基于局部测量信息的移动机器人组目标环绕编队分布式控制研究

It is of significance to investigate the circular formation control of multiple nonholonomic mobile robots, as it expands the application scenarios of mobile robots formation in both military and industry. It is a challenging research topic to design the controller without using any global information or any global settings, and to prove the global stability of the resulting closed-loop system. It is generally assumed in most existing works that all mobile robots require the state of the target, use the measurements within a global coordinate frame, or need some restrictions on the network topology. This project aims to develop the distributed controllers using the local measurements within the local coordinate frames of mobile robots, and established the stability conditions of the controlled multi-robot systems, based on the assumptions that some robots have access to the target and that the network topology is a general directed graph. First, for the problem with a stationary target, a controller only using the relative position measurements will be proposed. Then, for the problem with a moving target, other than the relative status measurements, the cooperative communication among mobile robots will be introduced to facilitate the controller design. Finally, for the problem with a moving target, the case where the cooperative communication is not available, will be investigated. The designed controller is allowed to use the relative status measurements only. This project is the extension of the nonlinear control theory in multi-robot systems. The success of this project will provide a general solution to the circular formation control problem of multi-robot systems, which leads to the improvement on the autonomy and the intelligence for mobile robots.

移动机器人组的目标环绕编队控制研究，对拓展移动机器人组编队在军事和工业领域的应用场景具有重要的意义。如何不使用任何全局设置或全局信息设计编队控制器，并证明闭环系统的稳定性，是一个具有挑战性的课题。现有的研究工作通常需要所有机器人得到目标状态、使用全局坐标系下的测量信息、或限制网络的拓扑结构。本课题拟研究在仅部分机器人可测得目标和网络拓扑为一般有向图的情况下，如何基于机器人独立坐标系的局部测量信息，设计分布式控制器并建立受控机器人组闭环系统的稳定性条件。首先，针对静态目标，使用相对位置测量信息设计控制器。其次，针对移动目标，使用机器人协作通信和相对状态测量信息设计控制器。最后，针对移动目标，研究当机器人组协作通信不可用时，使用相对状态测量信息的控制器设计。本课题是非线性控制理论在多机器人系统的拓展与延伸，将给出移动机器人组目标环绕编队控制问题的一般性解决方案，提升机器人组的自主性和智能性。

移动机器人集群目标环绕编队控制对拓展移动机器人集群编队在军事和工业领域的应用场景具有重要的意义。现有的研究工作通常需要所有机器人得到目标状态，使用全局坐标系下的测量信息，限制网络的拓扑结构。本项目研究在尽可能不使用任何全局信息和尽可能降低网络拓扑条件限制的同时，基于移动机器人局部测量的相对状态信息与机器人之间的信息交互设计分布式控制器，并建立了受控机器人集群闭环系统全局稳定性的条件。具体而言，本项目首先针对静态目标，对移动机器人目标环绕编队控制问题的分析与设计展开深入研究，分析了速度扰动对移动机器人集群的影响，利用输出调节理论思想，建立了受速度扰动情况下移动机器人集群闭环系统的全局稳定性成立条件；接着面向动态目标，根据目标的速度条件从简单到复杂，逐渐提出针对不同移动目标情况的目标状态估计方法及分布式编队控制设计，建立对应的闭环系统稳定性条件，并分析了集群系统的瞬态响应，求解瞬态避碰的充分条件；进一步完成了基于非完全局部信息条件下移动机器人集群的分布式编队控制问题分析与设计，如使用方位信息、信息交互存在丢包、带宽受限等，通过深入分析非完全信息的缺失部分对闭环系统的稳定性影响，基于非线性系统输入-状态稳定的分析，建立闭环系统的全局稳定性；最后，完成多机器人协同控制实验平台的搭建，并完成部分理论成果的实验验证工作。本项目的理论结果将非线性控制在移动机器人集群系统得到应用与推广，同时在稳定性分析中提出了基于非线性摄动系统和稳定集合退减理论的稳定性分析方法，补充了非线性系统稳定性理论。本项目的研究对移动机器人集群目标环绕编队控制问题，给出了较为详尽的分布式控制解决方案，有效地提升移动机器人集群的自主性和智能性。

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