智能移动设备的自动编队方法及装置与流程

本技术实施例涉及智能移动设备的自动编队技术，尤其涉及一种智能移动设备的自动编队方法及装置。

背景技术：

1、编队控制作为实现多智能移动设备协同作业的重要前提，其要求多个智能移动设备子系统之间通过协同运动，以形成、保持并且平稳地切换编队队形。从编队的控制策略角度来讲，目前已有的控制算法大多不能根据智能移动设备实际受到的物理约束如通讯范围与感知范围受限等，来定量化的规划受控对象的性能表现，如队形的收敛速度，瞬态响应、超调量等。另外，当编队系统建模不够精确或者存在外界不稳定的未知扰动时，整体队形往往不能收敛到理想的编队形状。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术实施例提供一种智能移动设备的自动编队方法及装置，至少能解决前述的技术问题。

2、根据本技术实施例的第一方面，提供一种智能移动设备的自动编队方法，在多个智能移动设备中设置第一智能移动设备作为领航者，其余智能移动设备作为跟随者；为每一跟随者设定邻居智能移动设备，跟随者至少能获取其邻居的位置和速度信息；所述方法包括：

3、为每一智能移动设备进行动力学建模，得到智能移动设备的数学描述；

4、基于数学描述确定多个智能移动设备的编队跟踪关系，基于所述编队跟踪关系确定多个智能移动设备的通讯拓扑以及队形参数，以此确定多个智能移动设备的编队跟踪误差模型，基于所述编队跟踪误差模型对每一智能移动设备的距离误差的变化范围进行约束，对距离误差的收敛速度进行规划；

5、多个智能移动设备中每一智能移动设备实时获得其邻居智能移动设备的位置和速度信息，并获取自身的位置和速度信息，基于自身的位置信息与其邻居智能移动设备的位置信息确定智能移动设备与其邻居智能移动设备的距离及方位；

6、基于编队跟踪误差模型，确定智能移动设备之间的距离及方位是否需要调整，以及待调整的速度、时长和方位；

7、各智能移动设备基于自身所确定的待调整的速度、时长和方位进行队形调整，并动态维持各自的速度，与其邻居智能移动设备的位置关系。

8、在一些示例性的实施例中，所述基于所述编队跟踪误差模型对每一智能移动设备的距离误差的变化范围进行约束，包括：

9、为多个智能移动设备的编队设置非奇异滑模面，在为所述非奇异滑模面提出与编队跟踪误差相类似的性能约束后，为所述多个智能移动设备的编队设计控制器，使得所述非奇异滑模面所提出的滑动流形在固定时间内收敛到零附近的小邻域内，且始终不违背对所述非奇异滑模面预设的边界要求；

10、在所述非奇异滑模面稳定到上述零附近的小邻域内后，在所述控制器的作用下，编队跟踪误差将会在固定时间内收敛到零附近的小邻域内，且不违反对编队跟踪误差提出的约束边界条件。

11、在一些示例性的实施例中，所述为多个智能移动设备的编队设置非奇异滑模面，包括：

12、通过下式设置非奇异滑模面si，a：

13、

14、其中，ψ(ηi，a)的表达式通过以下式子表达：

15、

16、其中，ps,qs,ms,ns为任意大于零的奇数，且满足ms>ns，2ps>qs>ps，ms/ns-ps/qs>1；αi,a与βi,a为大于零的可调增益。

17、在一些示例性的实施例中，所述使得所述非奇异滑模面所提出的滑动流形在固定时间内收敛到零附近的小邻域内，且始终不违背对所述非奇异滑模面预设的边界要求，包括：

18、所述非奇异滑模面si,a的初值需满足：

19、

20、其中，si，a分别表示si,a在零时刻的上下界，且si，a＜0，

21、设计控制器ui,a使得所述非奇异滑模面si,a满足以下边界条件，则编队跟踪误差ηi，a将被约束在下式提出的包络范围：

22、

23、其中，kis,a为限制范围的常参数，且满足0<kis,a<1，ρi，a(t)为指数收敛的性能函数，kiη,a为随后设计的大于零的常数，其控制ρi，a(t)的收敛速度。

24、在一些示例性的实施例中，所述为每一智能移动设备进行动力学建模，得到智能移动设备的数学描述，包括：

25、对每一智能移动设备进行动力学建模，得到智能移动设备的二阶数学描述，如下：

26、

27、其中，i表示多个智能移动设备的编队中第i个智能移动设备；mi为2×2的对称正定惯性矩阵；vi＝[vci,ωi]t表示智能移动设备ri的速度向量；ci为2×2的科氏力矩阵；bi为2×2输入变换矩阵；τi＝[τil,τir]t表示智能移动设备左右侧车轮力矩；τid为2×1的大小未知的有界扰动，其具体描述如下所示：

