基于屏障控制函数的轮式机器人系统多目标分布式协同控制
作者:
作者单位:

1.内蒙古大学;2.北京理工大学

作者简介:

通讯作者:

中图分类号:

TP11

基金项目:

国家自然科学基金项目(61941304, 61966026), 内蒙古自治区自然科学基金项目(2019BS06006, 2020MS06016)


Multi-objective control of wheeled robot system using control barrier functions
Author:
Affiliation:

1.Inner Mongolia Univesity;2.Beijing Institute of Technology

Fund Project:

National Natural Science Foundation of China(61941304, 61966026)and the Natural Science Foundation of Inner Mongolia Province (2019BS06006, 2020MS06016).

  • 摘要
  • |
  • 图/表
  • |
  • 访问统计
  • |
  • 参考文献
  • |
  • 相似文献
  • |
  • 引证文献
  • |
  • 资源附件
  • |
  • 文章评论
    摘要:

    受多目标优化理论的启发, 本文针对非完整约束轮式机器人设计了基于屏障控制函数(Control Barrier Function, CBF) 的多目标协同控制算法. 该方法可实现队形控制主目标、连通性次级目标以及避碰次级目标, 其中将连通性保持和避碰问题建模为两个系统约束. 本文中屏障控制函数作为约束对应的惩罚函数, 可解决系统有输入或状态约束的问题. 首先通过获取的局部信息, 将系统状态约束转化为屏障控制函数, 利用屏障控制函数的类李雅普诺夫特性, 对其导数引入约束, 再通过保证约束集的正不变性, 达到控制目标. 以往的控制器在其约束边界处可能会有频繁的切换, 而本文的方法可有效的避免控制器在连通性约束和避碰约束边界处的频繁切换, 减小机械疲劳. 此外, 该方法理论上可进一步扩展次级目标的数目, 实现多目标控制. 另外, 本文提出的协同控制算法对编队队形没有特殊要求, 适用于不同编队需求和通信拓扑情况. 最后, 数值仿真中验证了该算法在不同情况下的有效性.

    Abstract:

    A single controller is designed for nonholonomic wheeled robot system to synthesize formation, connectivity and collision avoidance, yielding a distributed control battier function(CBF) based controller, which is naturally relevant to Lyapunov-like function. A novel class of Lyapunov-like barrier functions which encode the inequality constraints of connectivity and collision avoidance, is introduced into the controller. The corresponding barrier inequality constraints are proposed, and the robot achieves connectivity maintenance and collision avoidance objectives when ensuring the positive invariance of the constraint set. This method provides continues change of control velocity reducing the mechanical fatigue of actuator. In addition, it can be extended to more secondary control objectives considering different control barrier functions. Moreover, the cooperative control algorithm proposed in this paper has no special requirements for formation, and is suitable for different formation requirements and communication topologies. Simulation results are included to verify the feasibility of the cooperative control algorithm under different situations.

    参考文献
    相似文献
    引证文献
引用本文
分享
文章指标
  • 点击次数:
  • 下载次数:
  • HTML阅读次数:
  • 引用次数:
历史
  • 收稿日期:2021-02-23
  • 最后修改日期:2021-05-21
  • 录用日期:2021-06-03
  • 在线发布日期: 2021-07-01
  • 出版日期: