AmigoBot機器人攔截控制方法實現

王榮花++馮樹林

摘 要

本文采用純比例導航算法，設計控制策略實現攔截控制。針對移動機器人平臺，用一臺本地計算機作為控制器，和兩臺AmigoBot機器人組成一個無線局域網，基于無線通信方式傳輸數據，從而實現對機器人的遠程控制。文中通過分別給出機器人運動數學模型和位姿誤差模型，利用給定的控制策略實現攔截。仿真結果驗證了給定控制策略的有效性。

【關鍵詞】純比例導航 攔截 AmigoBot移動機器人 遠程控制

1 引言

近年來，典型的機器人學研究工作包括可控性、路徑規劃、隊形控制、軌跡跟蹤和攔截等。

軌跡跟蹤問題一直受到關注，有許多相關研究方法：逆推控制方法比較典型，此外，由于機器人存在非完整性約束，滑模控制方法也是應用廣泛的方法。

對于機器人攔截問題，主要的研究方法：利用幾何規則與運動方程相結合設計控制策略；基于視覺利用圓形導航算法實現攔截等。文獻[3]利用純比例導航算法，實現了在無線傳感器網絡中對運動目標跟蹤和攔截的理論模型分析。

本文研究工作是基于文獻[3]中的純比例導航算法設計控制策略，實現攔截控制。

2 移動機器人動態模型

2.1 機器人模型

二維X-Y平面坐標系下，機器人運動模型數學表達式為：

（1）

其中[x（k），y（k），θ（k）]T為機器人k時刻的位姿狀態值，v（k）和w（k）分別為機器人k時刻的線速度和角速度，T是采樣時間。

2.2 機器人位姿誤差模型

領航機器人和跟隨機器人k時刻的位姿狀態值分別表示為：

[x1（k），y1（k），θ1（k）]T和[xf（k），yf（k），θf（k）]T，二者的位姿誤差表示為[xe（k），ye（k），θe（k）]T。基于坐標變換，機器人位姿誤差方程表示為：

（2）

3 攔截控制策略設計

移動機器人攔截控制策略是通過尋求特定有界控制輸入，使得機器人位姿誤差有界。設K為攔截完成時間，有如下條件表達式：

（xe（k） ye（k））T=0 （3）

3.1 攔截機器人運動模型

攔截機器人運動模型如下：

（4）

其中[x（k），y（k），θ（k）]T為攔截機器人 k時刻的位姿狀態值，vi（k）和wi（k）分別為攔截機器人k時刻的線速度和角速度，Ti是采樣時間。

3.2 純比例導航算法

攔截運動過程中，目標機器人按照規劃好的路徑自主運動，其初始控制輸入為（vt，wt）T。運動過程中k時刻，目標機器人和攔截機器人的坐標位置分別表示為：[xt（k），yt（k）]T、 [xi（k），yi（k）]T，則兩機器人之間相對距離Si，t和相對方向角θi，t可分別表示為：

（5）

（6）

則相對角速度wi，t為：

（7）

基于純比例導航算法，攔截機器人控制輸入可設計為：

ui（k）=wi，t（k） （8）

攔截運動實現還需要滿足一個條件是攔截機器人運動vi大于目標機器人運動速度vt，即：vi>vt。當實現攔截控制時，兩機器人之間相對距離sit趨于零，從而滿足條件方程式（3）。

4 實驗結果

實現攔截的初始控制輸入如下：目標機器人和攔截機器人初始位姿信息分別為：[0m，0m，0°]T、[-1m，2m，0°]T。目標機器人初始控制輸入為：[160mm/s，-10d/s]T，其運動軌跡為圓。攔截機器人初始線速度為180mm/s。運動過程采樣時間設為Ti=1s。

條件方程式（3）基于忽略機器人體積大小時成立，考慮到實體機器人的體積大小，當實現攔截控制時，其位姿誤差信息近似為零。通過提取兩機器人運動位姿信息，得圖1，近似滿足條件方程式（3）。

5 結論

文中利用純比例導航算法設計控制策略，控制兩機器人實現攔截。通過實驗驗證了給定控制策略的可行性，為以后實現更為復雜的多機器人運動協調問題打好了基礎。

參考文獻

[1]Z. P.Jiang，H.Nijmeijer.Tracking control of mobile robots：A case study in backstepping[J].Automatica， 1997，33（7）：1393-1399.

