动态关联机器人编队队形分布式协同控制研究

Multi-robot formation system with dynamic interconnection compared with an isolated mobile robot can complete a more complex task in lesser cost, but the involved essential problems that should be solved are the cooperative control method of the formation system and the formation stability. This project in first proposes a “formation stability hypothesis” based on a bidirectional thinking mode, and further provides a new idea for solving the above essential problems. Based on it, the EDA (Extension-Decomposition-Aggregation) strategy is employed to construct “individual additional system” and analyze its dynamic interconnection property, and then study a decentralized cooperative formation control approach which is able to restrict the impact exerted by the local formation error propagation and the dynamic interconnection. It could translate the complicated cooperative control problem of multi-robots into a relatively simple stable control problem of the individual additional systems. The stability relationship between the individual additional systems and the multi-robot formation system is next studied to achieve a stability criterion about the whole formation geometry system under the framework of decentralized formation control, and to finally verify the “formation stability hypothesis” in theory and on a practical multi-robot platform. This study will provide a novel approach to solve the decentralized control problem of the multi-robot formation, and the achieved result will simplify the decentralized controller design of the formation system and the stability analysis of the whole formation geometry.

动态关联机器人编队系统与单一机器人相比，虽然能够以更小的代价完成更加复杂的任务，但其中涉及并需要解决的核心问题是编队系统协同控制方法和编队队形稳定性问题。本项目首先基于“双向思维方式”提出一种“编队队形稳定性假说”，并基于此进一步给出解决上述核心问题的新思路；然后基于该思路，采用“扩展-分解-聚集(EDA)”策略，构建“独立增广系统”并分析其动态关联特性，同时研究一种能够抑制局域队形误差传导和动态关联作用影响的分布式协同控制方法，将复杂的关联机器人编队协同控制问题转化成相对简单的独立增广系统稳定性控制问题。在此基础上，进一步研究独立增广系统稳定与编队队形稳定之间的关系，获到分布式控制架构下机器人编队整体队形稳定性判据，并最终从理论和实物系统两方面论证“编队队形稳定性假说”。本研究将为解决编队系统分布式协同控制问题提供一类新方法，其结论有助于简化编队队形分布式控制器设计以及队形稳定性分析。

动态关联机器人编队分布式协同控制问题是一个由多机器人相互关联、相互影响，共同构建而成的复杂多对象关联系统的分布式控制问题，是多对象协同控制领域中最重要的一个研究分支，其涉及的学科领域非常广泛，主要包括控制论、系统论、图论、网络通信与计算、人工智能、动物生态学等，属于典型的交叉性学科。近年来，涉及到编队控制问题的相关论文在国际知名期刊上大量出现，这一方面体现了国内外学术界对编队控制问题的高度重视，另一方面从侧面反映了该问题的研究有其现实的必要性和迫切性。需要指出的是，关联机器人编队系统能够以更小的代价完成复杂的任务，其中涉及的核心问题是解决编队系统协同控制方法和编队队形稳定性等相关问题。项目中基于“双向思维方式”提出了一种“编队队形稳定性假说”，这是一种解决编队系统协同控制问题的新思路，所提出的“扩展-分解-聚集”策略可用于构建了“独立增广系统”，进而便于分析系统动态关联特性。此外，项目对如何抑制局域队形误差传导，如何研究动态关联作用相互影响进行了有益探索，所提出的方法将复杂的机器人编队队形协同控制问题转化成相对简单的独立增广系统稳定性控制问题，并据此研究了独立增广系统稳定与编队队形稳定之间的关系，获到了分布式机器人编队系统整体队形稳定性判据，最终从理论和实物系统两方面论证了“编队队形稳定性假说”。本项目为解决编队系统分布式协同控制问题提供一类新方法，其成果简化了编队队形分布式控制器设计以及队形稳定性分析。