进一步推动了多机器人系统在实际应用中的性能与效率边界。

针对广泛应用的欧拉-拉格朗日机器人系统，其固有的非线性和参数不确定性给控制策略带来了显著挑战。直接应用传统的有限时间控制器不仅会引发系统参数的摄动，还可能因控制器与欧拉-拉格朗日系统之间的非线性摩擦而导致性能下降。鉴于此，为这类既具非线性又伴随参数不确定性的欧拉-拉格朗日机器人系统，设计一种适用于分布式环境的有限时间控制器显得尤为重要，确保系统更为稳定、高效的控制性能。

本文工作

本文聚焦于分布式多机器人系统有限时间控制问题，增加误差积分项提升控制系统的收敛精度，在各机器人系统中引入耦合滑模变量，实现了系统的自适应控制与协同同步，有效应对欧拉-拉格朗日参数不确定性和非线性摩擦问题。相较于传统引导者跟踪法，本文提出的靶标跟踪复合编队策略具有突出的灵活性与可编程性，为复杂任务执行提供了有力支撑。主要贡献如下：

1）提出基于耦合滑模变量的分布式有限时间力矩控制协议，该协议融合了误差项与误差积分项，确保二阶非线性系统在有限时间内达到稳定，同时提升控制精度。

2）制定靶标分配的编队跟踪控制方案，使多个机器人能够根据动态跟踪信号，在有限时间内执行多样化的复合编队任务。

图1 基于靶标分配的编队追踪示意图

3）构建参数自适应下有限时间控制系统的分析框架，运用局部类李雅普诺夫函数论证系统误差与参数估计误差的有界性，进一步验证了分布式编队跟踪系统的有限时间收敛特性。

实验结果

本文所提出的控制器在8个机器人组成的仿真平台上进行了验证。

图2 多机器人系统在有限时间控制下的三种编队实验结果

图3 三种编队在有限时间控制和非有限时间控制下的收敛性

图4 双边拓扑和非双边拓扑下的编队实验结果

图5 两组靶标信号下的编队跟踪实验结果