[2]J.M.Yang，J.H.Kim.Sliding mode motion control of nonholonomic mobile robots[J].IEEE Control Systems，1999，19（2）：15-23.

[3]K.Alkharabsheh，W.D.Xiao，F.Lewis，M.Manry.Target tracking and interception in wireless sensor networks with compensation of communication delay[C].International Conference on Information，Communications and Signal Processing，2007：1-5.

[4]E.Ivanjko，I.Petrovi.Extended kalman filter based mobile robot pose tracking using occupancy grid maps[C].Proceedings of The IEEE Mediterranean Electro-technical Conference，2004：311-314.

[5]S.L.Feng，T.L.Wang.Implementation of control method for interception and hunting by AmigoBot robots[C].Proceedings of the International Conference on Mechatronic Science，Electric Engineering and Computer，2011：2429-2433.

作者簡介

王榮花（1982-），女，山東省無棣縣人。碩士研究生學歷。初級職稱，主要從事無線傳感器網絡的目標跟蹤與定位問題。

作者單位

山東勞動職業技術學院 山東省濟南市 250022endprint

摘 要

本文采用純比例導航算法，設計控制策略實現攔截控制。針對移動機器人平臺，用一臺本地計算機作為控制器，和兩臺AmigoBot機器人組成一個無線局域網，基于無線通信方式傳輸數據，從而實現對機器人的遠程控制。文中通過分別給出機器人運動數學模型和位姿誤差模型，利用給定的控制策略實現攔截。仿真結果驗證了給定控制策略的有效性。

【關鍵詞】純比例導航 攔截 AmigoBot移動機器人 遠程控制

1 引言

近年來，典型的機器人學研究工作包括可控性、路徑規劃、隊形控制、軌跡跟蹤和攔截等。

軌跡跟蹤問題一直受到關注，有許多相關研究方法：逆推控制方法比較典型，此外，由于機器人存在非完整性約束，滑模控制方法也是應用廣泛的方法。

對于機器人攔截問題，主要的研究方法：利用幾何規則與運動方程相結合設計控制策略；基于視覺利用圓形導航算法實現攔截等。文獻[3]利用純比例導航算法，實現了在無線傳感器網絡中對運動目標跟蹤和攔截的理論模型分析。

本文研究工作是基于文獻[3]中的純比例導航算法設計控制策略，實現攔截控制。

2 移動機器人動態模型

2.1 機器人模型

二維X-Y平面坐標系下，機器人運動模型數學表達式為：

（1）

其中[x（k），y（k），θ（k）]T為機器人k時刻的位姿狀態值，v（k）和w（k）分別為機器人k時刻的線速度和角速度，T是采樣時間。

2.2 機器人位姿誤差模型

領航機器人和跟隨機器人k時刻的位姿狀態值分別表示為：

[x1（k），y1（k），θ1（k）]T和[xf（k），yf（k），θf（k）]T，二者的位姿誤差表示為[xe（k），ye（k），θe（k）]T。基于坐標變換，機器人位姿誤差方程表示為：

（2）

3 攔截控制策略設計

移動機器人攔截控制策略是通過尋求特定有界控制輸入，使得機器人位姿誤差有界。設K為攔截完成時間，有如下條件表達式：

（xe（k） ye（k））T=0 （3）

3.1 攔截機器人運動模型

攔截機器人運動模型如下：

（4）

其中[x（k），y（k），θ（k）]T為攔截機器人 k時刻的位姿狀態值，vi（k）和wi（k）分別為攔截機器人k時刻的線速度和角速度，Ti是采樣時間。

3.2 純比例導航算法

攔截運動過程中，目標機器人按照規劃好的路徑自主運動，其初始控制輸入為（vt，wt）T。運動過程中k時刻，目標機器人和攔截機器人的坐標位置分別表示為：[xt（k），yt（k）]T、 [xi（k），yi（k）]T，則兩機器人之間相對距離Si，t和相對方向角θi，t可分別表示為：