28、

29、其中m，iz，r，l分别表示智能移动设备的质量，转动惯量，车轮半径以及1/2轮距。

30、根据本技术实施例的第二方面，提供一种智能移动设备的自动编队装置，包括：

31、设置单元，用于在多个智能移动设备中设置第一智能移动设备作为领航者，其余智能移动设备作为跟随者；为每一跟随者设定邻居智能移动设备，跟随者至少能获取其邻居的位置和速度信息；

32、建模单元，用于为每一智能移动设备进行动力学建模，得到智能移动设备的数学描述；

33、第一确定单元，用于基于数学描述确定多个智能移动设备的编队跟踪关系，基于所述编队跟踪关系确定多个智能移动设备的通讯拓扑以及队形参数，以此确定多个智能移动设备的编队跟踪误差模型；

34、约束单元，用于基于所述编队跟踪误差模型对每一智能移动设备的距离误差的变化范围进行约束，对距离误差的收敛速度进行规划；

35、触发单元，用于触发多个智能移动设备中每一智能移动设备实时获得其邻居智能移动设备的位置和速度信息，并获取自身的位置和速度信息，基于自身的位置信息与其邻居智能移动设备的位置信息确定智能移动设备与其邻居智能移动设备的距离及方位；

36、第二确定单元，用于基于编队跟踪误差模型，确定智能移动设备之间的距离及方位是否需要调整，以及待调整的速度、时长和方位；

37、调整单元，用于触发各智能移动设备基于自身所确定的待调整的速度、时长和方位进行队形调整，并动态维持各自的速度，与其邻居智能移动设备的位置关系。

38、在一些示例性的实施例中，所述约束单元，还用于：

39、为多个智能移动设备的编队设置非奇异滑模面，在为所述非奇异滑模面提出与编队跟踪误差相类似的性能约束后，为所述多个智能移动设备的编队设计控制器，使得所述非奇异滑模面所提出的滑动流形在固定时间内收敛到零附近的小邻域内，且始终不违背对所述非奇异滑模面预设的边界要求；

40、在所述非奇异滑模面稳定到上述零附近的小邻域内后，在所述控制器的作用下，编队跟踪误差将会在固定时间内收敛到零附近的小邻域内，且不违反对编队跟踪误差提出的约束边界条件。

41、在一些示例性的实施例中，所述约束单元，还用于：

42、通过下式设置非奇异滑模面si,a：

43、

44、其中，ψ(ηi，a)的表达式通过以下式子表达：

45、

46、其中，ps,qs,ms,ns为任意大于零的奇数，且满足ms>ns，2ps>qs>ps，ms/ns-ps/qs>1；αi,a与βi,a为大于零的可调增益。

47、在一些示例性的实施例中，所述约束单元，还用于：

48、所述非奇异滑模面si,a的初值需满足：

49、

50、其中，si，a分别表示si,a在零时刻的上下界，且si，a＜0，

51、设计控制器ui,a使得所述非奇异滑模面si,a满足以下边界条件，则编队跟踪误差ηi，a将被约束在下式提出的包络范围：

52、

53、其中，kis,a为限制范围的常参数，且满足0<kis,a<1，ρi，a(t)为指数收敛的性能函数，kiη,a为随后设计的大于零的常数，其控制ρi，a(t)的收敛速度。

54、在一些示例性的实施例中，所述建模单元，还用于：

55、对每一智能移动设备进行动力学建模，得到智能移动设备的二阶数学描述，如下：

56、

57、其中，i表示多个智能移动设备的编队中第i个智能移动设备；mi为2×2的对称正定惯性矩阵；vi＝[vci,ωi]t表示智能移动设备ri的速度向量；ci为2×2的科氏力矩阵；bi为2×2输入变换矩阵；τi＝[τil,τir]t表示智能移动设备左右侧车轮力矩；τid为2×1的大小未知的有界扰动，其具体描述如下所示：

58、

59、其中m，iz，r，l分别表示智能移动设备的质量，转动惯量，车轮半径以及1/2轮距。

60、本技术实施例中，在多个智能移动设备中设置第一智能移动设备作为领航者，其余智能移动设备作为跟随者，为每一跟随者设定邻居智能移动设备，通过为智能移动设备编队设置编队控制器，通过为多个智能移动设备设置编队跟踪误差模型，以对每一智能移动设备的距离误差的变化范围进行约束，对距离误差的收敛速度进行规划，本技术实施例既能实现系统固定时间稳定，又能够保证整个控制过程中状态量的性能表现始终在可预先设计的性能函数的限定范围内，降低了系统潜在的失控风险；将预设性能控制与非奇异滑模面、自适应控制相结合，实现了规定的性能表现以及固定时间收敛的控制目标。本技术实施例为多个智能移动设备的编队控制提供了物理描述更加精准的基于动力学模型的解决方案。