（5）

（6）

則相對角速度wi，t為：

（7）

基于純比例導航算法，攔截機器人控制輸入可設計為：

ui（k）=wi，t（k） （8）

攔截運動實現還需要滿足一個條件是攔截機器人運動vi大于目標機器人運動速度vt，即：vi>vt。當實現攔截控制時，兩機器人之間相對距離sit趨于零，從而滿足條件方程式（3）。

4 實驗結果

實現攔截的初始控制輸入如下：目標機器人和攔截機器人初始位姿信息分別為：[0m，0m，0°]T、[-1m，2m，0°]T。目標機器人初始控制輸入為：[160mm/s，-10d/s]T，其運動軌跡為圓。攔截機器人初始線速度為180mm/s。運動過程采樣時間設為Ti=1s。

條件方程式（3）基于忽略機器人體積大小時成立，考慮到實體機器人的體積大小，當實現攔截控制時，其位姿誤差信息近似為零。通過提取兩機器人運動位姿信息，得圖1，近似滿足條件方程式（3）。

5 結論

文中利用純比例導航算法設計控制策略，控制兩機器人實現攔截。通過實驗驗證了給定控制策略的可行性，為以后實現更為復雜的多機器人運動協調問題打好了基礎。

參考文獻

[1]Z. P.Jiang，H.Nijmeijer.Tracking control of mobile robots：A case study in backstepping[J].Automatica， 1997，33（7）：1393-1399.

[2]J.M.Yang，J.H.Kim.Sliding mode motion control of nonholonomic mobile robots[J].IEEE Control Systems，1999，19（2）：15-23.

[3]K.Alkharabsheh，W.D.Xiao，F.Lewis，M.Manry.Target tracking and interception in wireless sensor networks with compensation of communication delay[C].International Conference on Information，Communications and Signal Processing，2007：1-5.

[4]E.Ivanjko，I.Petrovi.Extended kalman filter based mobile robot pose tracking using occupancy grid maps[C].Proceedings of The IEEE Mediterranean Electro-technical Conference，2004：311-314.

[5]S.L.Feng，T.L.Wang.Implementation of control method for interception and hunting by AmigoBot robots[C].Proceedings of the International Conference on Mechatronic Science，Electric Engineering and Computer，2011：2429-2433.

作者簡介

王榮花（1982-），女，山東省無棣縣人。碩士研究生學歷。初級職稱，主要從事無線傳感器網絡的目標跟蹤與定位問題。

作者單位

山東勞動職業技術學院 山東省濟南市 250022endprint

摘 要

本文采用純比例導航算法，設計控制策略實現攔截控制。針對移動機器人平臺，用一臺本地計算機作為控制器，和兩臺AmigoBot機器人組成一個無線局域網，基于無線通信方式傳輸數據，從而實現對機器人的遠程控制。文中通過分別給出機器人運動數學模型和位姿誤差模型，利用給定的控制策略實現攔截。仿真結果驗證了給定控制策略的有效性。

【關鍵詞】純比例導航 攔截 AmigoBot移動機器人 遠程控制

1 引言

近年來，典型的機器人學研究工作包括可控性、路徑規劃、隊形控制、軌跡跟蹤和攔截等。

軌跡跟蹤問題一直受到關注，有許多相關研究方法：逆推控制方法比較典型，此外，由于機器人存在非完整性約束，滑模控制方法也是應用廣泛的方法。

對于機器人攔截問題，主要的研究方法：利用幾何規則與運動方程相結合設計控制策略；基于視覺利用圓形導航算法實現攔截等。文獻[3]利用純比例導航算法，實現了在無線傳感器網絡中對運動目標跟蹤和攔截的理論模型分析。

本文研究工作是基于文獻[3]中的純比例導航算法設計控制策略，實現攔截控制。

2 移動機器人動態模型

2.1 機器人模型

二維X-Y平面坐標系下，機器人運動模型數學表達式為：

（1）

其中[x（k），y（k），θ（k）]T為機器人k時刻的位姿狀態值，v（k）和w（k）分別為機器人k時刻的線速度和角速度，T是采樣時間。

2.2 機器人位姿誤差模型

領航機器人和跟隨機器人k時刻的位姿狀態值分別表示為：

[x1（k），y1（k），θ1（k）]T和[xf（k），yf（k），θf（k）]T，二者的位姿誤差表示為[xe（k），ye（k），θe（k）]T。基于坐標變換，機器人位姿誤差方程表示為：

（2）

3 攔截控制策略設計

移動機器人攔截控制策略是通過尋求特定有界控制輸入，使得機器人位姿誤差有界。設K為攔截完成時間，有如下條件表達式：

（xe（k） ye（k））T=0 （3）

3.1 攔截機器人運動模型

攔截機器人運動模型如下：

（4）

其中[x（k），y（k），θ（k）]T為攔截機器人 k時刻的位姿狀態值，vi（k）和wi（k）分別為攔截機器人k時刻的線速度和角速度，Ti是采樣時間。

3.2 純比例導航算法

攔截運動過程中，目標機器人按照規劃好的路徑自主運動，其初始控制輸入為（vt，wt）T。運動過程中k時刻，目標機器人和攔截機器人的坐標位置分別表示為：[xt（k），yt（k）]T、 [xi（k），yi（k）]T，則兩機器人之間相對距離Si，t和相對方向角θi，t可分別表示為：

（5）

（6）

則相對角速度wi，t為：

（7）

基于純比例導航算法，攔截機器人控制輸入可設計為：

ui（k）=wi，t（k） （8）

攔截運動實現還需要滿足一個條件是攔截機器人運動vi大于目標機器人運動速度vt，即：vi>vt。當實現攔截控制時，兩機器人之間相對距離sit趨于零，從而滿足條件方程式（3）。

4 實驗結果

實現攔截的初始控制輸入如下：目標機器人和攔截機器人初始位姿信息分別為：[0m，0m，0°]T、[-1m，2m，0°]T。目標機器人初始控制輸入為：[160mm/s，-10d/s]T，其運動軌跡為圓。攔截機器人初始線速度為180mm/s。運動過程采樣時間設為Ti=1s。

條件方程式（3）基于忽略機器人體積大小時成立，考慮到實體機器人的體積大小，當實現攔截控制時，其位姿誤差信息近似為零。通過提取兩機器人運動位姿信息，得圖1，近似滿足條件方程式（3）。

5 結論

文中利用純比例導航算法設計控制策略，控制兩機器人實現攔截。通過實驗驗證了給定控制策略的可行性，為以后實現更為復雜的多機器人運動協調問題打好了基礎。

參考文獻

[1]Z. P.Jiang，H.Nijmeijer.Tracking control of mobile robots：A case study in backstepping[J].Automatica， 1997，33（7）：1393-1399.

[2]J.M.Yang，J.H.Kim.Sliding mode motion control of nonholonomic mobile robots[J].IEEE Control Systems，1999，19（2）：15-23.

[3]K.Alkharabsheh，W.D.Xiao，F.Lewis，M.Manry.Target tracking and interception in wireless sensor networks with compensation of communication delay[C].International Conference on Information，Communications and Signal Processing，2007：1-5.

[4]E.Ivanjko，I.Petrovi.Extended kalman filter based mobile robot pose tracking using occupancy grid maps[C].Proceedings of The IEEE Mediterranean Electro-technical Conference，2004：311-314.

[5]S.L.Feng，T.L.Wang.Implementation of control method for interception and hunting by AmigoBot robots[C].Proceedings of the International Conference on Mechatronic Science，Electric Engineering and Computer，2011：2429-2433.

作者簡介

王榮花（1982-），女，山東省無棣縣人。碩士研究生學歷。初級職稱，主要從事無線傳感器網絡的目標跟蹤與定位問題。

作者單位

山東勞動職業技術學院 山東省濟南市 250022endprint